Analyse der Einflüsse auf den Energieverbrauch bei Containerschiffen und Entwicklung von Indikatoren zur Bewertung der Energieeffizienz

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1 Diplomarbeit Analyse der Einflüsse auf den Energieverbrauch bei Containerschiffen und Entwicklung von Indikatoren zur Bewertung der Energieeffizienz Dirk Scheidt Matrikelnummer Eingereicht am 07. September 2012 in Hamburg 1. Gutachter Prof. Dr. - Ing. Ackermann 2. Gutachter Prof. Dr. - Ing. Stefan Krüger Firmenbetreuung Dipl. - Ing. (FH) Nils Heinrich

2 Erklärung Ich versichere, diese Arbeit im Rahmen der am Institut üblichen Betreuung selbstständig angefertigt und keine anderen als die angegebenen Quellen und Hilfsmittel benutzt zu haben. Ort, Datum 2 Unterschrift

3 Inhaltsverzeichnis Abbildungsverzeichnis... 5 Tabellenverzeichnis... 7 Abkürzungen... 8 Symbole, Einheiten und Indizes Aufgabenstellung Einleitung und Motivation Ship Energy Efficiency Management Plan und Energy Efficiency Operational Index Ship Energy Efficiency Management Plan Energy Efficiency Operational Index Messtechnik auf Containerschiffen Messdaten und Messaufbau Vorhandene Messgrößen Messaufbau der Envidatec GmbH Qualität der Messdaten Energie- und Stoffströme auf Schiffen Fahrtenergie (Hauptmaschine) Bordenergie (Hilfsdiesel) Umgebungsbedingungen und Heizwert Kühlcontainer KPIs und Benchmarking KPIs und Benchmarking Prozess Nutzen von KPIs und Benchmarks KPIs und Benchmarking für den Bordbetrieb KPIs und Benchmarking zur Auswertung einer Reise Auswertung der Messdaten Vorbereitungen für die Auswertung Auswertung der Atlantiküberquerung Auswertung eines Reiseabschnitts Vorschläge für Neubauten Zusammenfassung und Ausblick Zusammenfassung Ausblick Literaturverzeichnis Anhang A. SEEMP

4 B. Windwiderstand von Containerschiffen C. Speed Power - Kurve D. Berechnung der Rauhigkeit E. Zylinderschmieröl F. Einsparungen durch Umstellung auf silikonbeschichtete Antifoulingfarben 138 4

5 Abbildungsverzeichnis Abbildung 1: Entwicklung der Schwerölpreise [1] Abbildung 2: Strukturierte Vorgehensweise für die Einführung von CEEMP und SEEMP [8] Abbildung 3: Sankey Diagramm für Hauptmaschine MAN&BW 12K98ME/MC [13] Abbildung 4: Überblick über das Envidatec GmbH System zur Datenerfassung an Bord eines TEU Containerschiffes der Reederei NSB [14] Abbildung 5: Geschlossenes Schwerölsystem [13] Abbildung 6: Sankey Diagramm für Seeschiffe [23] Abbildung 7: Propulsion eines Schiffes [32] Abbildung 8: Glattwasser- und Zusatzwiderstände von Schiffen Abbildung 9: Widerstandsreduzierender Faktor durch Ruderlegen [43] Abbildung 10: Automatisch erfasste Messdaten für Wellendrehzahl und Schiffsgeschwindigkeit Abbildung 11: Ursachen von Rauhigkeit [5] Abbildung 12: Bewuchs an der Außenhaut vor und nach Reinigung [46] Abbildung 13: Bewuchs am Propeller vor und nach Reinigung [46] Abbildung 14: Benchmarking Prozess [57] Abbildung 15: Verbrennungsdruck verschiedener Brennstoffe Abbildung 16: Wärmefreisetzungsrate verschiedener Brennstoffe Abbildung 17: Spezifischer Brennstoffverbrauch des TEU Containerschiffs [Quelle] Abbildung 18: Zylinderschmierölrate in Abhängigkeit von der Basenzahl [61] Abbildung 19: Übersicht KPIs Abbildung 20: Zusammenhang zwischen mittleren Tiefgang und Verdrängung des TEU Containerschiffs Abbildung 21: Zusammenhang zwischen mittleren Tiefgang und Verdrängung für einen Teilbereich des TEU Containerschiffs Abbildung 22: Speed - Power - Ausgleichskurve für TEU Containerschiff Abbildung 23: Routen von zwei Atlantiküberquerungen des TEU Containerschiffs [63], [64] Abbildung 24: Schiffsgeschwindigkeit auf erster Atlantiküberquerung Abbildung 25: Brennstoffverbrauch auf erster Atlantiküberquerung Abbildung 26: Schiffsgeschwindigkeit auf zweiter Atlantiküberquerung Abbildung 27: Brennstoffverbrauch auf zweiter Atlantiküberquerung Abbildung 28: Propulsion Energy Intensity Indikator für zwei Atlantiküberquerungen Abbildung 29: P D / P DTrial für zwei Atlantiküberquerungen Abbildung 30: Zusatzwiderstände Wind und Seegang für zwei Atlantiküberquerungen Abbildung 31: Zusatzwiderstand durch Meeresströmungen für zwei Atlantiküberquerungen Abbildung 32: CO 2 Ausstoß für zwei Atlantiküberquerungen Abbildung 33: Verhältnis aus gemessenem und theoretischem spezifischen Brennstoffverbrauch auf erster Atlantiküberquerung Abbildung 34: Verhältnis aus gemessenem und theoretischem spezifischen Brennstoffverbrauch auf zweiter Atlantiküberquerung Abbildung 35: Route eines Reiseabschnitts des TEU Containerschiffs [63], [64]

6 Abbildung 36: Propulsion Intensity Indikator für einen Reiseabschnitt Abbildung 37: Energieverbrauch pro Tonne und Seemeile Abbildung 38: Containerauslastung für einen Reiseabschnitt Abbildung 39: EEOI für einen Reiseabschnitt Abbildung 40: Verhältnis aus gemessenem und theoretischem spezifischen Brennstoffverbrauch für Reiseabschnitt Abbildung 41: Vorteile der Umstellung auf eine Silikonbeschichtung [5] Abbildung 42: Investitionskosten und Einsparungen bei Umstellung auf silikonbasierten Antifoulinganstrich [5] Abbildung 43: Verhältnis gemessene Leistung Hilfsdiesel / optimalen Leistung Abbildung 44: Häufigkeitsverteilung der Geschwindigkeit über Grund Abbildung 45: Häufigkeitsverteilung der mittleren Tiefgänge

7 Tabellenverzeichnis Tabelle 1: Vergleich der Motorisierung und Geschwindigkeit zwischen älteren Schiffen und Neubauten [4] 19 Tabelle 2: Einsparpotential von Energieeinsparmaßnahmen im Schiffsbetrieb [9], [10] 22 Tabelle 3: Kohlenstoffgehalt für verschiedene Brennstoffsorten [11] 24 Tabelle 4: Hauptabmessungen des TEU Containerschiffs 26 Tabelle 5: Automatisch erfasste Messgrößen von Envidatec GmbH und M.A.C. Systems Solutions GmbH 28 Tabelle 6: Manuell erfasste Messgrößen von M.A.C. System Solutions GmbH 31 Tabelle 7: Absolute Messabweichungen des Wellenleistungsmessers [15] 37 Tabelle 8: Genauigkeit des Messintervalls 39 Tabelle 9: Abweichung des spezifischen Brennstoffverbrauchs [27] 43 Tabelle 10: Konstante C µ in Abhängigkeit vom Einfallswinkel µ 50 Tabelle 11: Koeffizienten zur Bestimmung des Windwiderstands eines beladenen Containerschiffs [29] 53 Tabelle 12: Empirische Konstanten zur Bestimmung des Zusatzwiderstandes durch Rauhigkeit [47] 63 Tabelle 13: Referenzwerte für Analyse der Rauhigkeit von Propeller und Außenhaut [48] 64 Tabelle 14: Manuell erfasste Messdaten von M.A.C. 67 Tabelle 15: Temperaturen für abgekühlte und herunterkühlende Integral Kühlcontainer [52] 70 Tabelle 16: Messdaten für zwei Atlantiküberquerungen des TEU Containerschiffs 95 Tabelle 17: Ausgangshäfen und Zielhäfen eines Reiseabschnitts 103 Tabelle 18: Messfehler der Messgrößen bei der Bestimmung der Rauhigkeit 109 7

8 Abkürzungen Abkürzung Alpha ACC BN BN CEEMP CO 2 CDP ECA EEDI EEOI GPRS GPS GT HFO HL HM IMO ISO KPI LSHFO M.A.C. MARPOL MCR MDO MEPC NSB PEI Bedeutung Alpha Adaptive Cylinder Oil Control Beaufort Number Base Number Company Energy Efficiency Management Plan Kohlenstoffdioxid Controlled Depletion Polymer Emission Control Area Energy Efficiency Design Index Energy Efficiency Operational Index Global Packet Radio Service Global Positioning System Gross Tonnage Heavy Fuel Oil, Schweröl Hinteres Lot Hauptmaschine International Maritime Organization International Organization for Standardization Key Performance Indicator Low Sulphur Heavy Fuel Oil M.A.C. System Solutions GmbH Marine Pollution Maximum Continuous Rating Marine Diesel Oil Marine Environmental Protection Committee Niederelbe Schiffahrtsgesellschaft mbh & Co. KG Propulsion Energy Intensity 8

9 Abkürzung ROHR SEEMP SEI SPC SPS TEU UTC VL Bedeutung Rate Of Heat Release Ship Energy Efficiency Management Plan Ship Energy Intensity Self Polishing Copolymer Standard Positioning Service Twenty Foot Equivalent Unit, 20' ISO - Container Universal Time Coordinated Vorderes Lot 9

10 Symbole, Einheiten und Indizes Symbol Einheit Bedeutung A H m 2 Windhauptspantfläche A L m 2 Seitenlateralfläche A M m 2 Hauptspantfläche A R m 2 Ruderfläche a - Empirische Konstante zur Bestimmung der Rauhigkeit B m Schiffsbreite b - Empirische Konstante zur Bestimmung der Rauhigkeit b e g/kwh Spezifischer Brennstoffverbrauch b e,heizwert % Einfluss des Heizwertes auf den spezifischen Brennstoffverbrauch b e,luftdruck % Einfluss des Luftdrucks auf den spezifischen Brennstoffverbrauch b e,lufttemp. % Einfluss der Lufttemp. auf den spezifischen Brennstoffverbrauch b e,seewassertemp. % Einfluss der Seewassertemp. auf den spezifischen Brennstoffverbrauch b e,real g/kwh Spezifischer Brennstoffverbrauch b e,real/hd b e,real/hm b e,testbench g/kwh Spezifischer Brennstoffverbrauch Hilfsdiesel g/kwh Spezifischer Brennstoffverbrauch Hauptmaschine g/kwh Spezifischer Brennstoffverbrauch auf Prüfstand C B - Blockkoeffizient C BT - Relative Querschnittsfläche des Bugwulstes am vorderen Lot 10

11 Symbol Einheit Bedeutung CD l - CD t - C F t-co 2 / t-fuel C F,T - C µ - C Ship - Koeffizient zur Bestimmung des Windwiderstands Koeffizient zur Bestimmung des Windwiderstands Kohlenstoffgehalt des Brennstoffs Änderung des Reibungswiderstands infolge einer Zunahme der physikalischen Rauhigkeit Koeffizient zur Bestimmung des Seegangswiderstands Koeffizient zur Bestimmung des Seegangswiderstands C T - Gesamtwiderstandsbeiwert c - Empirische Konstante zur Bestimmung der Rauhigkeit c AA - Windwiderstandsbeiwert D sm Distanz d m Tiefgang in m d - d 0 - Anzahl der Tage nach letzter Erneuerung des Unterwasseranstrichs Anzahl der Tage seit Inbetriebnahme des Schiffes E HD,Hafen kj Energieverbrauch Hilfsdiesel Hafen E HD,Revier kj Energieverbrauch Hilfsdiesel Revier E HD,See kj Energieverbrauch Hilfsdiesel See E Hilfskessel kj Energieverbrauch Hilfskessel E HM,Revier kj Energieverbrauch Hauptmaschine Revier E HM,See kj Energieverbrauch Hauptmaschine See E Ges kj Gesamtenergieverbrauch E Kühlcontainer kj Energieverbrauch der Kühlcontainer E Revier kj Gesamtenergieverbrauch im Revier 11

