Wie Simulation der Schifffahrtsindustrie zu mehr Nachhaltigkeit verhilft

Die Anwendbarkeit der Systemsimulation ist in drei Phasen zu finden, die sowohl die Entwicklungs- als auch die Betriebsphase des Schiffes umfassen. In der Konzept- und Entwurfsphase wird die Simulation eingesetzt, um das System durch strenge Parameterstudien zu optimieren, die technischen Anforderungen zu erfüllen und erste Systemoptimierungsstudien, Konzeptvergleiche, die Ermittlung von Systemanforderungen und Randbedingungen für die Bereiche durchzuführen. Der betriebliche Aspekt schließlich umfasst Leistungsoptimierung, Wartungsplanung, Brückenassistenzsysteme, virtuelle Sensoren und Simulatoren. Hier können die Modelle zur Unterstützung der Streckenoptimierung, der Leistungsverbesserung, der Online-Überwachung oder zur Schulung von Ingenieuren an Simulatoren eingesetzt werden.

Wesentliche Bausteine für die digitale Transformation in der Schifffahrtsbranche

Die integrierte Simulation setzt noch stärker auf die Digitalisierung als die Simulation einzelner Systeme. Die erste Voraussetzung ist die genaue Datenerfassung, gefolgt von der Datenanalyse, die den Input für die folgende Systemsimulation liefert. Die Erstellung Virtueller Zwillinge ist der Schlüssel zum Simulationsprozess, denn sie bieten dem Ingenieur eine benutzerfreundliche Oberfläche und einen vollständigen Überblick. Sie treiben die modellbasierte Entwicklung voran und helfen dem Benutzer, die zusammengeführten Simulationsblöcke zu visualisieren und mit ihnen zu arbeiten. Die Simulationslösung ermöglicht somit virtuelle Tests in einer virtuellen Umgebung und spart sowohl bei der Entwicklung von Schiffen als auch bei bereits bestehenden Modellen Zeit und finanzielle Ressourcen.

Die Anforderungen an Simulationssoftware

Die wichtigste Anforderung ist eine modulare Anordnung in der Benutzeroberfläche, wobei jeder Block einen bestimmten Bereich darstellt. Außerdem muss die Simulationsplattform instationäre Betriebsbedingungen ermöglichen und die dynamische Analyse des Schiffes sowie die Untersuchung der gegenseitigen Wechselwirkungen seiner Komponenten und Untersysteme erlauben. Die Simulationssoftware liefert den erforderlichen Detaillierungsgrad. All dies kann mit einer umfassenden Multi-Domain- und Multi-Physik-Rechenplattform erreicht werden.

Im folgenden Abschnitt untersuchen wir drei Anwendungsfälle, in denen die Integration die Simulation auf Systemebene ermöglicht. Die Simulation wird durch eine speziell entwickelte Toolchain ermöglicht, die auf unseren Lösungen AVL CRUISE™ M und Model.CONNECT™ basiert. CRUISE M ist eine vielseitige Simulationsplattform für die schnelle und einfache virtuelle Analyse und Optimierung von Systemen, Subsystemen und Komponenten. Diese Lösung ist das Herzstück der Plattform und ermöglicht die Erstellung von Modellen dank der verschiedenen verfügbaren Bibliotheken, die die Modellierung der relevanten Simulationsdomänen abdecken.

Model.CONNECT ist eine Co-Simulationsumgebung, die es ermöglicht, die spezifischen Teilmodelle und das Gesamtmodell zu verbinden. Dadurch werden die Komponenten als ein einheitliches Ganzes betrachtet und nicht als separate, nicht miteinander kommunizierende Teile, was sie ideal für komplexe und große Strukturen wie Schiffe macht. Es ist möglich, Werkzeuge von Drittanbietern in die Co-Simulation zu integrieren (z. B. offene Simulink-Modelle) und Modelle einfacher zu verwalten. In der Regel wird sie angewendet, wenn ein komplexes Systemsimulationsmodell erstellt wird und mehrere Ingenieurteams für die Erstellung und Pflege der Teilmodelle verantwortlich sind, um die Möglichkeiten der Zusammenarbeit zu verbessern.

