Simulations-Workflow für eine bessere Energieeffizienz von Handelsschiffen

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Cape Horn Engineering nutzt Siemens Simcenter zur Entwicklung eines Simulations-Workflows. Mit der Strömungssimulation lässt sich die Energieeffizienz neuer und bestehender Handelsschiffe verbessern.

Simulations-Workflow: Das Unternehmen Cape Horn ­Engineering wurde von Dr.-Ing. Rodrigo Azcueta, einem Schiffbauingenieur und Experten für numerische Strömungsmechanik (CFD), gegründet. Das weltweit anerkannte Beratungsunternehmen für die Schifffahrt mit Sitz im englischen Portsmouth, hat sich auch im Regattasport einen Namen gemacht. Azcueta leitete ein Team von CFD-Experten für vier America‘s-Cup-Kampagnen und führte Leistungsanalysen für Yachten in den prestigeträchtigsten Regatten der Welt durch. Als Branchenführer im Bereich CFD und maritime Technologielösungen hat sich Cape Horn Engineering unter anderem auf Leistungsvorhersagen für Rennyachten, Segelyachten, Superyachten, Motorboote und kommerzielle Schiffe sowie auf Strukturen für erneuerbare Energien spezialisiert.

Simulations-Workflow als Lösung?

Die Schifffahrtsindustrie hat sich der grünen Revolution zwar etwas verspätet angeschlossen, aber sie ist inzwischen voll in ihr angekommen. Frachtschiffe und Kreuzfahrtschiffe werden mit nachhaltigen Antriebssystemen ausgestattet. Angesichts neuer Vorschriften haben Energieeffizienz und verbesserte Leistung für Schiffbauingenieure höchste Priorität beim Entwurf von Schiffen aller Formen und Größen.

Der Schiffbau bringt unzählige technische Herausforderungen mit sich. Schiffe können bei einer Lebensdauer von mehr als 30 Jahren Investitionen in Höhe von Hunderten von Millionen Euro erfordern. Bei der Konstruktion trägt die Verbesserung der Energieeffizienz zur Senkung der Gesamtbetriebskosten und zur langfristigen Nachhaltigkeit bei – ganz zu schweigen von den Auswirkungen auf die Umwelt durch geringere Emissionen.

CFD für eine grünere Zukunft der Schifffahrt

Die Spezialisten von Cape Horn Engineering unterstützen Schiffsarchitekten bei der Reduzierung von Emissionen und der Verbesserung der Energieeffizienz durch den Einsatz neuer, umweltfreundlicherer Energiequellen.

Eine der neuen Schlüsseltechnologien, die sie einsetzen, ist ein Simulationsverfahren, mit dem sichergestellt werden kann, dass ein Schiffsentwurf die bevorstehenden Vorschriften für den Energy Efficiency Existing Ship Index (EEXI) erfüllt oder übertrifft. Der EEXI misst die konstruktionsbedingten Kohlendioxid-Emissionen (CO2) im Verhältnis zur Größe und Geschwindigkeit des Schiffes und rechnet diese in Emissionen pro Tonne und Meile um. Die Internationale Seeschifffahrtsorganisation (IMO), eine Sonderorganisation der Vereinten Nationen, hat einen politischen Rahmen festgelegt, um die Kohlenstoffintensität bis 2030 schrittweise um mindestens 40 Prozent und die gesamten Treibhausgasemissionen bis 2050 um 50 Prozent zu senken.

„Der Einsatz der CFD-Technologie bietet Schiffseignern eine kosteneffiziente Möglichkeit, verschiedene Lösungen zu untersuchen, um sicherzustellen, dass sie die bevorstehenden EEXI-Vorschriften einhalten“, sagt Azcueta, der Geschäftsführer von Cape Horn Engineering ist. „Es bietet auch die ideale Umgebung, um neuartige energiesparende Vorrichtungen wie Flügelsegel zu testen und zu optimieren. Es gibt mehrere mögliche Lösungen, die man in Betracht ziehen muss, um die Umweltauswirkungen der Schifffahrtsindustrie zu verringern.“

Verbesserung der Effizienz von bestehenden Schiffen

Die Software Simcenter STAR-CCM+, eine CFD-Lösung aus dem Siemens Xcelerator-Portfolio, kann bei der Berechnung des EEXI von älteren Schiffen helfen, indem das Programm die Geschwindigkeitsleistungskurven zur Aktualisierung vorhandener Unterlagen liefert. Dies ist eine wesentlich schnellere und effizientere Methode als die traditionellen Schlepptanktests.