12 Symbol Einheit Bedeutung E See kj Gesamtenergieverbrauch auf See F % Absoluter Fehler FC t Fuel Consumption Fn - Froudezahl Fn H - Froudsche Tiefenzahl f % Relativer Fehler g m/s 2 Erdbeschleunigung H m Wassertiefe H U,real kj/kg Spezifischer Heizwert (unterer Heizwert) k - Exponent k 1 µm k 2 µm Rauhigkeitshöhe der glatten (Anfangs-) Oberfläche Rauhigkeitshöhe der rauen Oberfläche nach bestimmter Zeit k T - Korrekturfaktor Tiefgang k TB - Korrekturfaktor Tiefgang k TR - Korrekturfaktor Tiefgang k TRB - Korrekturfaktor Tiefgang L PP m Länge zwischen den Loten L WL µm Länge der Wasserlinie M - Korrekturfaktor Tiefgang M Nm Drehmoment m - Korrekturfaktor Tiefgang kg / s Brennstoffmassentrom m Cargo t Masse Ladung m HD t Brennstoffverbrauch Hilfsdiesel m HM t Brennstoffverbrauch Hauptmaschine t / 0,25h Brennstoffmassenstrom Hauptmaschine m Zylinder/Hersteller g / kwh Zylinderschmierölverbrauch n 1 / min Wellendrehzahl n - Korrekturfaktor Tiefgang 12

13 Symbol Einheit Bedeutung P B kw Brake Power, Bremsleistung der Maschine P Chilled Leistung eines abgekühlten 40 W Kühlcontainers P Eff,Gemessen kw Effektive Leistung P Eff,Optimal kw Optimale effektive Leistung P Frozen Leistung eines herunterkühlenden 40 W Kühlcontainers P D kw Delivered Power, Wellenleistung P D,Gemessen kw Gemessene Wellenleistung P D,Optimal kw Optimale Wellenleistung am Propeller P D,real kw Gemessene Wellenleistung P D,SeaTrial Wellenleistung unter Trial Design kw Bedingungen P E kw Effective Power, Schleppleistung P T kn Schubleistung R δδ kn Zusatzwiderstand durch Kurshalten R ββ kn Zusatzwiderstand durch Driften R T kn Schiffswiderstand R Kurshalten kn Zusatzwiderstand durch Kurshalten R Driften kn Zusatzwiderstand durch Driften R Flachwasser kn Zusatzwiderstand durch Flachwasser R Rauhigkeit R T,Rauhigkeit R Tiefgang+Trimm R T,TrialDesign kn Zusatzwiderstand durch biologische und physikalische Rauhigkeit kn Summe aus Glattwasser- und Rauhigkeitswiderstand kn Zusatzwiderstand bei Teilabladung und Trimm kn Schiffswiderstand unter Trial Design Bedingungen R T1 kn Widerstand bei Teilabladung und Trimm R KWL kn Widerstand bei Konstruktionstiefgang R Seegang kn Zusatzwiderstand durch Seegang 13

14 Symbol Einheit Bedeutung R TKWL kn Widerstand bei Konstruktionstiefgang R T,G Schiffswiderstand bei Geschwindigkeit über kn Grund R T,Gemessen kn Gemessener Gesamtwiderstand R T,Glattwasser kn Glattwasserwiderstand R T,W Schiffswiderstand bei Geschwindigkeit durchs kn Wasser R MS kn Zusatzwiderstand durch Meeresströmung R Wind kn Zusatzwiderstand durch Wind S % Schwefelgehalt T m Schiffstiefgang T kn Schub T B m Höhe der Bugwulstspitze über Basis T 1 m Mittlerer Tiefgang bei Teilabladung T D m Designtiefgang T F m Tiefgang am vorderen Lot T H m Tiefgang T HX m Tiefgang T KWL m Konstruktionstiefgang T M m Mittlerer Tiefgang t - Sogziffer t m Trimm t h Zeitintervall t R - Widerstandsreduzierender Faktor durch Ruderlegen u A m / s Scheinbare Windgeschwindigkeit ρ kg / m 3 Dichte ρ A kg / m 3 Dichte Luft ρ See kg / m 3 Dichte Seewasser x a x r x W Angezeigter Messwert Richtiger Messwert Wahrer Messwert 14

15 Symbol Einheit Bedeutung V t Verdrängung in Seewasser v kn Schiffsgeschwindigkeit v A Relative Anströmgeschwindigkeit des m / s Propellers v app kn Scheinbare Windgeschwindigkeit v Charterer kn Schiffsgeschwindigkeit vom Charterer v DurchsWasser kn Schiffsgeschwindigkeit durchs Wasser v eff Effektive Anströmgeschwindigkeit zum m/s Propeller v G kn Schiffsgeschwindigkeit v Gemessen kn Gemessene Schiffsgeschwindigkeit v MS kn Strömungsgeschwindigkeit v S kn Schiffsgeschwindigkeit v ÜberGrund kn Schiffsgeschwindigkeit über Grund v x kn Vorausgeschwindigkeit v W kn Schiffsgeschwindigkeit durchs Wasser v W kn Wahre Windgeschwindigkeit v y kn Quergeschwindigkeit w - Nachstromziffer β rad Driftwinkel δ - Querkraftkoeffizient δ R rad Ruderwinkel ε Einfallswinkel scheinbarer Wind λ m Wellenlänge λ R - Seitenverhältnis Ruder η B - Propellerwirkungsgrad in wirklicher Anordnung hinter dem Schiff η C - Kupplungswirkungsgrad η G - Getriebewirkungsgrad η D - Propulsionsgütegrad η O - Wirkungsgrad des freifahrenden Propellers η H - Schiffseinflussgrad 15

16 Symbol Einheit Bedeutung η R - Gütegrad der Propelleranordnung η S - Wellenleitungswirkungsgrad m 3 Verdrängung Geschw % Verhältnis aus Geschw. Über Grund und Geschw. Durchs Wasser 16

17 1 Aufgabenstellung Technische Universität Hamburg-Harburg Institut für Elektrische Energiesysteme und Automation Prof. Dr.-Ing. G. Ackermann Eißendorfer Str. 38, Hamburg Tel.: 040/ Diplomarbeit für Herrn Dirk Scheidt, Matr.-Nr.: Analyse der Einflüsse auf den Energieverbrauch von Containerschiffen und Entwicklung von Indikatoren zur Bewertung der Energieeffizienz Problem: Der Energieverbrauch von Containerschiffen ist von sehr vielen Parametern abhängig. Neben den Umgebungsbedingungen haben auch die Betriebsführung und die Ladung einen Einfluss auf den Energieverbrauch. Die Frage, wofür welche Energie aufgewendet wird, ist deshalb im Schiffsbetrieb oft nicht so genau zu beantworteten. Entsprechend können die Ursachen für einen unnötigen Mehrverbrauch oder Möglichkeiten für eine Optimierung nicht klar identifiziert werden. Im Rahmen des Forschungsprojektes EcoTrans wurden mehrere Containerschiffe der Reederei Niederelbe Schiffahrtsgesellschaft mbh & Co. KG mit Messeinrichtungen ausgestattet, die für den Energieverbrauch relevante Größen automatisch aufzeichnen. Für die Auswertung und Interpretation dieser gemessenen Werte fehlt jedoch eine Methode. Aufgabe: Für die Analyse der verschiedenen Einflüsse auf den aktuellen Energieverbrauch eines Containerschiffes ist eine modellgestützte Auswertung zu entwerfen. Diese Auswertung soll es ermöglichen, aus den erfassten Verbrauchsdaten und den erfassten Umgebungs- und Betriebsbedingungen den Energieverbrauch den einzelnen Ursachen zuzuordnen. Um Vergleiche zu erleichtern sollen Indikatoren für die Energieeffizienz des Schiffes sowie relevanter Teilsysteme definiert werden. Die Methode der Auswertung soll am Beispiel der vorliegenden Messwerte eines Containerschiffes dargestellt werden. Die Untersuchung ist im Hause Envidatec GmbH durchzuführen. Die Arbeit oder bestimmte Teile der Arbeit sind nach Maßgabe durch Envidatec GmbH vertraulich zu behandeln. Prof. Dr.-Ing. G. Ackermann 17

18 2 Einleitung und Motivation 2 Einleitung und Motivation Angesichts steigender Brennstoffkosten, sinkender Frachtraten und strengerer Umweltauflagen in der Schifffahrt gewinnt die Reduzierung des Brennstoffverbrauchs und der Schadstoffemissionen zunehmend an Bedeutung. Abbildung 1: Entwicklung der Schwerölpreise [1] Die International Maritime Organization (IMO) hat auf diese Entwicklung reagiert und in der 62. Versammlung des Marine Environmental Protection Committees (MEPC) zur Reduzierung der Treibhausgasemissionen von Schiffen im Juli 2011 beschlossen, die Maritime Pollution Act (MARPOL) - Konvention um den Ship Energy Efficiency Management Plan (SEEMP) und den Energy Efficiency Design Index (EEDI) zu erweitern. Ab dem muss jedes in Betrieb befindliche Schiff einen SEEMP mitführen. Weiterhin müssen alle Neubauten ab einer Größe von 400 GT (Gross Tonnage) einen vorgegebenen Grenzwert für den EEDI zur Bewertung der potentiellen Transporteffizienz erfüllen. Diese Grenze wird nach der Einführung am schrittweise in einem fünf Jahres Abstand von 2015 bis 2025 weiter verschärft. Mit der Einführung des SEEMP soll die Energieeffizienz des Schiffsbetriebs gesteigert und dadurch Brennstoffverbrauch und Umweltbelastung gesenkt werden [2], [3]. 18

19 2 Einleitung und Motivation Um Brennstoffkosten einzusparen, wurde in den vergangenen Jahren die Dienstgeschwindigkeit in der Containerschifffahrt deutlich gesenkt. Dies hat zur Folge, dass ältere Containerschiffe häufig übermotorisiert sind und die Rumpfgeometrie nicht optimal auf die Schiffsgeschwindigkeit abgestimmt ist, siehe Tab. 1. Tabelle 1: Vergleich der Motorisierung und Geschwindigkeit zwischen älteren Schiffen und Neubauten [4] TEU Leistung in kw Geschwindigkeit in kn Neubauten ,6 Ältere Schiffe , Neubauten ,2 Ältere Schiffe , ,8 Die Analyse der Einflüsse auf den Energieverbrauch sowie die Steigerung der Energieeffizienz sind daher speziell für ältere Schiffe von hoher Bedeutung. Um die Energieeffizienz des Schiffsbetriebs zu bewerten, hat die MEPC den Energy Efficiency Operational Index (EEOI) eingeführt, der im Gegensatz zum SEEMP und zum EEDI nicht verbindlich ist. Neben dem EEOI empfiehlt die IMO im Rahmen des SEEMP die Einführung weiterer energieeffizienzrelevanter Kennzahlen. Ziel dieser Arbeit ist in Anlehnung an den SEEMP die Analyse der Einflüsse auf den Energieverbrauch eines Containerschiffs der Reederei Niederelbe Schiffahrtsgesellschaft mbh & Co. KG (NSB) sowie die Entwicklung von Indikatoren zur Bewertung der Energieeffizienz. Die Arbeit stützt sich auf Messwerte, die auf einem Containerschiff der NSB erhoben wurden. Zunächst werden anhand der zur Verfügung stehenden Messgrößen die verschiedenen Einflüsse auf den Energieverbrauch beschrieben. Daraufhin werden Kennzahlen für die Bestimmung der Energieeffizienz des Schiffes sowie 19

20 2 Einleitung und Motivation relevanter Bereiche definiert. Anschließend werden die Messdaten auf Grundlage der vorangegangenen Theorie mit Excel und der Energiemonitoring Software der Envidatec GmbH dargestellt und ausgewertet. Die Daten, die freundlicherweise von der NSB zur Verfügung gestellt wurden, sind vertraulich und werden in dieser Arbeit daher anonymisiert dargestellt. 20

21 3 Ship Energy Efficiency Management Plan und Energy Efficiency Operational Index 3 Ship Energy Efficiency Management Plan und Energy Efficiency Operational Index 3.1 Ship Energy Efficiency Management Plan Der SEEMP soll in Form eines Energiehandbuchs erläutern, welche energieeinsparenden Maßnahmen an Bord zu welchem Zeitpunkt und durch wen und wie umzusetzen sind. Die Struktur des SEEMP ähnelt sehr dem Aufbau der internationalen Umweltmanagementnorm ISO Die Vorgehensweise zur Umsetzung von Energieeinsparmaßnahmen wird in vier Phasen gegliedert [5], [6], [7]: Planung Umsetzung Monitoring Analyse und Verbesserung Planung Die Einführung von Energieeinsparmaßnahmen setzt die Kenntnis der Stoff- und Energieflüsse an Bord voraus, da Einsparpotentiale zunächst eruiert und Referenzwerte zur Bewertung derer Wirtschaftlichkeit definiert werden müssen. Daher wird in dieser Phase festgelegt, welche Messdaten für das jeweilige Schiff hinsichtlich einer Analyse der Energieeffizienz relevant sind. Die Planung umfasst neben der Einführung von Energieeinsparmaßnahmen auch das Erarbeiten von Methoden zu deren Umsetzung und Kontrolle. Ein wichtiger Bestandteil des Planungsprozess ist neben der Schulung des Personals die Festlegung eines Ziels. Das Ziel - wie zum Beispiel den Brennstoffverbrauch pro Reise zu senken - muss messbar sein und alle Beteiligten motivieren den SEEMP umzusetzen. Die IMO schlägt unter anderem folgende operative Maßnahmen zur Reduzierung des Brennstoffverbrauchs im Rahmen des SEEMP vor: 21

