Forschung

Titel:	AkuZy – Hydroakustik von Zykloidalpropellern
Laufzeit:	2025 – 2028
Projektmanager:	Heike Richter
Förderung:	Bundesministerium für Wirtschaft und Energie
Projektträger:	EuroNorm GmbH
Reg.-Nr.:	49MF250044

Die Globalisierung führte aufgrund des stark anwachsenden Welthandels zu einem exponentiellen Anstieg der Verkehrsdichte auf den Seewegen. Aufgrund dieses Wachstums konnte in den vergangenen Jahren ein deutlicher Anstieg des Geräuschpegels in den Meeren festgestellt werden. Der Einsatz von Zykloidalpropellern scheint eine Verringerung der Geräusche zu versprechen. Insbesondere die vielfältig vertretenden Zykloidalpropellervarianten (VSP, ABB Dynafin™) mit unterschiedlichen Vor- und Nachteilen bieten somit potentiell akustische als auch effizienztechnische Verbesserungsmöglichkeiten für hoch belastete Anlagen sowie für Propulsionsbedingungen. Dazu muss die Erforschung der Kavitationsgeräusche systematisch und typenübergreifend erfolgen, um sichere Vorhersagen erstellen zu können.

Das Ziel des Forschungsvorhabens ist einerseits die Optimierung von hydroakustischen Eigenschaften und andererseits die Steigerung der Effizienz von Zykloidalpropellern durch eine angepasste Strategie aus Rechnungen und Modellversuchen.

Dazu muss die bestehende Mess- und Antriebstechnik in Hinblick auf Genauigkeit und Geräuscharmut optimiert werden. Daraus sollen verbesserte Leistungs- und Akustikprognosen mit größerer Prognosesicherheit resultieren. Zudem sollen auf Basis systematischer CFD-Untersuchungen optimierte Kinematiken in Kombination mit optimierten Flügelgeometrien erarbeitet werden, welche zu verringerten Schallemissionen bei gleichzeitiger Verbesserung des hydrodynamischen Systemwirkungsgrades führen. Die Ergebnisse der CFD-Berechnungen sollen im Kavitationstunnel und in der Schlepprinne durch Modellversuche (Freifahrt, Kavitations- und Akustikmessungen) für zwei Beispielschiffe validiert werden und mit Großausführungsmessungen verglichen werden.

Der neu zu konzipierende Zykloidalantrieb hat zum einen das Ziel, die aufwendige Mechanik, welche zur Vorgabe der Kinematik der einzelnen Flügel notwendig ist, in seiner Zugänglichkeit und somit in der Anpassungsfähigkeit deutlich zu verbessern. Zudem steht die grundlegende Verbesserung der akustischen Signatur der Mechanik im Fokus der Neukonstruktion. Zudem soll der neue Antrieb u.a. auch für Versuche in der Schlepprinne durch vollständige Flutung des Antriebs nutzbar sein, was mit dem derzeitigen System nicht möglich ist.

Titel:	ESDP@ODC – Energy Saving Devices und Propeller unter Off Design Bedingungen
Laufzeit:	2025 – 2028
Projektmanager:	Pascal Anschau
Förderung:	Bundesministerium für Wirtschaft und Energie
Projektträger:	Projektträger Jülich GmbH
Reg.-Nr.:	03SX641A

Den Bemühungen um ein materialsparendes Design solcher ESDs stehen Anforderungen der Klassifikationsgesellschaften zum betriebssicheren Entwurf entgegen. Der Nachweis wird meist numerisch erbracht, mit vereinfachenden Verfahren und Lastannahmen. Reale, im Betrieb auftretende Lasten werden wegen des erheblichen rechnerischen Aufwandes und/oder den herausfordernden Experimenten und Messtechniken i. A. nicht berücksichtigt. Für ESDs und Propeller stellt der Betrieb unter realen Bedingungen, zu denen u. a. auch Crash-Stops und extreme Seegänge gehören, die größte Belastung dar; gleichzeitig sind die dabei auftretenden Kräfte eben nicht hinreichend genau bekannt. Im Entwurf werden daher konservativ abgeschätzte hohe Sicherheitszuschläge beaufschlagt, die unnötig Material und Energie kosten und ggf. ein hydrodynamisch optimiertes Design nicht realisierbar machen. Es fehlen in dieser Designphase also detaillierte Kenntnisse über die Belastungen im Betrieb, denn Messungen an der Großausführung sind bisher nur sehr begrenzt umsetzbar. Modellversuche werden i. A. nur für Designbedingungen durchgeführt, und die instationäre Berechnung dieser Kräfte ist bisher noch keine industrietaugliche Praxis.