Simcenter STAR-CCM+ kann auch hilfreich sein, wenn Ingenieure potenzielle Energieeffizienzverbesserungen und deren Auswirkungen auf den EEXI untersuchen. Zu diesen Verbesserungen zählt beispielsweise der Einbau von windunterstützten Schiffsantrieben (Wind-Assisted Ship Propulsion, WASP). Um die neuen Vorschriften zu erfüllen, erwägen Schiffseigner WASP-Vorrichtungen wie Flügelsegel, Turbosails oder Flettner-Rotoren.

„WASP-Geräte können die Treibstoffkosten potenziell um 10 bis 30 Prozent senken, aber es handelt sich um sehr komplexe Systeme, die modelliert werden müssen“, betont Azcueta. „Im Idealfall lassen sich sowohl die hydrodynamischen als auch die aerodynamischen Effekte gleichzeitig in einer einzigen Simulation modellieren. Wir haben einen Simulationsablauf entwickelt, um die Effizienz von WASP-Geräten direkt zu vergleichen und mögliche Einsparungen zu ermitteln.“

Validierung der WASP-Technologie mit einem Simulations-Workflow

Mithilfe der CFD-Technologie für den Simulations-Workflow können Schiffsarchitekten und Konstrukteure die Leistung der WASP-Optionen virtuell untersuchen, um die effektivste Wahl entsprechend den Anforderungen des Schiffes zu treffen. Heutzutage spiegeln digitalisierte Versionen von Schiffen dank verbesserter Computerleistung und präziserer Software und Verfahren die reale Leistung ziemlich genau wider. Man spricht hier von einem digitalen Zwilling.

Zur Veranschaulichung dieser Lösung entwickelte Cape Horn Engineering ein Beispiel, bei dem zwei WASP-Konfigurationen auf einem 138 Meter langen Stückgutfrachter, der MV Regal, verglichen wurden. Für die
MV Regal waren Benchmark-Daten verfügbar, so dass sich das Schiff für die Verifizierung und Validierung des Prozesses anbot. Die erste untersuchte Option bestand aus zwei Flügelsegeln mit je drei Flügelflächen und daran angebrachten Steuerflächen, die auf dem Deck montiert waren. Bei der zweiten Option wurden die beiden Flügelsegel durch zwei gleich große Flettner-Rotoren ersetzt.

„Ziel war es, unseren Simulations-Workflow als praktikablen Weg zu demonstrieren, um verschiedene Typen von WASP-Geräten zu vergleichen. Dazu nutzten wir eine hochpräzise hydro-/aerodynamische Simulation auf der Basis von Simcenter STAR-CCM+“, erklärt Azcueta. „Selbst im nicht optimierten Zustand ließ sich dank der WASP-­Geräte eine Leistungsreduzierung von 14 und 24 Prozent erzielen. Simcenter STAR-CCM+ kann Schiffseignern eindeutig helfen, eine fundierte Entscheidung zu treffen, wenn es darum geht, die Effizienz zu verbessern, Energieeinsparungen zu erzielen und die EEXI-Vorschriften zu erfüllen.“

Einsatz von künstlicher Intelligenz

Flügelsegel lassen sich sehr realistisch und genau modellieren, aber es erfordert immer noch die Kapazitäten eines Supercomputers, um diese Art von Simulationen durchzuführen, insbesondere wenn Optimierungsschleifen einbezogen werden. Um dieses Problem zu lösen, arbeitet Cape Horn Engineering mit Unternehmen und Universitäten zusammen, um KI-Modelle zu trainieren, die Modelle ­reduzierter Ordnung nutzen.

„Die Einbeziehung von KI eröffnet enorme Möglichkeiten zur Optimierung des Flügelsegeldesigns und zur Entwicklung intelligenter Steuersysteme, um die größtmögliche Reduzierung der Emissionen zu gewährleisten“, fügt Azcueta hinzu. „Unser Nischenbereich der CFD-Expertise bietet viel Potenzial für umweltfreundlichere Schiffslösungen. Es kommt nicht oft vor, dass sich Interessen auf diese Weise decken, daher ist dies eine außergewöhnliche und spannende Gelegenheit für alle Beteiligten. Gemeinsam können wir auf globaler Ebene etwas bewirken“, ­resümiert Rodrigo Azcueta.

Der Autor Ralf Steck ist freier Fachjournalist in Friedrichshafen.

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