22 3 Ship Energy Efficiency Management Plan und Energy Efficiency Operational Index Wetter-, Strömungs- und Tidenoptimiertes Routing Trimm - Optimierung Wartung und Reinigung von Außenhaut und Propeller Überwachung des Zustands der Dieselmotoren Überwachung der Energieeffizienz Die Reederei NSB verchartert ihre Schiffe und trägt somit unter anderem die Kosten für Personal -und Proviant, Schmieröl, Wartungs- und Reparaturarbeiten sowie für das Docken inklusive Außenhautreinigung und Neuanstrich [8]. Die Brennstoffkosten werden vom Charterer getragen, der auch die Schiffsgeschwindigkeit festlegt. Vor diesem Hintergrund werden in dieser Arbeit Energieeinsparmaßnahmen beleuchtet, die von der Reederei umgesetzt werden können ohne mit hohen Investitionskosten verbunden zu sein. Die Einsparpotentiale der vorgestellten operativen Maßnahmen sind Tab. 2 zu entnehmen. Tabelle 2: Einsparpotential von Energieeinsparmaßnahmen im Schiffsbetrieb [9], [10] Brennstoff / CO 2 Energieeinsparmaßnahmen Einsparpotential im Schiffsbetrieb in % Wetterrouting 2-4 Trimm - Optimierung 3-5 Optimale Wartung und Reinigung der Außenhaut 3-5 Optimale Wartung und Reinigung des Propellers 1-3 Überwachung des Zustands der Dieselmotoren 0,5-1 Überwachung der Energieeffizienz 3-5 Umsetzung Nach der Festlegung der energieeffizienzrelevanten Messdaten muss bestimmt werden, wie diese erfasst werden können und wer für die Erfassung zuständig ist. 22

23 3 Ship Energy Efficiency Management Plan und Energy Efficiency Operational Index Monitoring/Beobachtung der Umsetzung Um die Energieeffizienz des Schiffsbetriebs zu bewerten, empfiehlt die IMO die Einführung des EEOI sowie weiterer energieeffizienzrelevanter Kennzahlen. Voraussetzung ist die konstante Erfassung von Messdaten, die nach Möglichkeit die Besatzung nicht zusätzlich belasten darf. Analyse und Verbesserung Ziel dieser Phase des SEEMP Prozesses ist es die Wirksamkeit der durchgeführten Maßnahmen zu analysieren. Diese Phase bildet die Grundlage für die Planung des nächsten Zyklus. Ein Beispiel für einen SEEMP ist im Anhang A. zu finden [7]. Zusätzlich zum SEEMP wird die Einführung eines Company Energy Efficiency Management Plans (CEEMP) empfohlen. Während der SEEMP für jedes Schiff individuell erstellt wird, ist der CEEMP ein Flotten- oder Unternehmens- Energieeffizienzplan, der die Einzelheiten des SEEMP-Prozesses regelt (siehe Abb. 2). Im Rahmen des CEEMP sollen neue Maßnahmen zur Energieeinsparung definiert und ein Bewertungsschema dieser Maßnahmen festgelegt werden. Weiterhin ist ein Überblick über die Flotteneffizienz zu etablieren [5]. Abbildung 2: Strukturierte Vorgehensweise für die Einführung von CEEMP und SEEMP [5] 23

24 3 Ship Energy Efficiency Management Plan und Energy Efficiency Operational Index 3.2 Energy Efficiency Operational Index Mit dem EEOI wird die Menge an emittiertem Kohlenstoffdioxid in Abhängigkeit der Transportleistung eines Schiffes bestimmt. Damit ist der EEOI ein Indikator für die Effizienz des Schiffbetriebs. Die Berechnung des EEOI für einen Reiseabschnitt ist definiert wie folgt: EEOI= j FC j C Fj m Cargo D (3.1) Ein Mittelwert des EEOI für eine Rundreise wird bestimmt durch: j: Brennstoffsorte i: Reisenummer EEOI= i j FC j C Fj i m Cargo,i D i FC ij : Masse an verbrauchten Brennstoff der Sorte j auf Reise i CF j : Von der Brennstoffsorte j abhängige Kohlenstoffgehalt m cargo : Anzahl TEU oder Masse Ladung in t D: Zurückgelegte Strecke in nautischen Meilen zugehörig zu der jeweils transportierten Ladung (3.2) Tabelle 3: Kohlenstoffgehalt für verschiedene Brennstoffsorten [11] Die Einheit des EEOI wird in Gramm oder Tonnen CO 2 pro transportierte Tonne Ladung und Seemeile angegeben [11]. 24

25 3 Ship Energy Efficiency Management Plan und Energy Efficiency Operational Index Der EEOI variiert mit der Auslastung der Ladekapazität und ist damit stark konjunkturabhängig. Weiterhin bleibt die Ladungszusammensetzung wie die Anzahl geladener Kühlcontainer unberücksichtigt. Da die Schiffsgeschwindigkeit vom Charterer festgelegt ist, hat die Reederei nur einen geringen Einfluss auf den CO 2 Ausstoß [6]. 25

26 4 Messtechnik auf Containerschiffen 4 Messtechnik auf Containerschiffen Insgesamt sind gegenwärtig sieben Containerschiffe der Reederei NSB mit Messtechnik ausgestattet. Drei TEU Schwesterschiffe sind mit Messtechnik der M.A.C. System Solutions GmbH ausgerüstet. Es werden sowohl manuell als auch automatisch erfasste Messdaten aufgezeichnet. Von drei weiteren TEU Schwesterschiffen ist eines mit dem automatischen M.A.C System und zwei mit dem automatischen Messsystem der Envidatec GmbH ausgestattet. Darüber hinaus ist aktuell noch eines von mehreren TEU Schwesterschiffen mit dem automatischen M.A.C. System ausgerüstet worden. Die erfassten Messgrößen werden im Kapitel 5.1 Vorhandene Messgrößen aufgeführt. Der Messaufbau der Envidatec GmbH wird im Kapitel 5.2 Messaufbau der Envidatec GmbH näher erläutert. Im Rahmen der Diplomarbeit werden die automatisch und manuell erfassten Messdaten für ein mit dem M.A.C. System ausgestatteten TEU Containerschiffs analysiert. Die Hauptabmessungen sind in Tabelle 4 dargestellt. Tabelle 4: Hauptabmessungen des TEU Containerschiffs Hauptabmessungen des TEU Containerschiffs Länge in m Breite in m Tiefgang in m Deadweight in t Anzahl TEU Anzahl FEU Anz. Kühlc. im Laderaum

27 4 Messtechnik auf Containerschiffen Hauptabmessungen des TEU Containerschiffs Anz. Kühlc. über Deck Geschwindigkeit in kn ,6 Hauptmaschine Leistung in kw und MAN B&W 10K98MC-C Wellendrehzahl 1/min in 104 Hilfsdiesel Nr. 1 4 und Leistung in kw Wärtsilä 6R32LND Strahlerleistung in kw

28 5 Messdaten und Messaufbau 5 Messdaten und Messaufbau In diesem Abschnitt wird zunächst ein Überblick verschafft, welche Messgrößen von M.A.C. und Envidatec erfasst werden. Weiterhin wird die Qualität der Messdaten analysiert. 5.1 Vorhandene Messgrößen Für eine Bewertung der Energieeffizienz stehen die in Tabelle 5 aufgeführten automatischen Messgrößen zur Verfügung, die jeweils in einem Messintervall von 15 min aufgezeichnet werden. Bei dem Messsystem der Envidatec werden die GPS Daten Position, Kurs und Geschwindigkeit alle 15 Minuten als Momentanwerte erfasst. Für die analogen Messdaten Wellendrehzahl, Drehmoment und Wellenleistung wird jeweils ein Mittelwert über Messwerte für den Zeitraum von 15 min gebildet, um elektrische Fehler herauszufiltern. Verbrauchsdaten werden über das Zeitfenster aggregiert, also Impulse in dem 15 Minuten Zeitfenster. Das M.A.C - System zeichnet jeweils einen Datensatz pro Sekunde auf und speichert diesen in einem Zwischenspeicher. Nach 15 Minuten erfolgt eine Mittelwertbildung inklusive Bestimmung der Standardabweichung. Die Messwerte werden von beiden Systemen in Universal Time Coordinated (UTC) Zeit erfasst. Tabelle 5: Automatisch erfasste Messgrößen von Envidatec GmbH und M.A.C. Systems Solutions GmbH Messgröße Envidatec automatisch M.A.C. automatisch Datum x x Uhrzeit UTC x x 28

29 5 Messdaten und Messaufbau Messgröße Envidatec automatisch M.A.C. automatisch Position x x Kurs x x Distanz über Grund x x Distanz durchs Wasser Wahre Windrichtung Wahre Windgeschwindigkeit Scheinbare Windrichtung Scheinbare Windgeschwindigkeit Strömungsgeschwindigkeit x x x x x x Geschw. über Grund x x Geschw. durchs Wasser x Verbrauch Hauptmaschine (HM) x x Verbrauch Hilfsdiesel (HD) x x Brennstoffzähler HM Brennstoffzähler HD Brenstoffzähler gesamt x x x Spez. Brennstoffverbrauch x x Spez. Brennstoffverbrauch nach ISO Brennstofftemp. HM Brennstofftemp. HD Leistung einzelner Hilfsdiesel Leistung Hilfsdiesel gesamt x x x x x 29

30 5 Messdaten und Messaufbau Messgröße Envidatec automatisch M.A.C. automatisch Wellendrehzahl x x Wellenleistung x x Wellendrehmoment x x Slip Schiffseinflussgrad über Grund x x Schiffseinflussgrad Wasser Propellerwirkungsgrad Propulsionsgütegrad Tiefgang am vorderen Lot Tiefgang am hinteren Lot Tiefgang Mitte Trimm in Krängung in Schwefeloxid - Emission Stickstoffoxid - Emission durchs x x x x x x x x x x Kohlenstoffdioxid - Emission x Darüber hinaus werden von der Besatzung auf einigen mit dem M.A.C. System ausgerüsteten Schiffen täglich bei Fahrt auf See manuelle Messdaten in Form von Noon Reports erfasst und ins M.A.C. System übertragen. Zusätzlich werden bei besonderen Ereignissen wie Abfahrt, Beginn der Seereise, Ende der Seereise, Ankern und Ankunft Reports erstellt. 30

31 5 Messdaten und Messaufbau Tabelle 6: Manuell erfasste Messgrößen von M.A.C. System Solutions GmbH Manuelle Messdaten Nautische Daten Motordaten Schmieröl Betriebsstunden Ladung Brennstoff und MDO HFO/LSFO Reisenummer Datum und Zeit Ereignis (Abfahrt, Beginn der Seereise, Noon Reports, Ende der Seereise, Ankern und Ankunft) Zeitzone Betriebsstunden HM Verbrauch Betriebsstunden HM Zielhafen Umdrehungszahl HM Zylinderschmieröl/ Betriebsstunden je Position Leistung HM Schmieröl HM/ HD Kurs Wellendrehzahl HM Schmieröl je HD Betriebsstunden Verbleibende Distanz Turboladerdrehzahl Hilfskessel (HK) Zurückgelegte Distanz Abschaltung Turbolader über Grund Ladeluftdruck HM Zurückgelegte Distanz Gesamtenergie HM über Wasser Energie je HD Geschw. vom Charterer Abgastemp. zum Abgaskessel Geschw. über Grund Abgastemp. vom Abgaskessel Geschw. durchs Wasser Niedrigtemperaturkreislauf Strömung Temp. am Ladeluftkühler Slip Maschinenraum - Temp. Tiefgang VL und HL Seewassertemperatur Trimm Abfahrtshafen Zielhafen Tiefgang VL und HL Trimm Metazentrische Höhe GM Max. Querkräfte Max. Biegemoment Max. Torsionsmoment Volle 20 Container Volle 40 Container Leere 20 Kühlcontainer Leere 40 Kühlcontainer Volle 20 Kühlcontainer Volle 40 Kühlcontainer Gesamtzahl leerer 20 Container Gesamtzahl leerer 40 Container Verbrauch Hauptmaschine/ Hilfsdiesel/Hilfskessel Gesamtverbrauch HM Brennstoffzähler HD Brennstoffzähler HM Dichte Brennstoff HD Dichte Brennstoff Brennstoffdichte bei 15 C Schwefelgehalt Heizwert 31

32 5 Messdaten und Messaufbau Manuelle Messdaten Nautische Daten Motordaten Schmieröl Betriebsstunden Ladung Wassertiefe Gesamtzahl 20 Windgeschwindigkeit Container Wellenhöhe Masse Payload Swellhöhe Ballastwassermasse Umgebungstemp. Differenz von Leerschiffsgewicht und der tatsächlichen Verdrängung bei leerem Schiff Anzahl Intermodaler Container Brennstoff und MDO HFO/LSFO 32

