Leistungseinsparung in der Schiffshydrodynamik: Effizienzsteigerung durch innovative Ansätze
Simon Froitzheim, Erik Schomburg, Rainer Grabert, Rhena Klose; Schiffbau-Versuchsanstalt Potsdam GmbH
Die Effizienzsteigerung in der Schifffahrt ist essenziell für die Reduktion von Energieverbrauch, Betriebskosten und Umweltbelastungen. Der Vortrag soll einen Überblick über technische Ansätze zur Energieeinsparung in der Schiffshydrodynamik gegeben, ihre physikalische Wirkungsweise erläutern sowie Zusammenhänge und relevante Kennwerte zur Abschätzung von Einsparpotenzialen dargelegten. Thematisch zugeordnet sollen die neuesten Forschungsergebnisse der SVA vorgestellt werden, denn die SVA forscht in verschiedenen Projekten an Maßnahmen zur Rückgewinnung und Nutzung von Energieverlusten.
Im Vordergrund steht die Minimierung von Verlusten. Darüber hinaus kann auch das Nutzen von Energiequellen aus der Umgebung zur Reduzierung des Energiebedarfs beitragen. Dies kann wie folgt eingeteilt werden:
1.
Rotationsverluste sind eine unvermeidliche Folge Schuberzeugung am Propeller und steigen mit zunehmender Belastung. Der Schubbelastungsgrad CTH dient als zentraler Kennwert zur Bewertung dieser Verluste und zur Abschätzung der Effizienz potenzieller ESDs. Bei gering belasteten Propellern ist ein einzelner Propeller optimal, während Vordrallfinnen, twistierte Ruder, Propeller Boss Cap Fins (PBCF) oder Costabirnen nur geringfügige Einsparungen ermöglichen. Bei höherer Propellerbelastung ermöglichen Contra Rotierende Propeller (CRP) oder andere ESDs eine effektive Rückgewinnung der Rotationsverluste. Vorsicht ist jedoch bei der Bewertung der möglichen Gewinne bei Kombination mehrerer ESDs geboten. Die FuE-Projekte „KonRo“ (kontrarotierende Antriebe) und „Aktivruder“ (CRP-Hilfsantrieb am Ruder) setzen hier an.
2.
Wellenwiderstand entsteht, wenn ein Schiff Energie zur Wellenerzeugung an die Umgebung abgibt. Die Signifikanz dieser Verluste hängt von der Froudezahl Fr, also der Schiffslänge und der Geschwindigkeit, ab. Allgemein gilt: Je größer Fr, desto höher der Wellenwiderstand. Maßnahmen wie Wulstbugoptimierung, Anpassung der Wasserlinie (Eintrittswinkel, Schultern), Interceptoren, Staukeile oder Bugflossensysteme können den Wellenwiderstand reduzieren. Im FuE-Projekt „Brewel“ soll die numerische Prognosegenauigkeit extremer Wellenwiderstände bei schnellen Schiffen verbessert werden.
3.
Reibungswiderstand entsteht durch die Reibung zwischen Wasser und der Schiffshülle sowie weiteren benetzten Bauteilen. Wichtige Kennwerte sind die Reynoldszahl Re und die benetzte Fläche. Neben einer Geschwindigkeitsreduktion lässt sich die Reibung durch Anstriche und Beschichtungen minimieren, die das Fouling-Verhalten und den Reibungsbeiwert bei sauberem Rumpf verringern. Rauigkeit, hydrophobe Eigenschaften und Riblettstrukturen spielen dabei eine Rolle. Im FuE-Projekt „Skeg“ wurde diesbezüglich untersucht, inwiefern sich der Skeg eines Schiffes durch Flossensysteme hydrodynamisch ersetzen lässt um Reibungs- und Viskose Druckwiderstände zu minimieren.
4.
Viskoser Druckwiderstand entsteht durch Strömungsablösungen und aufgedickte Grenzschicht, insbesondere bei voluminösen Hinterschiffen oder bei Spiegeltauchung. Relevante Kennwerte sind die Reynoldszahl Re und der Blockkoeffizient CB. Ablöseerscheinungen sollten möglichst vermieden werden, sodass eine Hinterschiffsoptimierung immer empfehlenswert ist. Verschiedene Düsenformen können Ablösungen mindern und den Zustrom zum Propeller verbessern. („Hydesign & PSDMan“)
5.
Windenergie ist ein bewährtes Mittel, Schiffe anzutreiben. Mit Segeln, Flettner-Rotoren oder Kites können Schiffe entweder vollständig oder zur Unterstützung anderer Propulsionssysteme betrieben werden. Besonders bei Wind-Assisted-Ships bietet die Optimierung des gesamten Propulsionskonzepts großes Potenzial. Das laufende FuE-Projekt „Wind“ und das geplante Projekt „Multiprop“ befassen sich mit Wind-Assisted-Propulsion und deren Auswirkungen auf die Propulsionseigenschaften.
6.
Wellenenergie ist auf dem Meer reichlich vorhanden und kann durch Bugleitflossensysteme in Vortrieb umgewandelt werden. Diese Systeme könnten eine größere Wirkung als Bugwülste erzielen. Ein Beispiel sind die Bugflossensysteme, die im Projekt Dethless untersucht werden sollen.
Ziel ist es, kompatible und schiffsspezifische Optimierungsmaßnahmen zu identifizieren, geeignete Maßnahmen auszuwählen und deren realistische Einsparpotenziale bei der Konzeptionierung zu berücksichtigen. Dabei ist zu beachten, dass sich die Effekte von Energy Saving Devices (ESDs) nicht beliebig addieren lassen.