Anwendungsfall 1: Optimierung des Kraftstoffverbrauchs mit echtzeitfähigen Motormodellen

Der Treibstoffverbrauch eines Schiffes hängt von mehreren Faktoren ab, z. B. von der Schiffsgröße, der Rumpfform, der Tragfähigkeit, der Fahrtroute, den Motoreigenschaften und der Fahrgeschwindigkeit. Trotz des hohen Treibstoffverbrauchs von Schiffen ist es nicht kosteneffizient, ihn durch einen nachhaltigeren Treibstoff zu ersetzen. Zur Veranschaulichung: minderwertiger Treibstoff würde ein großes Kreuzfahrtschiff 130.000 $ pro Tag für 80.000 Gallonen kosten, wohingegen Marine Gas Oil ein Schiff stolze ~US $ 300.000/Tag kostet. 

Es ist auch wichtig, die Kosten für die Entwicklung und Erprobung von Motoren zu berücksichtigen. Der Einsatz von Simulationen kann die Verbesserung der Motorkonstruktionsphase, die Entwicklung und Kalibrierung der ECU-Funktionen und die Schätzung des Kraftstoffverbrauchs und der NOx-Emissionen in realistischen Arbeitszyklen unterstützen. Dies kann mit CRUISE M 1D- und 0D-Motormodellen durchgeführt werden. Die Verwendung eines großen Motormodells auf dem HiL-System kann Entwicklungskosten in Millionenhöhe einsparen.

In einem auf dem 18. Symposium "Sustainable Mobility, Transport and Power Generation" veröffentlichten Beitrag wurde ein Virtueller Zwilling des Antriebs- und Energiesystems des Schiffes erstellt. Anschließend wurden die Umweltauswirkungen beschrieben. Dazu wurden empirische und semi-empirische Emissionsmodelle für N2, O2, CO2, NOX, HC und H2O auf der Grundlage gemessener Daten erstellt. Für die modellbasierte Entwicklung wurde ein kurbelwinkelaufgelöstes Motormodell erstellt, das durch phänomenologische Verbrennungs- und Emissionsmodelle tiefere Einblicke in den Motor ermöglicht. 

Später wurden vereinfachte, kennfeldbasierte Modelle abgeleitet, die eine höhere Rechengeschwindigkeit ermöglichen und sich daher gut für die effiziente Simulation ganzer Fahrten eignen. Diese Schiffskonfiguration ermöglicht die Vorhersage der momentanen und kumulativen Emissionen für eine Reise unter Berücksichtigung von Parametern wie Tonnage, Schiffswiderstand und Wind.

¹ https://www.marineinsight.com/videos/video-how-much-fuel-does-a-cruise-ship-consume/

² Source: paper “Evaluation of LNG as alternative fuel for large marine engines by means of predictive emission model”

Anwendungsfall 2: Simulation des realen Schiffsbetriebs zur Verbesserung der Schiffseffizienz

Bordsysteme verschwenden viel Energie, vor allem in Form von Wärme. Daher ist die Analyse des realen Betriebs zur Umsetzung eines wirksamen Energiemanagements an Bord ein wichtiger Faktor für die Senkung des Kraftstoffverbrauchs und der damit verbundenen Emissionen. So können beispielsweise die Aufwendungen für das Hotel durch die Energieerzeugung eines Stromaggregats oder einer Brennstoffzelle (z. B. einer Festoxidbrennstoffzelle) abgedeckt werden. Darüber hinaus könnte die in den Abgasen enthaltene Enthalpie oder die vom Verbrennungsmotor abgegebene Wärme zur Erwärmung der Pools oder zur Dampferzeugung genutzt werden. Die Anwendungen gehen noch weiter, indem Modelle wie Frischwasserkühlsysteme, verschiedene Wasserwiederaufwärmsysteme und Dampfrückgewinnungssysteme verwendet werden.