33 5 Messdaten und Messaufbau Die Erfassung zusätzlicher Messgrößen wie Tiefgang, Windstärke und - richtung durch das M.A.C. System gegenüber dem Betriebsdatencontrolling System der Envidatec GmbH ermöglicht eine genauere Analyse der Einflüsse auf den Energieverbrauch, da Umwelt- und Umgebungsbedingungen sowie Beladungszustände den Brennstoffverbrauch entscheidend beeinflussen. Diese Messdaten können darüber hinaus für die Bestimmung der energieffizientesten Route dienen. Energieeinsparpotential durch Erfassung weiterer Messdaten Durch das M.A.C. System werden bereits viele Messgrößen an Bord erfasst. Dennoch könnte die Erfassung und Auswertung weiterer Messgrößen die Grundlage für zusätzliches Einsparpotential bilden: Ruderbewegung: Anhand von Messdaten zur Ruderbewegung kann die Kalibrierung des Autopiloten überprüft werden. Es gilt zu vermeiden, dass unnötige Ruderbewegungen beim Kurshalten den Widerstand und damit den Brennstoffverbrauch erhöhen [12]. Energieverbrauch der Kühlcontainer: Kühlcontainer zählen zu den größten elektrischen Verbrauchern an Bord von Kühlcontainerschiffen. Um eine aussagekräftige Analyse der Energieeffizienz mehrerer Reisen oder Schiffe zu erhalten, muss daher der Energieverbrauch der Kühlcontainer bestimmt werden. Alternativ zu Messungen kann der Energieverbrauch abgeschätzt werden, indem den Kühlcontainern je nach Größe und Kühlung abgekühlt oder herunterkühlend ein Mittelwert für die Leistung aus der Literatur zugeordnet wird (siehe Kapitel 6.2 Bordenergie (Hilfsdiesel)). Verdrängung: Um im Rahmen einer Energieeffizienzanalyse bestimmen zu können, wie viel Energie pro transportierte Tonne und Seemeile benötigt wurde, muss die Verdrängung des Schiffes bekannt sein. Bislang werden ausschließlich die Tiefgänge bestimmt. In Kapitel 8 Auswertung der Messdaten werden die Verdrängungen auf Grundlage der bekannten Messdaten näherungsweise bestimmt. 33

34 5 Messdaten und Messaufbau Zylinderschmieröl: Bisher wird der Zylinderschmierölverbrauch manuell bestimmt. Eine automatische Bestimmung des Zylinderschmierölverbrauchs in kürzeren Zeitabständen hätte den Vorteil, das hohe Abweichungen des Verbrauchs von den Herstellerangaben zeitlich besser eingeordnet und genauer analysiert werden könnten. Zudem besteht an Bord die Möglichkeit der Ursache für plötzlich ansteigende Verbräuche umgehend auf den Grund zu gehen. Abgasmassen- und Hochtemperaturkühlwasserstrom: Die an Bord installierten Dieselmotoren haben einen hohen Einfluss auf den Verbrauch. Für die Hauptmaschine vom Typ MAN&BW K98ME/MC ist das Sankey - Diagramm in Abb. 3 dargestellt. Demnach betragen die thermischen Verluste ungefähr 50 %. Die Abgasenergie wird auf dem TEU Containerschiff der NSB durch den Abgaskessel genutzt. Das Hochtemperatur - Kühlwasser wird für die Frischwassererzeugung verwendet. Durch Messung und Analyse der Stoffströme kann überprüft werden, ob die Dimensionierung der Kessel wirtschaftlich ist und ob die Abgas- und Hochtemperatur Kühlwasser - Energie zusätzlich für die elektrische Energieerzeugung oder die Klimatisierung genutzt werden könnte. Abbildung 3: Sankey Diagramm für Hauptmaschine MAN&BW 12K98ME/MC [13] 34

35 5 Messdaten und Messaufbau 5.2 Messaufbau der Envidatec GmbH Im Rahmen der Diplomarbeit wurde auf einem TEU Containerschiff der Reederei NSB das Energie- und Betriebsdatencontrolling System der Envidatec GmbH installiert. Dieses System wurde entwickelt, um mit niedrigen Investitionskosten und geringem Aufwand die wichtigsten Messgrößen zu erfassen. Gegenwärtig werden Position, Kurs, Geschwindigkeit über Grund, Drehmoment, Wellendrehzahl, Wellenleistung sowie Verbrauch der Hauptmaschine und Hilfsdiesel erfasst. Die Datenerfassung und Protokollierung der analogen und digitalen Messpunkte erfolgt durch den Datenlogger VIDA44M. Der Datenlogger verfügt über eine Kommunikationsanbindung, die das Ethernet des bordeigenen Prozessleitsystems nutzt. Die Messgrößen der verschiedenen Sensoren werden durch analoge und digitale Input / Output - Module erfasst und via ModBus an Ethernet - Gateways übertragen. Diese übermitteln die Messdaten an den Datenlogger. Alle Sensoren sind durch Trennverstärker bzw. Impulsdoppler galvanisch vom Steuerkreis getrennt, um Störungen der bordeigenen Prozesssteuerung auszuschließen. Auf der Brücke wird eine Global Positioning System (GPS) Antenne zur Bestimmung der Position sowie eine General Packet Radio Service (GPRS) Antenne zur Übertragung der Messdaten bei Fahrt in Küstennähe installiert. Da eine zuverlässige Übertragung der Daten zur Zentralstation via GPRS nur im küstennahen Bereich möglich ist, wurde das interne GPRS - Modem des Datenloggers um ein externes Satelliten - Modem erweitert, um zukünftig die Satelliten - Kommunikation des Schiffes für die Datenübertragung nutzen zu können [14]. Bridge SAT antenna Enginge control room etc. etc. Abbildung 4: Überblick über das Envidatec GmbH System zur Datenerfassung an Bord eines TEU Containerschiffes der Reederei NSB [14] 35

36 5 Messdaten und Messaufbau 5.3 Qualität der Messdaten Die Qualität der Messdaten wird beeinflusst durch die Häufigkeit der Messdatenerfassung und der Messgenauigkeit der Messgeräte und verfahren. Bei der manuellen Erfassung der Messdaten können darüber hinaus Ablesefehler auftreten. Auch eine zeitgleiche Erfassung der Messgrößen ist manuell nicht möglich. Viele Messgrößen werden sowohl manuell als auch automatisch erfasst. Die manuellen Daten können unter anderem zur Verifizierung der automatischen Messdaten bei Ausreißern fungieren Messgenauigkeit der Messgeräte und Messverfahren Im Folgenden werden die Messgenauigkeiten der für die automatische Datenerfassung relevanten Messgeräte untersucht. Wellenleistungsmesser Die kontinuierliche Messung von Drehmoment, Wellenumdrehungszahl und Wellenleistung erfolgt durch das Shaft Power Meter vom Hersteller Kyma. Das Drehmoment wird mit Hilfe von Dehnungsmessstreifen gemessen, die auf die Oberfläche der Welle geklebt sind. Dehnungsmessstreifen ändern bei geringer Verformung ihren elektrischen Widerstand. Geschützt werden die Dehnungsmessstreifen von einem Aluminiumring, der um die Welle gespannt ist und elektronische Komponenten zur Signalverarbeitung und analogen Übertragung enthält. Die Frequenz der Signale wird umgewandelt und an ein stationäres Gerät übermittelt. Die Wellendrehzahl wird über Magnete, die am Aluminiumring befestigt sind, bestimmt. Wellenleistung und Energie werden durch einen im stationären Gerät integrierten Signalprozessor aus dem Drehmoment und der Wellendrehzahl berechnet [15]. In der Messtechnik wird zwischen dem wahren Wert x W und dem richtigen Wert x r der Messgröße unterschieden. Der wahre Wert ist ein idealer Messwert. Der richtige Messwert ist der Messwert, der durch eine fehlerfreie Messeinrichtung bestimmt werden würde. Die absolute und relative Abweichung eines Messwertes wird durch 36

37 5 Messdaten und Messaufbau den Vergleich des angezeigten Messwertes x a mit dem richtigen Wert x r definiert [16]: Absoluter Fehler: F=x a -x r (5.1) Relativer Fehler: f= x a x r % (5.2) Die absoluten Messabweichungen gemäß Herstellerangaben sind in Tab. 7 dargestellt: Tabelle 7: Absolute Messabweichungen des Wellenleistungsmessers [15] Messabweichung Messgröße Absolut Drehmoment < +/- 0,5 % Wellendrehzahl < +/- 0,1 % Leistung < +/- 0,5 % Im Folgenden wird überprüft, wie stark die vom M.A.C. System angezeigten Messdaten der Wellenleistung von den über Drehmoment und Wellendrehzahl berechneten Werten abweichen. Es gilt: P D =M 2π n (5.3) Für den Zeitraum vom bis zum , was über 9400 Messpunkten entspricht, wird die mittlere Abweichung der gemessenen und berechneten Leistungswerte bestimmt. Die Abweichung beträgt im Mittel 4,75 %. Neben den Messabweichungen der Messgeräte entstehen weitere Ungenauigkeiten durch die Mittelwertbildung. Genauigkeit der Positionsbestimmung und Geschwindigkeit über Grund Das Standard Positioning Service (SPS) erreicht derzeit in 95 % der Messungen eine horizontale Messgenauigkeit von circa 15 m [17]. Bei der Bestimmung der Geschwindigkeit wird meist der Dopplereffekt genutzt. Der GPS Empfänger bestimmt die Geschwindigkeit mit einer Genauigkeit von < 0.05 m/s 37

38 5 Messdaten und Messaufbau (< 0,027 kn) über die Messung der Frequenzverschiebung, die proportional zur relativen Geschwindigkeit von Empfänger und Satellit ist [18], [19]. Durchflussmessung Die Messung des Brennstoffmassenstroms erfolgt über eine Durchflussmessung mit Messgeräten des Herstellers VAF Instruments vom Modelltyp B5050 für die Hauptmaschine und Typ B5040 für die Hilfsdiesel. Für beide Geräte beträgt die Messabweichung gemäß Herstellerangaben +/- 0,2 % [4]. In Abb. 5 ist das Schwerölsystem und das Durchflussmessgerät für die Hauptmaschine vereinfacht abgebildet. Ein Teil des Brennstoffmassenstroms, der vom Durchflussgerät erfasst wird, fließt vorerst zum Mischrohr zurück und wird erst anschließend verbrannt. Dennoch werden die Messdaten zum Brennstoffverbrauch als genau angenommen, da der gesamte, das Durchflussgerät passierende Brennstoffmassenstrom verbraucht wird. Abbildung 5: Geschlossenes Schwerölsystem [13] Windmessanlage Zur Messung der Windrichtung und Windgeschwindigkeit ist an Bord des TEU Containerschiffs der kombinierte Schiffs Wind - Sensor des Herstellers Lambrecht vom Typ 14513N18G4H installiert. 38

39 5 Messdaten und Messaufbau Der Hersteller gibt die absolute Messabweichung der Windrichtung mit +/- 1 % und die der Windgeschwindigkeit mit +/- 2 % an [20]. Tiefgangsmessung Für die Messung des Tiefgangs wird die Tauchsonde HCG2011 vom Hersteller Hoppe eingesetzt. Dieser Drucksensor misst den hydrostatischen Druck an der Außenhaut über den piezoelektrischen Effekt. Die Messabweichung beträgt gemäß Herstellerangaben +/- 0,2 % [21] Messgenauigkeit des Messintervalls Für eine Revierfahrt von Hamburg nach Rotterdam liegen Messwerte wie Position, Geschwindigkeit über Grund, Windgeschwindigkeit, Windrichtung, Lufttemperatur, Luftdruck und Pitch vor, die in einem Abstand von einer Sekunde erfasst wurden. Für jede Messgröße stehen Messwerte zur Verfügung, was einem Zeitraum von 1,16 Tagen entspricht. Um zu analysieren, wie genau die Erfassung der Messgrößen durch die Envidatec mit einem Intervall von 15 min ist, wurde aus diesen Messgrößen der Mittelwert gebildet und mit dem Mittelwert der gleichen Messgrößen im Abstand von 15 min verglichen (siehe Tab. 8). Tabelle 8: Genauigkeit des Messintervalls Messgröße Geschw. über Grund in kn Windgeschw. in kn Windrichtung in Mittelwert Mittelwert Abweichung der Messung pro Messung pro Mittelwerte in % Sekunde 900 Sekunden 15,41 15,56 0,99 10,26 10,23-0,35 141,71 148,30 4,44 39

40 6 Energie- und Stoffströme auf Schiffen Messgröße Lufttemperatur in C Luftdruck in bar Pitch in % Mittelwert Mittelwert Abweichung der Messung pro Messung pro Mittelwerte in % Sekunde 900 Sekunden 9,86 9,91 0,45 1,0098 1,0096-0,025 66,69 67,45 1,13 Mit Ausnahme der Windrichtung und des Pitch, deren Abweichung der Mittelwerte 4,44 % bzw. 1,13 % beträgt, bleibt die Abweichung der Mittelwerte für die betrachteten Messgrößen bei unter einem Prozent. Das Datenvolumen bei Erfassung der Messdaten im Intervall von 15 min beträgt nur 0,9 % der Datenmenge bei Aufzeichnung im Sekundentakt. Dadurch sinken die die Datenübertragungskosten per Satellit um ein Vielfaches. Entsprechend wird das gewählte Messintervall als sinnvoll betrachtet. Die Streuung der Messdaten von Noon - Reports liegt verglichen mit kontinuierlichen Messungen um mehr als 60 % höher [22]. 6 Energie- und Stoffströme auf Schiffen Die Analyse der Energieeffizienz von Schiffen sowie die Identifikation von Energieeinsparpotentialen setzen voraus, dass die Verbrauchsverursacher sowie deren Einflüsse auf den Energieverbrauch bekannt sind. Im Rahmen einer Energieflussanalyse sollen daher die Verbrauchsverursacher und deren Abhängigkeiten und Einflüsse untersucht werden. Eine vereinfachte Darstellung der Energieflüsse auf Seeschiffen in Form eines Sankey - Diagramms ist in Abb. 6 dargestellt. Die Brennstoffenergie wird in Fahrtenergie in Form von Schubleistung, elektrische Energie sowie Dampfenergie umgewandelt. Bei der Umwandlung der Energieformen treten Verluste auf, die in Abb. 6 grau dargestellt werden. 40

