Schiffsmotoren am Computer optimieren

Hochseeschiffe sind die Kamele der Globalisierungskarawane. Sie transportieren unerm¨¹dlich G¨¹ter auf den Weltmeeren rund um den Globus ¨C und sie sind Dreckschleudern. Die riesigen Motoren von Frachtern verbrennen meist stark schwefelhaltiges Schwer?l. Das sch?digt die Umwelt. Und weil diese Schiffe extrem viel Sprit verbrauchen, auch die Rechnung der Reeder: Bis zu 80 Prozent der Kosten, die w?hrend der Lebensdauer eines Hochseeschiffes anfallen, gehen auf das Konto Treibstoff. Bei einem PW sind es weniger als 20 Prozent.

Kommt dazu, dass auch die Abgasvorschriften f¨¹r Hochseeschiffe versch?rft wurden. Insbesondere nahe der K¨¹ste m¨¹ssen 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 versch?rften Emissionsgrenzen m?glichst gering sind.

Ungenaues Tuning

F¨¹r die Optimierung von Schiffsmotoren bietet nun der Spin-off Vir2sense der ETH-Forscher Christophe Barro und Panagiotis Kyrtatos eine neue L?sung. Die beiden Maschineningenieure haben im Rahmen ihrer Forschung in den vergangenen acht Jahren Verbrennungs- und Emissionsmodelle entwickelt, welche in einem realen Motor als virtuelle Sensoren verwendet werden k?nnen. Diesen m?chten sie nun kommerziell nutzen, um die Motoren-Einstellungen grosser Schiffe kontinuierlich zu simulieren, um die Feineinstellung der Motoren an die aktuellen Betriebsbedingungen optimal bez¨¹glich Treibstoffverbrauch und Emissionen anzupassen.  

Diese beiden Gr?ssen h?ngen stark von der Treibstoffqualit?t ab, welche sich nach jedem Betankungsvorgang ?ndert. Je nach Treibstoffpreis und Transportvolumen ?ndern die Schiffe ihre nominelle Geschwindigkeit um Treibstoff und einzusparen und Abgase zu reduzieren. Die Schiffseigner tauschen teilweise einzelne Motorkomponenten f¨¹r 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 G¨¹ter transportieren kann. Ein modellbasiertes Vorgehen f¨¹hrt viel effizienter zum Ziel?, sagt Barro.

Virtuelle Sensoren verbessern Einstellung massiv

Mithilfe ihres virtuellen Pr¨¹fstandes k?nnen Barro und Kyrtatos am Computer im Voraus berechnen, wie ein Motor mit bestimmten Einstellungen l?uft und welche seiner Komponenten wie ver?ndert werden m¨¹ssen, um den gew¨¹nschten Spareffekt zu erzielen.

Mit virtuellen Sensoren ?messen? die Forscher unter anderem die Abgaswerte des Motors. Diese Sensoren haben gegen¨¹ber ihren physischen Gegenst¨¹cken einen grossen Vorteil: sie k?nnen an jedem beliebigen Ort des Motors platziert werden. Reelle Sensoren hingegen k?nnen 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 m¨¹ssen manchmal bereits nach weniger als 100 Betriebsstunden ersetzt werden. Ein Hochseeschiff f?hrt pro Jahr jedoch 8000 Stunden. Ausserdem m¨¹ssen die Sensoren nach kurzer Zeit neu kalibriert werden, was aufwendig ist.

Grosse Einsparungen m?glich

Die virtuelle Testumgebung und deren Sensoren erspart den Reedern deshalb nicht nur die st?ndige Kalibrierung, sondern auch deren fortw?hrenden Ersatz. Dadurch sparen sie viel Geld, weil mithilfe dieser Simulation der Treibstoffverbrauch real gesenkt werden kann. ?Bereits eine Einsparung im tiefen einstelligen Prozentbereich f?llt 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 f¨¹r ein Schiff 20¡®000 bis 30¡®000 Franken kosten wird.? Das klinge nach viel Geld, sei aber gut investiert, denn innerhalb eines Jahres k?nne dieser Betrag bereits amortisiert werden.