Off-Design-Zustände wie Seegang haben aber auch das Potential, die Energiebilanz eines Schiffes im Betrieb zu verbessern, indem aus der Bewegung des Schiffes im Seegang durch entsprechende Flossensysteme Vortrieb gewonnen wird. Ein einfach und kostengünstig nachrüstbares Flossensystem stellt wahrscheinlich eine effektive Maßnahme zur Treibhausgas-Reduktion bei Schiffen dar, jedoch fehlt ein validiertes, generisches Verfahren zum Entwurf solcher Flossensysteme. Auch ist die numerische Modellierung nicht trivial, und der versuchstechnische Nachweis von erreichten Leistungseinsparungen ist bisher nur unbefriedigend möglich.

Im Projekt werden fortgeschrittene Messtechniken für Messungen am Modell und der Großausführung entwickelt, um belastbare Messdaten für ein effizienteres Design von Propellern und ESDs zu erhalten. Außerdem soll eine versuchstechnisch abgesicherte numerische Methodik zum Entwurf eines Bugflossensystems entwickelt werden.

Titel:	AKUOPT – Akustische Prognosen für die Routen- und Fahrprofiloptimierung
Laufzeit:	2025 – 2027
Projektmanager:	Rhena Klose
Förderung:	Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz
Projektträger:	EuroNorm GmbH
Reg.-Nr.:	49VF240046

Im Rahmen der Vorlaufforschung soll das Vorhaben ein Konzept und die Tools liefern, mit denen eine akustische Routen- und Fahrprofiloptimierung für Schiffe umgesetzt werden kann. Ziel ist es, den individuellen Lärmeintrag eines Schiffes dynamisch zu bestimmen, um eine Lärmreduzierung durch aktive Routen- oder Fahrprofilanpassungen direkt im Betrieb zu ermöglichen. In die Betrachtung müssen neben dem Ziel der Schallreduktion auch betriebswirtschaftliche Aspekte wie Treibstoffverbrauch und Betriebskosten unter Berücksichtigung von Fahrzeiten und den aktuellen Umweltgegebenheiten einfließen.

Mit Erreichung dieses Ziels kann der anthropogene Einfluss auf die Meereslebewesen aufgrund von Schallabstrahlung der Handelsschifffahrt durch ein verändertes Fahrverhalten minimiert und der Schutz der Meereslebewesen sichergestellt werden. Das Thema AkuOpt legt dafür den Grundstein und dient dazu, praktische Maßnahmen zur Schallreduktion im Schiffsbetrieb aufzuzeigen. Durch gezielte Forschung auf dem Gebiet von Körper- und Wasserschall sowie der Analyse von Umweltbedingungen und Fahrprofilen sollen diese schallreduzierenden Betriebsmaßnahmen identifiziert werden.

Die von Schiffen verursachten Schallemission sollen bestimmt und konkrete Handlungsempfehlungen zu geräuschreduzierenden Maßnahmen im Betrieb, wie einer Änderung des Betriebspunktes oder dem Befahren von Alternativrouten, geben werden. Dies beinhaltet die Entwicklung eines Algorithmus für ein akustisches Prognosetools für Schiffe, das den Hinweis liefert, ob geschützte Gebiete in Abhängigkeit der lokalen Gegebenheiten durchfahren werden dürfen bzw. wie stark die Geschwindigkeit reduziert werden muss, um bestimmte Geräuschpegel nicht zu überschreiten.