41 6 Energie- und Stoffströme auf Schiffen Abgegebene Leistung, kw Schubleistung Energie In kj Elektrische Leistung Dampf Verluste Dichte Brennstoff Wirkungs -grad Kessel Wirkungsgrad HD Wirkungsgrad HM Schiffseinflussgrad Propellerwirkungsgrad Abbildung 6: Sankey Diagramm für Seeschiffe [23] Im Folgenden werden die unterschiedlichen Energieflüsse sowie die dabei auftretenden Verluste genauer untersucht. 6.1 Fahrtenergie (Hauptmaschine) Die Hauptmaschine hat die Aufgabe den Vortrieb des Schiffes zu erzeugen. Anhand der automatischen Messdaten wird für eine Rundreise des TEU Containerschiffs das Verhältnis der Brennstoffverbräuche von Hauptmaschine und Hilfsdiesel bezogen auf den Gesamtverbrauch bestimmt. Die Hauptmaschine hatte einen Anteil von circa 90 % am Gesamtverbrauch und die Hilfsdiesel entsprechend circa 10 %. Daher liegt der Schwerpunkt der Energieflussanalyse auf der Fahrtenergie. Der Brennstoffverbrauch des Hilfskessels wird in dieser Rechnung vernachlässigt, da hierfür keine Messdaten vorliegen. Der Anteil des Hilfkesselverbrauchs bezogen auf den Gesamtverbrauch ist in der Regel niedrig und beträgt ungefähr 2 %. Der Brennstoffmassenstrom der Hauptmaschine m B und somit der Verbrauch ist analog der Formel 41

42 6 Energie- und Stoffströme auf Schiffen m B =b e P B =b e PD =b η e CGS R T v η D η CGS (6.1) abhängig von den folgenden Faktoren: Spezifischer Brennstoffverbrauch b e Leistung am Abtriebsflansch P B Wellenleistung P D Mechanische Übertragungswirkungsgrad η CGS Propulsionsgütegrad η D Schiffsgeschwindigkeit v Schiffswiderstand R T [24] Der Einfluss dieser Faktoren auf den Brennstoffmassenstrom kann anhand bestimmter Messgrößen quantifiziert werden Spezifischer Brennstoffverbrauch b e Der spezifische Brennstoffverbrauch b e ist eine Kennzahl, die das Verhältnis der eingesetzten Energie zur nutzbaren Leistung und damit die Effizienz einer Verbrennungskraftmaschine beschreibt. Der spezifische Brennstoffverbrauch ist abhängig von den Umgebungsbedingungen, dem Heizwert H U, dem Motorverschleiß, der Zünd- und Brenneigenschaften sowie der Anzahl der vom Motor direkt angetriebenen Pumpen. Pro an den Motor angehängte Pumpen erhöht sich der Mehrverbrauch um circa 1 % [25]. Klimaunterschiede haben eine Auswirkung auf die Leistung und den Betrieb des Motors und somit auf den Brennstoffverbrauch. Unter Tropenbedingungen können sich die spezifischen Verbräuche um bis zum 3 g/kwh gegenüber den ISO - Bedingungen erhöhen [26]. Bei einem spezifischen Brennstoffverbrauch von 174 g/kwh bedeutet dies bereits einen Anstieg von 1,72 % des Gesamtverbrauchs. Herstellerangaben zufolge sind die Angaben zum spezifischen Brennstoffverbrauch unter folgenden ISO - Bedingungen bestimmt worden [27]: 42

43 6 Energie- und Stoffströme auf Schiffen Umgebungsdruck: mbar Umgebungstemperatur: 25 C Ladelufttemperatur: 25 C Heizwert des Brennstoffes: kj/kg Die Herstellerangaben sind mit einer Toleranz von 5 % behaftet. Die ISO - Bedingungen sind unter realen Bedingungen im Schiffsbetrieb nicht zu erreichen. Der Hersteller hat zur Berechnung des spezifischen Brennstoffverbrauchs bei von der ISO - Norm abweichenden Bedingungen folgende Tabelle aufgestellt: Tabelle 9: Abweichung des spezifischen Brennstoffverbrauchs [27] Parameter Abweichung von der Abweichung vom spez. ISO - Bedingung Brennstoffverbrauch Ansauglufttemperatur Turbolader Pro 10 C Anstieg + 0,71 % Ansaugluftdruck Pro 10 mbar Anstieg - 0,05 % Ladelufttemperatur Pro 10 C Anstieg + 0,41 % Heizwert Pro 1 % Anstieg - 1 % Überschlägig können diese Abweichungen anhand der Umgebungs- und Seewassertemperatur bestimmt werden. Umgebungstemperatur Mit Anstieg der Umgebungstemperatur sinkt der Ladeluftdruck sowie die spezifische Abgas - und Luftmenge und damit das Verbrennungsluftverhältnis. Die Abgastemperatur, die thermische Belastung und der spezifische Kraftstoffverbrauch steigen an [25]. Da die Lüfterausgänge nahe der Turbolader angeordnet sind, liegt die Ansauglufttemperatur der Turbolader näherungsweise 1 3 C höher als die Umgebungslufttemperatur [28]. Seewassertemperatur Mit einem Anstieg der Seewassertemperatur nimmt auch die Ladelufttemperatur zu. Die Ladelufttemperatur kann näherungsweise gleich der Seewassertemperatur gesetzt werden [28]. 43

44 6 Energie- und Stoffströme auf Schiffen Propulsionsbedingungen und mechanischer Übertragungswirkungsgrad Der Propulsionsgütegrad η D kennzeichnet die Qualität des Propulsors. Ein Propulsor wandelt die Drehleistung einer Arbeitsmaschine in eine hydrodynamische Vortriebsleistung um. Es gilt: η D =η O η H η R (6.2) η O ist der Wirkungsgrad des freifahrenden Propellers und wird in Modellversuchen bei gleichförmiger Anströmung ohne Störung durch den Schiffsrumpf ermittelt und auf die Großausführung extrapoliert. Der Gütegrad der Propelleranordnung η R bezeichnet das Vehältnis des Propellerwirkungsgrades in wirklicher Anordnung hinter dem Schiff η B zum Wirkungsgrad des freifahrenden Propellers η 0. Durch η R werden Unregelmäßigkeiten der Anströmung und die Wirkung des Ruders sowie weiterer Anhänge auf den Propellerwirkungsgrad berücksichtigt. η R = η B η O = T v A P D η O (6.3) v A : relative Anströmgeschwindigkeit des Propellers T: Schub Der Schiffseinflussgrad η H berücksichtigt die Sogkraft des Propellers auf das Schiff sowie die Auswirkungen des Nachstroms. η H = 1-t 1-w (6.4) Dabei ist t die Sogziffer und w die Nachstromziffer. Aufgrund der relativen Widerstandserhöhung durch das vom Propeller erzeugte Unterdruckfeld muss der Propellerschub größer als der gesamte Schiffswiderstand sein. Diese relative Widerstandserhöhung wird durch die Sogziffer ausgedrückt. 44

45 6 Energie- und Stoffströme auf Schiffen t= T-R T T (6.5) Die Nachstromziffer w ist definiert wie folgt [26]: w= v-v a v (6.6) Der Propulsionsgütegrad wird in dieser Arbeit mit einer Näherungsformel bestimmt [29], da die gemessenen Propulsionsgütegrade unrealistisch erscheinen: 1 2 η D =0,885-0,00012 n L PP (6.7) Der mechanische Übertragungswirkungsgrad η CGS ist wie folgt definiert: η CGS =η C η G η S (6.8) Zwischen der Leistung am Motorflansch P B und der Wellenleistung P D treten Verluste in der Wellenleistung auf, die mit Wellenleitungswirkungsgrad η S bezeichnet werden, [30]. Der Kupplungswirkungsgrad η C berücksichtigt Verluste durch Kupplungsschlupf. Der Wirkungsgrad η G bezeichnet den Getriebewirkungsgrad. Für eine direkt gekuppelte Anlage ohne Getriebe und ohne Wellengenerator gilt [31]: η S 0,99 und P PTO =0 Die Wellenleistung beträgt demnach: P D =P B η S (6.9) In der folgenden Abbildung sind die für den Schiffsbetrieb relevanten Leistungen dargestellt. 45

46 6 Energie- und Stoffströme auf Schiffen Abbildung 7: Propulsion eines Schiffes [32] Die Schleppleistung P E bezeichnet die Leistung, die benötigt wird, um das Schiff hinter sich her zu ziehen. Der Propulsionsgütegrad kann alternativ durch das Verhältnis aus Schleppleistung P E zur erforderlichen Wellenleistung P D bei gegebener Geschwindigkeit v bestimmt werden. η D = P E P D (6.10) Die Schubleistung P T bezeichnet die vom Propeller gelieferte Leistung [30]: P T =η 0 P D =T v A (6.11) 46

47 6 Energie- und Stoffströme auf Schiffen Schiffsgeschwindigkeit Die erforderliche Antriebsleistung und damit der Brennstoffmassenstrom sind ungefähr proportional zur dritten Potenz der Schiffsgeschwindigkeit. Für schnelle Schiffe kann sich dieser Wert auf über vier erhöhen. Demnach hat die eingestellte Schiffsgeschwindigkeit einen sehr hohen Einfluss auf den Brennstoffverbrauch [25] Schiffswiderstand Der Schiffswiderstand R T setzt sich wie in Abb. 8 dargestellt zusammen aus Glattwasserwiderstand und Zusatzwiderständen und wird wie folgt bestimmt: R T = P D η D v (6.12) Der Glattwasserwiderstand besteht aus Wellenwiderstand, Reibungswiderstand, Anhängewiderstand sowie Windwiderstand durch Eigenfahrtwind und wird unter Trial Design Bedingungen (Außenhaut unbewachsen, tiefes Wasser, keine Wellen, kein bzw. geringer Wind, Seewasserdichte 1,025 t/m 3 ) bestimmt. Der Glattwasserwiderstand ist abhängig von der Rumpfgeometrie und wird im Entwurfsprozess festgelegt. Unter Zusatzwiderständen versteht man den Einfluss von Flachwasser, Wind, Strömung, Kurshalten, Seegang, Schwimmlage und Eisfahrt auf den Gesamtwiderstand [33], [34]. Auch die zunehmende Rauhigkeit von Außenhaut und Propeller erhöht den Schiffswiderstand. 47

48 6 Energie- und Stoffströme auf Schiffen Gesamtwiderstand R T Glattwasserwiderstand Zusatzwiderstand Wellenwiderstand Widerstand durch Eis Reibungswiderstand Anhängewiderstand Windwiderstand durch Eigenfahrtwind Seegangswiderstand Windwiderstand Widerstand durch veränderte Schwimmlage Widerstand durch Rauhigkeit Flachwasserwiderstand Widerstand durch Kurshalten Widerstand durch Meeresströmungen Widerstand durch Driften Abbildung 8: Glattwasser- und Zusatzwiderstände von Schiffen Zusatzwiderstände Die Zunahme des Gesamtwiderstands und damit des Brennstoffverbrauchs aufgrund von Zusatzwiderständen kann abhängig vom Fahrtgebiet % betragen [26]. Aufgrund des hohen Einflusses der Zusatzwiderstände auf den Energieverbrauch ist deren Quantifizierung für die Energieflussanalyse von hoher Bedeutung. Die Ergebnisse einer Aufschlüsselung und Untersuchung der Einflüsse der jeweiligen Zusatzwiderstände auf den Brennstoffverbrauch können zur Bestimmung der optimalen Schiffsroute und Schiffsgeschwindigkeit, des optimalen Tiefgangs und Trimms sowie zur Bestimmung des günstigsten Intervalls zur Außenhaut- und Propellerreinigung verwendet werden. In der Schiffsentwurfsphase wird der Glattwasserwiderstand durch Modellversuche im Schlepptank unter Trial Design Bedingungen bestimmt und anhand dieser Ergebnisse die benötigte Hauptmaschinenleistung ermittelt. Diese Leistung wird um 48

