Schiffsmotoren auf dem virtuellen Prüfstand

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Für die Optimierung von Schiffsmotoren bietet nun der Spin-off Vir2sense der ETH-Forscher Christophe Barro und Panagiotis Kyrtatos eine neue Lösung. Die beiden Maschineningenieure haben im Rahmen ihrer Forschung in den vergangenen acht Jahren Verbrennungs- und Emissionsmodelle entwickelt, die in einem realen Motor als virtuelle Sensoren verwendet werden können. Von Peter Ruegg, ETH Zürich
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Mit Vir2sense etabliert sich ein neuer Spin-off an der ETH Zürich, der die Motoren von Hochseeschiffen mit einem virtuellen Prüfstand optimieren möchte. Die Jungunternehmer Christophe Barro und Panagiotis Kyrtatos wollen ihr Produkt nun grossen Reedereien verkaufen. Bis zu 80 Prozent der Kosten, die während der Lebensdauer eines Hochseeschiffes anfallen, gehen auf das Konto Treibstoff. Bei einem PKW sind es weniger als 20 Prozent.

Hinzu kommt, dass auch die Abgasvorschriften für Hochseeschiffe verschärft wurden. Insbesondere nahe der Küste müssen die großen Frachter und Kreuzfahrtschiffe strengere Grenzwerte als bisher einhalten. Reeder sind deshalb daran interessiert, die Motoren ihrer Schiffe so zu optimieren, dass die Treibstoffkosten trotz den verschärften Emissionsgrenzen möglichst gering sind.

Ungenaues Tuning

Für die Optimierung von Schiffsmotoren bietet nun der Spin-off Vir2sense der ETH-Forscher Christophe Barro und Panagiotis Kyrtatos eine neue Lösung. Die beiden Maschineningenieure haben im Rahmen ihrer Forschung in den vergangenen acht Jahren Verbrennungs- und Emissionsmodelle entwickelt, die in einem realen Motor als virtuelle Sensoren verwendet werden können. Diesen möchten sie nun kommerziell nutzen, um die Motoren-Einstellungen grosser Schiffe kontinuierlich zu simulieren, um die Feineinstellung der Motoren an die aktuellen Betriebsbedingungen optimal bezüglich Treibstoffverbrauch und Emissionen anzupassen.  

Diese beiden Größen hängen stark von der Treibstoffqualität ab, die sich nach jedem Betankungsvorgang ändert. Je nach Treibstoffpreis und Transportvolumen ändern die Schiffe ihre nominelle Geschwindigkeit um Treibstoff und einzusparen und Abgase zu reduzieren. Die Schiffseigner tauschen teilweise einzelne Motorkomponenten für einen effizienteren Betrieb bei zum Beispiel tieferen Geschwindigkeiten. Dies geschieht bisher vorwiegend an Hand von Erfahrungswerten. «Die Motorenabstimmung ist ein Husarenritt. Sie nimmt viel Zeit in Anspruch, in welcher das Schiff keine Güter transportieren kann. Ein modellbasiertes Vorgehen führt viel effizienter zum Ziel», sagt Barro.

Virtuelle Sensoren verbessern Einstellung

Mithilfe ihres virtuellen Prüfstandes können Barro und Kyrtatos am Computer im Voraus berechnen, wie ein Motor mit bestimmten Einstellungen läuft und welche seiner Komponenten wie verändert werden müssen, um den gewünschten Spareffekt zu erzielen.

Mit virtuellen Sensoren «messen» die Forscher unter anderem die Abgaswerte des Motors. Diese Sensoren haben gegenüber ihren physischen Gegenstücken einen grossen Vorteil: sie können an jedem beliebigen Ort des Motors platziert werden. Reelle Sensoren hingegen können nur an wenigen bestimmten Stellen eingesetzt werden. «Man kann bei einem riesigen Frachtschiff nicht einfach einen Sensor in den Auspuff stecken, um die Abgase zu messen», betont Barro. Die Umgebung im Abgas eines Schiffsmotors ist harsch, physische Sensoren müssen manchmal bereits nach weniger als 100 Betriebsstunden ersetzt werden. Ein Hochseeschiff fährt pro Jahr jedoch 8’000 Stunden. Außerdem müssen die Sensoren nach kurzer Zeit neu kalibriert werden, was aufwendig ist.

Große Einsparungen möglich

Die virtuelle Testumgebung und deren Sensoren erspart den Reedern deshalb nicht nur die ständige Kalibrierung, sondern auch deren fortwährenden Ersatz. Dadurch sparen sie viel Geld, weil mithilfe dieser Simulation der Treibstoffverbrauch real gesenkt werden kann. «Bereits eine Einsparung im tiefen einstelligen Prozentbereich fällt bei der Schifffahrt stark ins Gewicht», betont Barro.

Er ist deshalb zuversichtlich, dass der veranschlagte Preis ihres Produktes potenzielle Kunden nicht abschreckt: «Wir denken, dass eine unserer Simulationseinheiten für ein Schiff 20‘000 bis 30‘000 Franken kosten wird.» Das klinge nach viel Geld, sei aber gut investiert, denn innerhalb eines Jahres könne dieser Betrag bereits amortisiert werden.

Schwerpunkt Hochseeschifffahrt

Das Potenzial ist gross: Die weltweit 20 grössten Reedereien verfügen zusammen über 4’000 Schiffe; pro Jahr laufen 1’500 bis 2’500 neue vom Stapel. Die fünf grössten Reeder besitzen je 400 Schiffe. «Wenn wir nur einen davon überzeugen können, unsere Lösung flächendeckend einzuführen, sind wir gut im Geschäft», findet Kyrtatos.

Auf die Hochseeschifffahrt wollen sie sich konzentrieren, weil das Geschäft besser überschaubar ist als beispielsweise die Autobranche, obwohl die virtuellen Sensoren auch dort verwendbar sind. «Wir können unser System grundsätzlich für Motoren aus allen Sektoren anwenden, also auch für Autos, Baumaschinen oder Lastwagen», sagt Kyrtatos. In die Autoindustrie einzusteigen, wäre allerdings schwieriger. «Viele Autohersteller lösen das Optimierungsproblem lieber selbst, mit ihren eigenen Entwicklungsabteilungen», ergänzt er. Darüber hinaus sind die Hersteller von Schiffsdieselmotoren – im Gegensatz zu Autobauern – viel kleinere Betriebe. Die Vielfalt der Modelle ist überschaubar.

Standbein an der ETH

Noch arbeiten Barro und Kyrtatos als Oberassistenten und Dozenten am Labor für Aerotheromochemie und Verbrennungssysteme (LAV) bei Professor Konstantinos Boulouchos. Sie werden auch künftig sehr nahe mit dem Labor kooperieren um neue Produkte für alle Sektoren von Verbrennungsmotoren zu entwickeln.

Der Spin-off Virt2sense ist einer der jüngeren Sprosse der ETH Spin-off-Familie. Barro studierte und doktorierte an der ETH Maschinenbau, dann fügte er ein Postdoc an, nun ist er Oberassistent und leitet eine Forschungsgruppe am LAV. Auch Kyrtatos absolvierte sein Doktorat an der ETH und leitet heute eine Gruppe am gleichen Labor. Während ihrer Doktoratszeit lernten sich die beiden Ingenieure kennen und zogen gemeinsam ihre Firma auf. Im März 2016 haben sie das Unternehmen formell gegründet. Soeben haben sie dafür auch das offizielle Label «ETH Spin-off» erhalten.

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