Um alternative Betriebszustände oder Routen berechnen zu können, müssen die Schallemissionen eines Schiffes unter bestimmten Umwelteinflüssen bekannt sein. Dies erfordert die Bestimmung der aktuell abgestrahlten Schallpegel in nahezu Echtzeit. Dies kann zum Beispiel über mit bereits verfügbaren Sound Monitoring Systemen an Bord erfolgen oder mit einem Akustik-Prognosetool, das anhand weniger Inputdaten die aktuelle Schallabstrahlung berechnet. Beide Ansätze sollen in dem Forschungsvorhaben untersucht werden.

Titel:	WIND – Versuchsmethodenentwicklung für windunterstützte Seeschiffe
Laufzeit:	2024 – 2026
Projektmanager:	Martin Börner
Förderung:	Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz
Projektträger:	EuroNorm GmbH
Reg.-Nr.:	49MF240089

Da Wind eine nicht beeinflussbare Randbedingung ist und stark von z. B. der Jahreszeit und dem Fahrtgebiet abhängt, kann es sinnvoll sein, Leistungsprognosen in einem Polardiagram basierend auf variablen Windvektoren anzugeben. Ein solches Prognosediagramm ermöglicht die Ausweisung von effizienten und zu vermeidenden Einsatzbedingungen für die Windpropulsoren. Ungünstige Windverhältnissen führen unter Umständen zu signifikanten Driftwinkeln welche wiederum einem deutlich erhöhten Rumpfwiderstand und einen zusätzlichen Steuerwiderstand zur Folge haben können. Zudem muss mit Wirkungsgradverlusten am Propeller durch Schräganströmung gerechnet werden.

Die Erstellung einer Leistungsprognose von Seeschiffen bei Einbindung von Windpropulsoren basiert somit auf der Ermittlung und Berücksichtigung aller relevanten Größen welche eine direkte Folge von Windpropulsoren sind. Um diese Größen möglichst richtig zu skalieren, müssen Versuchs- und Aufwertungsprozeduren erarbeitet werden. Die von der ITTC bereitgestellten Prozeduren zur Erstellung von Geschwindigkeits- und Leistungsprognosen basieren auf idealisierten Bedingungen und Annahmen wie z.B. keine Drift, Glattwasser, Tiefwasserbedingungen. Derzeit gibt es keine von der ITTC validierten Prognoseverfahren, welche den Einsatz von Windpropulsoren unter normalen Propulsionsverhältnissen berücksichtigen.

Im Rahmen diese Forschungsthemas sollen zwei Verfahren zur Versuchsdurchführung und Skalierung untersucht werden. Zum einen soll das freifahrende Modell unter Berücksichtigung definierter Windvektoren untersucht werden. Hierfür wird das Modell mit einem Windpropeller als Ersatzsystem für den Windaktuator und einem zweiten Windpropeller für den aufzubringenden Reibungsabzug ausgestattet. Der Modellversuch bildet somit ein möglichst physikalisch vollständig skaliertes Modell der Wirklichkeit nach. Eine zweite Methode untersucht das gefesselte Modell. Diese Methode orientiert sich an der Lastvariationsmethode wobei die Windkraft und der Reibungsabzug Teil der gemessenen Restwiderstandskraft in Abhängigkeit eines definierten Driftwinkels sind.

Titel:	A-SWARM II – Autonome elektrische Schifffahrt auf WAsseRstrassen in Metropolenregionen
Laufzeit:	2024 – 2027
Projektmanager:	Kay Domke
Förderung:	Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz
Projektträger:	Projektträger Jülich
Reg.-Nr.:	03SX593A

Dabei wird ein besonderes Augenmerk auf die Optimierung und Erweiterung der einzelnen Demonstratoren gelegt, aber auch erstmalig der Koppelverband untersucht.

Ein zentrales Element des Vorhabens ist die Entwicklung und Erprobung von Technologien für den vollständig autonomen Betrieb, einschließlich:

• Autonomes Navigieren unter schwierigen Bedingungen, wie unsichtigem Wetter,
• Sicheres Passieren von Brücken und Schleusen im Schwarmbetrieb,
• Berücksichtigung variabler Beladungszustände und deren Auswirkungen auf das Fahrverhalten,
• Warenumschlag mit automatisierten Demonstratoren, um einen personallosen Betrieb zu ermöglichen.