49 6 Energie- und Stoffströme auf Schiffen die sogenannte Sea - Margin, die häufig bei 10 % liegt, erhöht. Mit der Sea - Margin werden Zusatzwiderstände wie Wind, Seegang oder Bewuchs berücksichtigt. Durch diesen Aufschlag wird gewährleistet, dass die vertraglich festgelegte Dienstgeschwindigkeit auch bei ungünstigen Umwelteinflüssen noch erreicht werden kann. Die Hauptmaschine wird durch diesen pauschalen Leistungsaufschlag häufig überdimensioniert. Anhand einer genauen Analyse der in der Praxis auftretenden Zusatzwiderstände kann für Neubauten, die auf der untersuchten Route verkehren, die optimale Hauptmaschinenleistung ermittelt und dadurch Bau-, Betriebs- und Wartungskosten eingespart werden. Anhand einer genauen Analyse der Schiffsgeschwindigkeit und der Hauptmaschinenleistung über einen längeren Zeitraum kann darüber hinaus überprüft werden, ob in den seltenen Fällen, in denen hohe Schiffsgeschwindigkeiten gefahren werden, die zusätzliche Leistung von den Hilfsdieseln über Power Take - Ins an der Propellerwelle geliefert werden kann. Dadurch könnte die Hauptmaschine kleiner dimensioniert werden. Widerstand durch Eis Der Zusatzwiderstand durch Eis wird in dieser Arbeit nicht berücksichtigt, da in dem betrachteten Fahrgebiet kein Eis auftritt. Seegangswiderstand Durch die im Seegang auftretenden Stampf-, Tauch- und Rollbewegungen des Schiffes verändert sich die Umströmung des Schiffskörpers gegenüber der Glattwasserumströmung. Die Wellen- und Schiffsbewegungen erzeugen Druckschwankungen, die wiederum eine veränderliche Druckkraft hervorrufen. Der zeitliche Mittelwert, der entgegen der Fahrtrichtung wirkenden Druckkraftkomponente, wird als Seegangszusatzwiderstand bezeichnet [35]. Neben der Erhöhung des Seegangszusatzwiderstandes verschlechtert sich unter Annahme eines konstanten Propellerdrehmoments der Propulsionswirkungsgrad durch die höhere Propellerbelastung im Seegang. Bei sehr starkem Seegang müssen Schiffsgeschwindigkeit und Drehmoment reduziert werden, um Schäden an 49

50 6 Energie- und Stoffströme auf Schiffen der Antriebsanlage durch Austauchen und Überdrehen des Propellers zu vermeiden. Weiterhin werden dadurch Schäden des Schiffes aufgrund von Slamming und Wasser an Deck sowie Schäden der Ladung durch Rollen vermieden [36]. Der Seegangswiderstand kann durch Modellversuche, numerische Simulationen und empirische Verfahren bestimmt werden. Die numerische Simulation kann anhand linearer und nichtlinearer Streifenmethoden erfolgen, wobei die Genauigkeit dieser Methoden von der Genauigkeit der für die für die betrachtete Route zur Verfügung stehenden Seegangsstatistiken abhängt [29], [37]. Die Berechnung des Seegangswiderstands in dieser Arbeit erfolgt nach einem empirischen Verfahren. Für eine Abschätzung des Zusatzwiderstandes durch Wind und Seegang für Containerschiffe und Tanker mit einer Verdrängung zwischen m 3 und m 3 wurde ein empirisches Verfahren entwickelt, das eine Reduzierung der Schiffsgeschwindigkeit in Abhängigkeit des Schiffstyps, des Einfallswinkels von Wind und Wellen, der Beaufort - Zahl sowie der Schiffsgeschwindigkeit bestimmt. Die Reduzierung der Geschwindigkeit v infolge von Wind und Wellen beträgt nach [38]: V=C µ C Ship V (6.12) Tabelle 10: Konstante C µ in Abhängigkeit vom Einfallswinkel µ Einfallswinkel µ in C µ , ,7-0,03(BN-4) ,9-0,06(BN-6) ,4-0,03(BN-8) 2 BN: Beaufort - Zahl Die Beaufort - Zahlen können aus den automatischen Messdaten des wahren Windes wie folgt bestimmt werden [34]: BN=( v W 0,836 ) 1 1,5 (6.13) 50

51 6 Energie- und Stoffströme auf Schiffen Für die Konstante C Ship für Containerschiffe gilt: C Ship =0,7 BN+ BN6,5 2 2,2 3 (6.14) : Volumen in m 3 Der erste Term der Gleichung 6.14 beschreibt den Einfluss des Windes auf die Geschwindigkeit, der zweite Term berücksichtigt den Zusatzwiderstand durch Seegang. Die Abschätzung des Windwiderstands erfolgt in dieser Diplomarbeit auf Grundlage aktuellerer Forschungsergebnisse [29]. Daher wird aus der Methode nach [38] lediglich der zweite Term zur Abschätzung des Seegangwiderstands verwendet: C Ship = BN6,5 2 2,2 3 (6.15) Die Konstanten für diese Methode basieren auf Ergebnissen von detaillierten Berechnungsverfahren, die den Seegangswiderstand durch Wellenreflektion und Schiffsbewegungen bei von vorne einfallenden, regelmäßigen und unregelmäßigen Wellen bestimmen. Bei Wellen mit kurzen Wellenlängen dominiert der Widerstand durch Wellenreflektion, bei langen Wellenlängen dominiert der Widerstand durch die Schiffsbewegungen [38]. Für Windstärken von über 6 auf der Beaufort - Skala wird diese Abschätzung ungenau, da ungefähr ab Windstärke 7 der Propeller austaucht und durchdreht, sodass der Schub nicht mehr konstant ist [38]. Der Zusatzwiderstand R durch Seegang kann aus der Reduzierung der Geschwindigkeitsdifferenz v, der Geschwindigkeit v und dem zugehörigen Widerstand R unter Trial Design Bedingungen bestimmt werden. Unter Annahme eines konstanten Schubs gilt [38]: v v =[1+ R R ] (6.16) Demnach gilt für den Zusatzwiderstand durch Seegang: R=R [(1+C µ C Ship ) 2-1] (6.17) 51

52 6 Energie- und Stoffströme auf Schiffen Wenn Wind von achtern angreift und die Geschwindigkeit des wahren Windes größer als die Fahrtgeschwindigkeit ist, wird eine Schubwirkung erzeugt. Hingegen erhöht auch Seegang, der von achtern wirkt, den Schiffswiderstand [39]. Windwiderstand Der Windwiderstand hat bei Containerschiffen aufgrund der großen Windangriffsfläche einen hohen Einfluss und kann bis zu 10 % des Gesamtwiderstands betragen [26]. Bei der Bestimmung des Windwiderstands muss zunächst zwischen dem wahren meteorologischen Wind, dem scheinbaren Wind und dem Eigenfahrtwind unterschieden werden. Die scheinbare Windgeschwindigkeit v app setzt sich zusammen aus der Summe der wahren Windgeschwindigkeit v W und der Schiffsgeschwindigkeit v S. Weiterhin ist die Windrichtung einzubeziehen. Bei schräg einfallenden Wind treten eine aerodynamische Längs- und Querkraft sowie ein Giermoment auf. Das Giermoment sowie die Querkraft müssen durch eine Ruderkraft ausgeglichen werden. Der Windwiderstand wird anhand einer Näherungsformel ermittelt, die auf Experimenten im Windtunnel basiert [29]: cosε R Wind = ρ A u 2 A 2 A L CD l (6.18) 1- δ 2 (1-CD l) sin 2 2ε t CD l =CD laf AF A L (6.19) ρ A : Luftdichte u A : Scheinbare Windgeschwindigkeit ε: Einfallswinkel scheinbarer Wind (ε = 0, bei Gegenwind) δ: Querkraftkoeffizient A H : Windhauptspantfläche, Für das zu untersuchende Containerschiff: A H = 1625 m 2 A L : Seitenlateralfläche, Für das zu untersuchende Containerschiff: A L = 6211 m 2 CD t, CD l : Koeffizienten 52

53 6 Energie- und Stoffströme auf Schiffen Für die Koeffizienten eines beladenen Containerschiffs gilt: Tabelle 11: Koeffizienten zur Bestimmung des Windwiderstands eines beladenen Containerschiffs [29] Schiffstyp CD t CD laf δ Containerschiff, beladen 0,90 0,55 0,40 In einer aktuelleren Arbeit wird der Einfluss der Containerstauung auf den Windwiderstand genauer berücksichtigt. Sofern ein Containerstauplan vorhanden ist, kann der Windwiderstand anhand dieser Methode bestimmt werden (siehe Anhang B) [40]. Widerstand durch veränderte Schwimmlage Der Reibungswiderstand ist abhängig von der Rauhigkeit und der benetzten Schiffsoberfläche. Die benetzte Schiffsoberfläche ist wiederum abhängig von der Rumpfgeometrie, dem Tiefgang und Trimm [8]. Der Trimm hat einen signifikanten Einfluss auf den Schiffswiderstand und somit den Verbrauch. Für jeden Tiefgang und jede Geschwindigkeit gibt es einen optimalen Trimm, der den geringsten Widerstand erzeugt. Ein optimierter Trimm senkt den Wellenwiderstand durch eine Reduzierung der Bugwelle und durch verbesserte Propulsion aufgrund günstigerer Propelleranströmung sowie verbesserte Interaktion zwischen Außenhaut und Propeller. Der optimale Trimm kann durch das Umpumpen von Ballastwasser eingestellt werden. Die Einhaltung der Stabilitätskriterien muss dabei beachtet werden. Verschiedene Hersteller bieten Software an, die anhand bestimmter Einflussparameter wie Trimmung, Antriebsleistung, Brennstoffverbrauch, Seegang, Wind, Geschwindigkeit und Wassertiefe die optimale Trimmung bestimmen. Die Reederei Hamburg Süd hat mit derartigen Trimmoptimierungen Einsparungen von 3-5 % erzielen können [10]. Für die Bestimmung der Widerstandsänderung bei Teilabladung und Trimm wird ein Verfahren [41] verwendet, das auch den Einfluss des Bugwulstes bei Tiefgangs- und Trimmänderungen berücksichtigt: 53

54 6 Energie- und Stoffströme auf Schiffen R T1 R TKWL =k T k TR k TB k TRB (6.20) R T1 : Widerstand bei Teilabladung und Trimm R TKWL : Widerstand bei Konstruktionstiefgang T k T : Einfluss einer Tiefgangsänderung k TR : Einfluss des Trimms k TB : Einfluss des Bugwulstes bei Tiefgangsänderung k TRB : Einfluss des Bugwulstes bei Trimm Korrekturfaktor k T für Tiefgangsänderung Der k T - Wert sowie die übrigen k - Faktoren basieren auf der Auswertung von Ergebnissen aus Modellversuchen sowie Literaturwerten. Der Zusatwiderstand durch Tiefgang und Trimm ist abhängig von Froudezahl und Blockkoeffizienten. Bei F n 0,2 ist der Widerstand am höchsten, was bei dem TEU Containerschiff einer Geschwindigkeit von 20,59 kn entspricht. Der Widerstand steigt mit zunehmenden Blockkoeffizienten. k T = T 1 + T T 1-1 B) T Fn-0,19(2,8-C 55 CB 0,1 L PP B B ,42-0,875 C T B 0,1 ( L PP ) ( B ) B T (6.21) Der Blockkoeffizient wird bei Konstruktionstiefgang T KWL bestimmt: C B = L PP B T (6.22) F n = v g L PP (6.23) T 1 : Mittlerer Tiefgang bei Teilabladung T KWL, T: Konstruktionstiefgang 54

55 6 Energie- und Stoffströme auf Schiffen Korrekturfaktor k TB zur Berücksichtigung des Einflusses des Bugwulstes bei Tiefgangsänderung Der Einfluss des Bugwulstes auf die Widerstandsänderung ist abhängig von dessen Form. In [41] werden jedoch lediglich die Querschnittsfläche des Bugwulstes am vorderen Lot sowie die Höhe der Bugwulstspitze berücksichtigt. k TB =1+7 C BT 1- T 1 T (1-C B) 0,725 arctan (7,08-6 C B -12 Fn) (6.24) C BT = A BT / A M : Relative Querschnittsfläche des Bugwulstes am vorderen Lot Da die Querschnittsfläche des Bugwulstes unbekannt ist, wird ein Wert aus der Literatur verwendet [42]: C BT = A BT A M 0,095 (6.25) Korrekturfaktor k TR zur Berücksichtigung des Trimms (t / L PP ) 0 k TR =1+0,3 0,7-C B +0,2 Fn-0,4 (0,7-C B ]-0,17 exp-[100 (0,32-Fn+0,4(0,7-C B )) 1,9 (0,2+C B ) 12,5( t t )/ ( ) 0,333 (6.26) L PP L PP t / L pp : Trimm (hecklastig positiv) Korrekturfaktor k TRB zur Berücksichtigung des Einflusses des Bugwulstes bei Trimm Der Einfluss des Bugwulstes auf die Widerstandsänderung bei Trimm ist abhängig davon, ob die Spitze des Bugwulstes eintaucht oder nicht. k TRB =1+[m Fn * +n-1] C BT 0,1 ( t/l PP 0,04 ) (6.27) Wenn T HX 0: 3 m=(-10 T HX ) 55 (6.28)

