Schiffsmotoren am Computer optimieren

Hochseeschiffe sind die Kamele der Globalisierungskarawane. Sie transportieren unermüdlich Güter auf den Weltmeeren rund um den Globus – und sie sind Dreckschleudern. Die riesigen Motoren von Frachtern verbrennen meist stark schwefelhaltiges Schweröl. Das schädigt die Umwelt. Und weil diese Schiffe extrem viel Sprit verbrauchen, auch die Rechnung der Reeder: Bis zu 80 Prozent der Kosten, die während 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 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, welche 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, welche 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 massiv

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 8000 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.