Die Fahrzeuge sollen dabei so optimiert werden, dass sie energieeffizient agieren, unter anderem durch eine präzise Vorausberechnung von Steuerkräften. Gleichzeitig erfolgt auch die Kopplung der Fahrzeuge aus dem Projekt „DigitalSOW“ und es wird so erstmals der gesamte Koppelverband als Gesamtsystem erprobt. Herausforderungen wie die Datenübertragung zwischen den Fahrzeugen und die Synchronisierung von Steuerungen werden ebenfalls adressiert.

Langfristig soll das Projekt dazu beitragen, Wasserstraßen stärker in Transportnetzwerke – insbesondere für die Citylogistik – einzubinden. Die Überlastung von Straße und Schiene macht eine Verlagerung des Güterverkehrs auf alternative Transportwege dringend erforderlich. Die Schwarmtechnologie mit elektrischen Antrieben bietet hierfür eine zukunftsweisende Lösung, da klassische Binnenschiffe aufgrund ihrer Größe und Unflexibilität nicht für moderne Logistikaufgaben wie Stückguttransporte oder Kreislaufwirtschaft insbesondere in Metropolregionen geeignet sind.

Durch diese Weiterentwicklungen leistet das Projekt einen entscheidenden Beitrag zur nachhaltigen Transformation der Güterlogistik auf dem Wasser.

Titel:	KonRo – Design- und Optimierungstool für ein CRP-Antriebskonzept
Laufzeit:	2024 – 2026
Projektmanager:	Katrin Hellwig-Rieck
Förderung:	Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz
Projektträger:	EuroNorm GmbH
Reg.-Nr.:	49MF23104

Aber nicht nur die Energieeinsparung, sondern auch ein besseres Steuerverhalten und, bei entsprechenden Antriebskonzepten, eine mögliche Erhöhung des Sicherheitsniveau im Vergleich zum Einzelpropeller auf Grund der Redundanz beim Ausfall eines Propellers machen den CRP als Hauptantrieb interessant. Die Anordnung des TWIN-CRP am Hinterschiff ist identisch mit der eines einzelnen Propellers. Das Einsatzgebiet von CRP-Antrieben wird vorrangig bei Spezialschiffen, wie Fischereischiffen, Forschungsschiffen und Supply Vessel gesehen.

Die SVA verfolgt mit dem FuE-Vorhaben das Ziel, eine zuverlässige Vorgehensweise zum Entwurf und zur Optimierung von kontrarotierenden Propellern mit Doppelwelle und einem geringen Abstand der beiden Propeller zueinander zu erarbeiten. Auf der Basis von CFD-Berechnungen, welche im Vorhaben mit Laborversuchen abzusichern sind, soll die Genauigkeit der Leistungsprognose für Schiffe, ausgerüstet mit dem oben beschriebenen CRP-Antrieb erhöht werden.

Dazu muss die Prognosegenauigkeit der numerischen Methoden sowohl für Design- aber auch Off-Design-Zustände weiter erhöht werden. In der Vergangenheit traten deutliche Abweichungen zwischen gemessenen und berechneten Freifahrtkoeffizienten auf, vor allem bei hoher Propellerbelastung und gleichzeitig extrem geringem Abstand der Propellerblätter des vorderen und hinteren Propellers.

Da Twin-CRP noch sehr neu am Markt sind, ist eine Datensammlung und ein damit verbundener Erkenntnisgewinn über das Verhalten von TWIN-CRP in Design- aber auch in Off Design-Punkten wichtig, um die Vor- und Nachteile eines TWIN-CRP im Vergleich zu einem einzelnen Propeller im Schiffsbetrieb des Schiffes Aufschluss zu geben. Mit Untersuchungen zum Verhalten eines Schiffes mit TWIN-CRP und mit einzeln ansteuerbaren Propellern beim Beschleunigen, Bremsen und Stoppen sollen ersten Grundlagen gelegt werden.