56 6 Energie- und Stoffströme auf Schiffen Fn * =Fn Fn/(0,59-C B /2) (6.29) Wenn T HX > 0 m=t HX 1-C B +0,8+375 M-9,25 C B T HX 0,4 exp-(2 T HX ) (6.30) Fn * =Fn (6.31) n=1,15exp- (0,025- T HX (-0,01-T HX - T HX ]+0,5 T HX - (T HX -0,2 ] + +0,05-0,15 T HX +0,1exp-[30000(C B -0,7) 4 ] (6.32) T H =1-0,95 TB T F (6.33) T HX =T H -(0,1+50 M) (6.34) M=(0,622-C B -0,62-C B ) (6.35) Wenn t/l pp = 0, dann gilt k TRB = 1 T B : Höhe der Bugwulstspitze über Basis T F : Tiefgang am vorderen Lot [41] Flachwasserwiderstand Bei geringen Wassertiefen müssen zusätzlich Flachwassereffekt und Versperrungseffekt berücksichtigt werden. Die Wellenbildung ist abhängig von der Wassertiefe. Durch Änderung des Wellenbildes steigt der Wellenwiderstand des Schiffes. Dieser Effekt wird als Flachwassereffekt bezeichnet und beginnt ungefähr, wenn die Wassertiefe H gleich der halben Wellenlänge λ des vom Schiff erzeugten Wellensystems entspricht [34]. H= λ 2 =π v2 g (6.36) 56

57 6 Energie- und Stoffströme auf Schiffen Eine hohe Bedeutung bei der Bestimmung der Auswirkungen von Flachwasser auf den Wellenwiderstand hat die Froudsche Tiefenzahl. Diese ist definiert wie folgt: F nh = v g H (6.37) Bei einem Wert von 1 ist der Wellenwiderstand am höchsten, da bei diesem Wert die Längs- und Querwellen des Schiffes zusammenfallen. Daher sollten bestimmte Geschwindigkeiten, bei denen die Froudsche Tiefenzahl einen Wert von eins oder nahe eins erreicht vermieden werden. Bei Flachwasser erhöht sich zudem der Trimm, wodurch zusätzliche Widerstände entstehen können. Bei einem geringen Abstand zwischen Schiffsboden und Grund erhöht sich gemäß der Kontinuitätsgleichung die Geschwindigkeit am Rumpf. Dadurch erhöht sich der Reibungswiderstand und es entstehen gemäß der Bernoulligleichung Unterdrücke in diesem Spalt, wodurch sich der Rumpf an den Grund saugt. Dieser Versperrungseffekt wird weiter verstärkt, wenn das Fahrwasser seitlich beschränkt ist. Der Flachwassereinfluss setzt ungefähr ein bei [34]: A M 0,5 (6.38) H A M : Hauptspantfläche Für die Bestimmung des Einflusses von Flachwasser auf die Schiffsgeschwindigkeit wird eine Methode nach Lackenby angewandt [43]. Für A M /H 2 0,05 gilt: v S v S =0,1242 A M H 2-0,05 +1-tan ( g H v S 2 ) (6.39) Der Flachwasserwiderstand ist nur für geringe Wassertiefen in der Revierfahrt von Bedeutung. Das TEU Containerschiff verkehrt jedoch überwiegend in tiefem Wasser. Da während der Revierfahrt viele zum Teil unvorhersehbare Faktoren wie Verkehr, Lotseneinsatz, Schleppereinsatz, Wartezeiten und Ankern den Verbrauch 57

58 6 Energie- und Stoffströme auf Schiffen beeinflussen, wird in dieser Arbeit der Energiefluss in der Revierfahrt nicht untersucht. Widerstand durch Kurshalten In der neutralen Position beträgt der Ruderwiderstand circa 1 %. Durch moderates Ruderlegen kann sich dieser Widerstand jedoch um 2-6 % erhöhen [29]. Der Widerstand durch Ruderlegen, um den Kurs zu halten, kann gemäß [43] wie folgt abgeschätzt werden: R δδ =0,5 ρ See (1-t R ) f a (λ R ) A R v 2 2 eff δ R (6.40) f a (λ R )= 6,13 λ R 2,25+λ R (6.41) A R : Ruderfläche in m 2 t R : Widerstandreduzierender Faktor durch Ruderlegen v eff : Effektive Anströmgeschwindigkeit zum Propeller in m / s δ R : Ruderwinkel in rad λ R : Seitenverhältnis Ruder ρ See : Dichte Seewasser in kg / m 3 Abbildung 9: Widerstandsreduzierender Faktor durch Ruderlegen [43] Da keine Daten über den Ruderwinkel vorliegen, wird dieser Einfluss nicht näher quantifiziert. 58

59 6 Energie- und Stoffströme auf Schiffen Widerstand durch Meeresströmungen Die auf das Schiff wirkenden Meeresströmungen können den Schiffswiderstand zusätzlich erhöhen. Unter der vereinfachten Annahme, dass die Meeresströmung von vorne oder von achtern auf das Schiff wirkt, gilt zwischen der Schiffsgeschwindigkeit über Grund vg, der Schiffsgeschwindigkeit durchs Wasser vw und der Geschwindigkeit der Meeresströmung vms folgender Zusammenhang: vg =vw -vms (6.42) Zwischen Wellenleistung PD und Schiffsgeschwindigkeit vs unter Trial Design Bedingungen herrscht für das zu untersuchende Containerschiff nach Abb. 22 folgender Zusammenhang: PD =0,2408 vs 3,7184 (6.43) Abb. 10 zeigt die vorhandenen automatisch erfassten Messdaten für Wellendrehzahl und Schiffsgeschwindigkeit. Unter Annahme eines linearen Zusammenhangs gilt näherungsweise: n=4,1303 v+0,6308 (6.44) Wellendrehzahl 1/min y = 4,1303x + 0, Schiffsgeschwindigkeit in kn Abbildung 10: Automatisch erfasste Messdaten für Wellendrehzahl und Schiffsgeschwindigkeit 59

60 6 Energie- und Stoffströme auf Schiffen Weiterhin gilt: R T = η D P D v (6.45) 1 2 η D =(0,885-0,00012 n L PP ) 1, (6.46) Aus den Gleichungen (6.43) bis (6.46) ergibt sich für den Schiffswiderstand näherungsweise: R T = ηd 0,2408 v3,7184 =(0,885-0,00012 (4,1303 v+0,6308) (286m 1 2) 1, ,2408 v 2,7184 (6.47) v Der Zusatzwiderstand durch Meeresströmung kann demnach aus der Differenz der Widerstände bei Geschwindigkeit durchs Wasser und Geschwindigkeit über Grund abgeschätzt werden: R MS =R T,W -R T,G (6.48) Widerstand durch Driften Driften bezeichnet die seitliche Abweichung des Schiffes vom Kurs, hervorgerufen durch Seitenwind und Seegang [44]. Der Driftwinkel β beschreibt den Winkel zwischen Schiffslängsachse und Richtung des Geschwindigkeitsvektors und wird bestimmt durch: v x : Vorausgeschwindigkeit v y : Quergeschwindigkeit β=arctan ( v y v x ) (6.50) Der Driftwinkel hat einen hohen Einfluss auf den Brennstoffverbrauch [12]. Für den Widerstand durch Driften gilt [43]: R ββ =0,25 π ρ See d 2 v S2 β 2 (6.49) d: Tiefgang in m β: Driftwinkel in rad 60

61 6 Energie- und Stoffströme auf Schiffen Widerstand durch zunehmende Rauhigkeit und Bewuchs Durch zunehmenden pflanzlichen und tierischen Bewuchs sowie mit der Zeit abnehmender Qualität des Anstrichs steigt die Rauhigkeit des Unterwasserschiffes [8]. Dadurch erhöht sich der Brennstoffverbrauch und die Treibhausgasemissionen gegenüber den unter Trial Design Bedingungen erfassten Messwerten. Der Bewuchs nimmt mit steigender Wassertemperatur und höherem Salzgehalt zu. Mit zunehmender Wassertiefe verringert sich der Anteil bewuchsfördernder Mineralien. Zudem haben die Strömungen aufgrund ihrer unterschiedlichen Temperaturen einen Einfluss auf den Bewuchs. Besonders hoch ist die Gefahr von Bewuchs in tropischen und subtropischen Gewässern. Der Bewuchs nimmt zudem mit sinkender Schiffsgeschwindigkeit und längeren Hafenliegezeiten zu, da die Antifoulingfarben erst ab einer bestimmten Geschwindigkeit die Biozide optimal freisetzen. Die Rauhigkeit wird von physikalischen und biologischen Faktoren beeinflusst (siehe Abb. 11). Die biologische Rauhigkeit wird auch als Fouling bezeichnet. Fouling entsteht durch Ansiedlung von Mikroorganismen wie Pilzen, Mikroalgen und Protozyten, die einen Schleim und damit die Grundlage für die Ansiedlung von Makroorganismen wie Seepocken bilden [8]. Rauhigkeit Physikalische Rauhigkeit Biologische Rauhigkeit Makro Mikro Makro Mikro Schweißnähte Mikrokorrosion Tierischer Bewuchs Schleim Korrosion Stahlprofil Pflanzlicher Bewuchs Plattenunebenheiten Farbanstrichart Plattenstöße Anstrichqualität Mechanische Beschädigung Abbildung 11: Ursachen von Rauhigkeit [8] 61

62 6 Energie- und Stoffströme auf Schiffen Eine statistische Untersuchung von hat ergeben, dass 20 % der weltweiten Flotte durch biologische Rauhigkeit einen Zusatzwiderstand von 50 % des Gesamtwiderstands aufweisen. Die physikalische Rauhigkeit erhöht den Widerstand um bis zu 5 % [29]. Neben der Rauhigkeit der Außenhaut erhöht sich auch die Propellerrauhigkeit. Der Wirkungsgrad des Propellers sinkt durch Bewuchs, Ablagerungen, Korrosion und Erosion. Der Bewuchs wird in Flügelbereichen ab 0,60 R im Schiffsbetrieb abgewaschen. Innerhalb dieser Grenze bleibt der Bewuchs jedoch haften [45], wodurch sich der Widerstand nach Auskunft eines Propellerexperten im normalen Betrieb um 2-4 % durch Propellerrauhigkeit erhöht. Abbildung 12: Bewuchs an der Außenhaut vor und nach Reinigung [46] Abbildung 13: Bewuchs am Propeller vor und nach Reinigung [46] Die Untersuchung der Rauhigkeit ist aufgrund ihres hohen Einflusses auf den Brennstoffverbrauch von hoher Bedeutung für die Reedereien. Zudem kann auf diesen Zusatzwiderstand direkt Einfluss genommen werden. Es gilt zu analysieren, wann der Mehrverbrauch durch zunehmende Rauhigkeit die Kosten einer Reinigung von Propeller und Außenhaut mit Neuanstrich sowie Verluste durch Betriebsausfall übersteigt. Derzeit findet die Dockung und die damit verbundene Reinigung von 62

63 6 Energie- und Stoffströme auf Schiffen Außenhaut und Propeller alle fünf Jahre statt. Bei sehr starkem Bewuchs werden Reinigungen auch zwischendurch durchgeführt [4]. Eine überschlägige Abschätzung zur Bestimmung des zusätzlichen Reibungswiderstandes aufgrund physikalischer und biologischer Rauhigkeit von Frachtschiffen liefert eine Formel nach [47]: R F R F =0,01 ( a d b+d + d 0 c ) (6.51) a,b,c: Empirische Konstanten abhängig von Schiffsgeschwindigkeit, Schiffstyp, Fahrtroute und Unterwasseranstrich d: Anzahl der Tage nach letzter Erneuerung des Unterwasseranstrichs d 0 : Anzahl der Tage seit Inbetriebnahme des Schiffes Tabelle 12: Empirische Konstanten zur Bestimmung des Zusatzwiderstandes durch Rauhigkeit [47] Schiffstyp Geschwindigkeit in kn Länge in m Fahrtroute von Europa nach a b c Frachter ,5 Indien, Ost-Afrika Frachter 16,5 146,2 Amerika Afrika Der erste Term der Gleichung berücksichtigt den zusätzlichen Reibungswiderstand aufgrund von Bewuchs, der zweite Term berücksichtigt die Widerstandserhöhung durch physikalische Rauhigkeit, die linear mit der Zeit zunimmt [47]. Aufgrund der Tatsache, dass sich diese Formel auf bestimmte Service- Geschwindigkeiten und Rumpfgeometrien bezieht und die Qualität heutiger Antifoulinganstriche in dieser Formel unberücksichtigt bleibt, wird im Rahmen dieser Arbeit die Rauhigkeit mit einer anderen Methode bestimmt. In [48] werden für die Abschätzung des Einflusses der Rauhigkeit auf den Gesamtwiderstand des Schiffes zunächst alle weiteren Einflussfaktoren herausgefiltert. Zu diesen zählen Tiefgang, Trimm, Widerstand durch Ruderlegen, Beschleunigen und Abbremsen, Strömung, Wind, Seegang, Wasserdichte und temperatur, Wassertiefe, Lufttemperatur, Luftfeuchtigkeit und Umgebungsdruck. Für Tiefgang und Trimm können Bezugswerte festgelegt werden, die in der Praxis häufig auftreten. Die Einflüsse der Strömung und der Ruderaktivität werden isoliert, indem 63