Ein solch komplexes Zusammenspiel führt zu unterschiedlichen Kraftstoff- und Energieverbräuchen, die von mehreren Parametern abhängen. Die Systemsimulation könnte daher die Optimierung der Schiffssteuerungsstrategie in Kombination mit einem 3-DOF-Modell des Schiffes selbst unterstützen. Der Model Predictive Control-Algorithmus kann den Ruderwinkel und die Schiffsgeschwindigkeit berechnen, um die Zielkoordinaten und die Schiffsorientierung mit diskreten Schritten und minimalen Kosten zu erreichen. Ein flexibler Ansatz zur Definition und Gewichtung der Ziele durch eine Optimierungskostenfunktion, einschließlich der Fahrzeit und des Energie- oder Kraftstoffverbrauchs, in Kombination mit einem geeigneten Schiffsdynamikmodell ist der Schlüssel zum Erfolg.  Ein Beispiel für diesen Entwurf ist in dem folgenden Video zu sehen. 

Anwendungsfall 3: Unterstützung des Trends zur Hybridisierung und Elektrifizierung in der Schifffahrt

Da die Hybridisierung und Elektrifizierung von Schiffen immer wichtiger wird, bietet CRUISE M die Möglichkeit, Hybrid- und Elektrifizierungskonzepte dank vorhandener Daten für elektrische Maschinen, Brennstoffzellen und Batterien zu untersuchen.

Zum Beispiel können verschiedene Modelle für die Beschreibung der Batterieeigenschaften hinsichtlich des chemischen, elektrischen und thermischen Verhaltens sowie der Alterungsprozesse verwendet werden. Diese Modelle lassen sich in die Haupttypen der physikalischen, empirischen und abstrakten Modelle unterteilen. Für die Simulation auf Systemebene stehen in CRUISE M zwei verschiedene Modelltypen zur Verfügung.

Die Parametrisierung des Batteriemodells wird durch den Assistenten für Batterieparametrierung von CRUISE M unterstützt. Dieses Tool berechnet die Modellparameter aus gemessenen dynamischen Daten für das Laden und Entladen bei verschiedenen Bedingungen.

In ähnlicher Weise stehen verschiedene Untermodelle und Assistenten für die Analyse von Brennstoffzellen und der Anlagenbilanz zur Verfügung. Es können sowohl PEMFC (LT und HT) als auch SOFC-Stacks und Anlagenbilanzen simuliert werden. In der folgenden Abbildung ist ein eigenständiges Modell des Brennstoffzellenstapels und der Anoden- und Kathodenzweige der Anlagenbilanz dargestellt.

Insgesamt wird sich die Schifffahrtsbranche im Hinblick auf die Einsparung von Ressourcen und die Optimierung von Schiffssystemen massiv verändern, um strenge Umweltziele zu erreichen. Unsere Simulationslösungen bieten einen transformativen Ansatz, da Schiffe als integrierte Systeme und nicht als isolierte Komponenten modelliert werden können. Dieser Fortschritt ist entscheidend, um die Netto-Null-Ziele bis 2050 zu erreichen. Die Simulationssoftware gibt den Ingenieuren die Werkzeuge an die Hand, um ganze Schiffssysteme zu optimieren, die Effizienz zu steigern, die Umweltverschmutzung zu verringern und die Emissionen zu minimieren. Die Einführung der Virtualisierung wird nicht nur die Betriebsleistung verbessern, sondern auch einen wichtigen Beitrag zu einer nachhaltigeren maritimen Industrie leisten.

Wenn Sie mehr über nachhaltige maritime Lösungen lesen möchten, empfehlen wir Ihnen das Paper „Modelling and Simulation of a Fully Electric Hybrid Propulsion System for Passenger Ships Using AVL CRUISE™ M Software“. Das Paper untersucht das Potenzial von Wasserstoff als primäre Energiequelle und analysiert die Dynamik und Leistung des Systems mithilfe des Multiphysik-Simulationstools CRUISE M.