Durch die konzentrischen Wellen ist beim TWIN-CRP die Wellenlagerung eines der größten mechanischen Probleme. Vor allem beim Manövrieren werden dort unter Umständen große Kräfte erwartet. Deshalb sollen im ersten Schritt die Querkräfte (Lagerkräfte) des Gesamtsystems bei ausgewählten Betriebszuständen sowohl in Modellversuchen als auch numerisch bestimmt werden.

Titel:	BREWEL – Simulation von Schiffen mit brechenden Wellen
Laufzeit:	2023 – 2026
Projektmanager:	Lars Lübke
Förderung:	Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz
Projektträger:	EuroNorm GmbH
Reg.-Nr.:	49MF230052

Eine korrekte Leistungsprognose in der Entwurfsphase ist somit unabdingbar für eine profitable Pro-jektdurchführung. Die finale Leistungsprognose erfolgt nach Vertragsabschluss auf Basis von Mes-sungen. Übersteigt die Prognoseungenauigkeit der numerischen Verfahren die berücksichtigten Leistungsreserven, sind kostenintensive Maßnahmen oder Konventionalstrafen kaum zu vermeiden. Eine hohe Prognosesicherheit ist somit für die Wettbewerbsfähigkeit unabdingbar und muss höchstmöglich garantiert werden.

Bei Schiffen mit brechenden Wellen treten größere Differenzen zwischen den Berechnungsergebnissen und den gemessenen Widerstandswerten auf. Die berechneten Leistungswerte können Abweichungen zu den Messwerten von bis zu 20 % aufweisen. Diese Werte liegen weit außerhalb der üblichen Sicherheitsmargen und Erwartungswerte. Die Simulationen an anderen Einrichtungen haben ähnliche Abweichungen gezeigt. Die Berechnungen wurden mit unterschiedlichen RANSE-Lösern (Reynolds-averaged Navier Stokes Equations) und jeweils firmenspezifischen Einstellungen durchgeführt, so dass von einem generellen Fehler in den Berechnungsmethoden ausgegangen werden kann. Weiterführende Untersuchungen haben gezeigt, dass z.B. die Schwimmlage als Fehlerquelle ausgeschlossen werden kann. Als Fehlerursache wird das Wellensystem mit brechender Bugwelle angesehen. Es wird angenommen, dass die brechende Bugwelle in den Simulationen nicht korrekt erfasst wird und daraus resultierend auch die Welleninterferenzen zwischen dem Bug- und Heckwellensystem.

Im Rahmen des Forschungsthemas soll die Prognosesicherheit für Schiffe mit brechenden Wellen erhöht und in die Verfahrensanweisungen der SVA Potsdam eingearbeitet werden. Hierzu soll der Widerstand, das Wellenbild und das Nachstromfeld für unterschiedliche Schiffe gemessen und zur Validierung der Simulationen zur Verfügung gestellt werden. Im Fokus der numerischen Simulationen steht die nötige Gitterfeinheit, die Einbeziehung der Oberflächenspannung in den Simulationen und die Herausarbeitung der Unterschiede zwischen homogenen und inhomogenen Mehrphasenmodell. Die Berechnungen solle mit unterschiedlichen RANSE-Lösern und Vernetzungsstrategien durchgeführt werden.

Titel:	Aktivruder – Innovatives Antriebs- und Manövriersystem
Laufzeit:	2023 – 2025
Projektmanager:	Rhena Klose
Förderung:	Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz
Projektträger:	EuroNorm GmbH
Reg.-Nr.:	49MF220139

Aus den dargestellten Randbedingungen ergibt sich für die maritime Industrie die Notwendigkeit, Lösungen für die zu erwartenden Um- und Nachrüstungen der fahrenden Flotte sowie für Neubauten zu erarbeiten. Eine Lösung ist es, einen Hilfsantrieb für Schiffe zu entwickeln, der ausschließlich alternative grüne Energiequellen, wie bspw. wasserstoffbetriebene Brennstoffzellen, verwendet und zur Nachrüstung aber auch für den Neubau geeignet ist. Dabei könnte ein autarkes elektrisches Subnetz mit Brennstoffzelle(n) an Bord installiert werden, das ein Aktivruder versorgt. Der Vortrieb des Aktivruders sollte so bemessen sein, dass Schiffe nur mit diesem Antrieb und ohne Hauptdiesel die Kanalfahrt durchführen, in Häfen einlaufen und dort manövrieren können. Die Energiequelle soll dafür ausgelegt sein, um in dieser Phase auch das Bordnetz zu versorgen, sodass die Dieselgeneratoren ebenfalls abgeschaltet werden können. Damit sind sämtliche CO2-Erzeuger und niederfrequente Schallquellen abgeschaltet, da neben den Abgasemissionen auch die Unterwassergeräusche im Fokus der IMO stehen.

Durch das Aktivruder sollen nicht nur die Manövriereigenschaften des Schiffes deutlich verbessert werden, sondern durch die Unabhängigkeit der Energiequelle auch eine Redundanz in der Propulsion und Steuerung zur Erhöhung der Sicherheit und Funktionalität erreicht werden. Während der Transitfahrt kann der Hilfsantrieb als Booster verwendet werden und der Hauptdiesel um diesen Leistungsbetrag reduziert werden, ohne an Dienstgeschwindigkeit einzubüßen.

Im Rahmen des Forschungsthemas leistet die SVA aufgrund ihrer Erfahrung mit strömungstechnischen Auslegungen von Propulsionssystemen und deren Erprobung im Modellmaßstab ihren Beitrag zu dieser Entwicklung durch detaillierte Untersuchungen der Umströmung und Geräuschentwicklung. Neben der strömungstechnischen Auslegung des Hilfsantriebes bestehend aus Ruder, Aktivruderpropeller und Düse für verschiedene Schiffstypen steht die hydrodynamische und hydroakustische Optimierung des Gesamtsystems bestehend aus Hauptantrieb und Aktivruder im Fokus. Die Erprobung des Systems erfolgt in umfangreichen Modellversuchen (Freifahrt-, Propulsions-, Manövrier-, Kavitationsversuche und Akustikmessungen).

Titel:	Skeg – Einfluss von Skegalternativen auf den Widerstand und die Gierstabilität
Laufzeit:	2022 – 2025
Projektmanager:	Erik Schomburg
Förderung:	Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz
Projektträger:	EuroNorm GmbH
Reg.-Nr.:	49MF220037

In diesem FuE-Thema soll aufgezeigt werden, welchen Einfluss Skegalternativen, wie feste Finnen oder/und vergrößerte Ruderflächen, auf den Widerstand und den Leistungsbedarf sowie auf das Rollverhalten und die Kursstabilität haben. Leistungseinsparungen sorgen insbesondere bei alternativen Leistungsbereitstellungssystemen wie Batterien oder Brennstoffzellen aufgrund der skalierbaren Speichersysteme zu deutlichen Gewichts-, Raum- und Kosteneinsparungen. Da die angedachten Alternativen voraussichtlich keinen wesentlich höheren Bauaufwand verursachen, jedoch zu kumulierenden Gewichts- und Widerstandseffekten führen, stoßen widerstandsverringernde Maßnahmen bei Werften und Schiffsbetreibern vor allem vor dem Hintergrund steigender Kraftstoffpreise üblicherweise auf deutliches Interesse.

Im Vorhaben sollen Ersatzsysteme für den Skeg, welche die gleiche Gierstabilität bei einem verringertem Schiffwiderstand bieten, entwickelt werden. Die Entwicklung der Alternativen soll unter Verwendung nummerischer Strömungsberechnungen erfolgen. Modellversuche liefern Aussagen zum Leistungsbedarf sowie zum Roll- und Manövrierverhalten mit den Ersatzsystemen. Die Entwicklung soll für zwei verschiedenartige Zweischrauber erfolgen, da hier das größte Anwendungspotential gesehen wird. Es besteht die Grundannahme, dass eine voll umströmte Finne einen größeren Auftrieb bei gleicher Fläche erzeugen kann als ein im Rumpf integrierter Skeg. Diese These soll innerhalb des Forschungsthemas überprüft werden