64 6 Energie- und Stoffströme auf Schiffen lediglich Messdaten ausgewertet werden, wo Schiffsgeschwindigkeit über Grund und Schiffsgeschwindigkeit durchs Wasser nahezu identisch sind: Geschw = v DurchsWasser-v ÜberGrund v DurchsWasser 3 % (6.52) Der Schiffskurs sollte dabei nahezu konstant bleiben. Die Widerstandserhöhung aufgrund von Seegang und Wind wird eliminiert, indem bei der Auswertung nur Messwerte bei Beaufort - Zahlen 3 und Windgeschwindigkeiten 15 kn berücksichtigt werden. Weiterhin werden nur Messbereiche bei nahezu konstanter Geschwindigkeit betrachtet und keine Manöver-, Beschleunigungs- oder Abbremsphasen. Die Extremwerte der Wellenleistung und damit verbundene Messungenauigkeiten werden isoliert, indem für das TEU Schiff nur Leistungen im Bereich von kw betrachtet werden (siehe Tab. 13). Die Messdaten für den Zustand nach Indienststellung bzw. Reinigung und Neuanstrich des Schiffes werden mit den gefilterten Daten während des Schiffsbetriebs verglichen. Dadurch erhält man den Einfluss der Rauhigkeit von Außenhaut und Propeller auf den Gesamtwiderstand [48]. Tabelle 13: Referenzwerte für Analyse der Rauhigkeit von Propeller und Außenhaut [48] Parameter Tiefgang vorne Tiefgang hinten Trimm Schiffsgeschwindigkeit über Grund Verhältnis Schiffsgeschw. durchs Wasser und über Grund Beafort - Zahl Windgeschwindigkeit Änderung der Schiffsgeschwindigkeit Referenzwert Bezugswert festlegen Bezugswert festlegen Bezugswert festlegen 10 kn +/- 3 % 3 Beaufort 15 kn 0,25 kn/min 64

65 6 Energie- und Stoffströme auf Schiffen Parameter Änderung der Drehzahl Wellenleistung Referenzwert 0,5 1/min kw Die beschriebene Vorgehensweise zur Bestimmung der Rauhigkeit erfordert eine hohe Menge an Messdaten. Zudem variieren Tiefgang und Trimm bei Containerschiffen aufgrund der unterschiedlichen Beladungszustände beständig. Die zuvor beschriebene Vorgehensweise zur Bestimmung des Zusatzwiderstandes aufgrund von Rauhigkeit wird daher für das zu untersuchende Containerschiff abgewandelt. Bei der Berechnung des Einflusses der Rauhigkeit wird nur die Fahrt auf See betrachtet, da dort keine Einflüsse durch Flachwasser zu berücksichtigen sind und der Motorbetrieb konstanter verläuft als während der Revierfahrt. Der Zusatzwiderstand durch biologische und physikalische Rauhigkeit von Propeller und Außenhaut wird berechnet, indem die bekannten Zusatzwiderstände sowie der Glattwasserwiderstand von dem aktuellen Gesamtwiderstand abgezogen werden: R Rauhigkeit =R T,Gemessen -(R T,Glattwasser +R Wind +R Seegang +R Kurshalten +R Tiefgang+Trimm +R Driften +R Meeresströmung ) (6.53) Bei dieser Berechnung muss berücksichtigt werden, dass die physikalische Rauhigkeit noch in dem Ergebnis enthalten ist. Die biologische Rauhigkeit kann im Gegensatz zur physikalischen Rauhigkeit durch Reinigung und Neuanstrich reduziert werden und sollte daher separat betrachtet werden. Durch Abziehen der physikalischen Rauhigkeit erhält man den Einfluss der biologischen Rauhigkeit. Die Bestimmung der physikalischen Rauhigkeit setzt jedoch eine Messung der Rauhigkeitshöhen der Rumpfoberfläche voraus [8]: R = C F,T =0,044 ( k 1 2 ) 3 -( k 1 R T C T L WL L WL ) C T (6.54) C F,T : Reibungswiderstandsänderung infolge physikalischer Rauhigkeitserhöhung C T : Gesamtwiderstandsbeiwert k 1 : Rauhigkeitshöhe der glatten (Anfangs-) Oberfläche in µm k 2 : Rauhigkeitshöhe der rauen Oberfläche nach einer Zeit in µm 65

66 6 Energie- und Stoffströme auf Schiffen L WL : Länge der Wasserlinie in µm In Tab. 14 ist zusammenfassend dargestellt, welche Messdaten für die Bestimmung der Zusatzwiderstände benötigt werden. Die Rauhigkeit wird in dieser Tabelle nicht aufgeführt, da diese anhand der anderen Zusatzwiderstände bestimmt wird. 66

67 6 Energie- und Stoffströme auf Schiffen Tabelle 14: Manuell erfasste Messdaten von M.A.C. Benötigte Messdaten Gleichungen Statisch Dynamisch (zu messende Werte) Nummer Seegang Glattwasserwiderstand in Abhängigkeit der Schiffsgeschwindigkeit R T (v Schiff ) Trial Beaufort-Zahl bzw. wahre Windgeschwindigkeit Schiffsgeschwindigkeit Einfallswinkel von Wind und Wellen BN bzw. v w v Schiff µ (6.12) bis (6.17) Verdrängung Zusatzwiderstand Wind Scheinbare Koeffizienten CD t, CD l Windgeschwindigkeit Seitenlateralfläche A L Schiffsgeschwindigkeit v Schiff Windhauptspantfläche Luftdichte Querkraftkoeffizient Glattwasserwiderstand in A H ρ A δ u A Einfallswinkel ε (6.18) bis (6.19) Abhängigkeit der Schiffsgeschwindigkeit R TKWL (v Schiff ) Trial Schiffsgeschwindigkeit v Schiff bei Konstruktionstiefgang (6.20) Schwimmlage Erdbeschleunigung g Tiefgang am vorderen Lot T F Konstruktionstiefgang T KWL Mittlerer Tiefgang bei Länge zischen den Loten L pp Teilabladung T 1 bis (6.35) Schiffsbreite B 67

68 6 Energie- und Stoffströme auf Schiffen Flachwasser Kurs halten Meeresströmungen Verdrängung bei Konstruktionstiefgang Relative Querschnittsfläche des Bugwulstes am vorderen Lot Höhe der Bugwulstspitze über Basis A BT /A M T B Hauptspantfläche A M Schiffsgeschwindigkeit v Schiff (6.36) Erdbeschleunigung g Wassertiefe H Seewasserdichte ρ Sea Effektive Ruderfläche Widerstandreduzierender Faktor durch Ruderlegen Seitenverhältnis Ruder Länge zischen den Loten Glattwasserwiderstand in Abhängigkeit der Schiffsgeschwindigkeit A R Anströmgeschwindigkeit zum Propeller t R Ruderwinkel δ R λ R L pp R T (v Schiff ) Trial v eff bis (6.39) (6.40) bis (6.41) Schiffsgeschwindigkeit v Schiff bis (6.42) (6.48) Driften Tiefgang d Schiffsgeschwindigkeit v Schiff (6.49) Seewasserdichte Pi ρ Sea π bis Driftwinkel β (6.50) 68

69 6 Energie- und Stoffströme auf Schiffen 6.2 Bordenergie (Hilfsdiesel) Die zahlreichen elektrischen Verbraucher an Bord des zu untersuchenden Containerschiffes beziehen ihre elektrische Energie aus dem Bordnetz, das von Hilfsdieselgeneratoren gespeist wird. Die Leistung der Verbraucher an Bord variiert beständig und ist unter anderem abhängig von den Umgebungsbedingungen, dem Beladungszustand und der Tatsache, ob sich das Schiff gerade im Hafen, in der Revierfahrt oder auf See befindet. Die größte Verbrauchergruppe auf Containerschiffen bilden die Kühlcontainer, Pumpen und Lüfter. In der Revierfahrt kommen die Bug- und Heckstrahlruder hinzu [49] Umgebungsbedingungen und Heizwert Der Verbrauch der Hilfsdiesel ist analog der Hauptmaschine abhängig von den Umgebungsbedingungen und dem Heizwert. Aufgrund des verglichen zur Hauptmaschine deutlich niedrigeren Gesamtverbrauchs wird dieser Einfluss in dieser Arbeit vernachlässigt Kühlcontainer Für eine Beurteilung der Energieeffizienz spielt die Kenntnis über die Ladungszusammensetzung und den hierfür benötigten Energiebedarf eine entscheidende Rolle. Heute werden überwiegend Integrated - Kühlcontainer eingesetzt, die über eigene Kälteaggregate verfügen und ihre elektrische Energie aus dem Bordnetz beziehen. Der elektrische Energiebedarf ist in der Regel sehr viel geringer als die Summe der elektrischen Nennanschlussleistungen, da die Kühlcontainer beständig zu - und abschalten [50]. Der Energieverbrauch ist nach [51] abhängig von: Soll - Temperatur Umgebungstemperatur Betriebsart des Containers: Abgekühlt (Chilled) oder Herunterkühlend (Frozen) Containergröße (20 oder 40 ), siehe Tab

70 6 Energie- und Stoffströme auf Schiffen Frischluftzufuhr Alter der Isolierung, Kompressortyp, Kältemittel etc. Tabelle 15: Temperaturen für abgekühlte und herunterkühlende Integral Kühlcontainer [52] Integral - Kühlcontainer Abgekühlt 20 TEU (Chilled/Fruit) 40 TEU Herunterkühlend 20 TEU (Frozen) 40 TEU Temperatur > - 10 C < - 10 C Der Energieverbrauch von Chilled - Containern ist höher als der Energieverbrauch von Frozen - Containern. Die Ware im Kühlcontainer wird von kalter Luft durch- bzw. umströmt. Diese kalte Luft wird durch Gitterroste im Boden eingeblasen und unter der Containerdecke wieder abgesaugt. Vorgekühlte Tiefkühlware gibt keine Wärme ab, sodass nur von außen eindringende Wärme abgegeben werden muss und ein Umströmen der Ware ausreichend ist. Beim Fruchttransport muss zusätzlich zur eindringenden Außenwärme die beim Reifeprozess entstehende Wärme abgeführt werden, sodass ein Durchströmen der Ware mit Luft erforderlich ist. Die Luftumwälzraten beim Tiefkühltransport liegen beim fachen Luftwechsel, bei Fruchtfahrt liegen sie beim fachen Luftwechsel. Kühlcontainer sollten nach Möglichkeit an Deck gefahren werden. Aufgrund der Zunahme der Kühlcontainer müssen jedoch vermehrt Kühlcontainer auch unter Deck transportiert werden. In diesem Fall muss die Kondensatorwärme der Kühlcontainer aus dem Laderaum entfernt werden, um das Aufheizen des Laderaums zu verhindern und dadurch den Betrieb der Kühlaggregate aufrechtzuhalten. Kühlaggregate arbeiten derzeit bei einer Umgebungstemperatur bis 50 C zuverlässig [53]. Da das TEU Containerschiff keine Kühlcontainer unter Deck transportiert, muss dieser Einfluss an dieser Stelle nicht berücksichtigt werden. Bislang werden die Energieverbräuche der Kühlcontainer von den Messsystemen nicht erfasst. Für eine Abschätzung des Einflusses der Kühlcontainer auf den Gesamtverbrauch der Hilfsdiesel, wird die Anzahl an Chilled - und Frozen - Kühlcontainern benötigt. Liegen keine Angaben über die Anzahl von Chilled- und 70

71 6 Energie- und Stoffströme auf Schiffen Frozen Containern vor, so ist der Leistungsbedarf gemäß den Bauvorschriften des Germanischen Lloyds wie folgt abzuschätzen [54]: 20' Kühlcontainer: 8,6 kw 40' Kühlcontainer: 12,6 kw Bisher wird manuell nur die Anzahl an 20 und 40 - Kühlcontainern erfasst und nicht zwischen Chilled - und Frozen - Kühlcontainern unterschieden. Da die GL Empfehlungen tendenziell sehr hoch liegen, wird als Mittel über alle Containertypen, Umgebungsbedingungen und Warenarten für 20 Container circa 4 kw / TEU und für 40 Container circa 7 kw / FEU angenommen [52]. Nachteilig ist, dass der Einfluss der Umgebungsbedingungen durch diese Abschätzung nicht einbezogen wird. Eine genauere Abschätzung des Leistungsbedarfs eines 40 Kühlcontainers unter Berücksichtigung der Umgebungstemperatur erfolgt durch [55]: P Chilled =1,693 T T+3432 in Watt (6.55) P Frozen =0,842 T 2 +15,1 T+1787 in Watt (6.56) T: Umgebungstemperatur in C Diese Gleichungen gelten für einen Umgebungstemperaturbereich von - 5 C bis 45 C. 71

72 7 KPIs und Benchmarking 7 KPIs und Benchmarking 7.1 KPIs und Benchmarking Prozess Der Key Performance Indicator (KPI) bezeichnet eine Leistungskennzahl anhand derer die Effizienz eines Prozesses ermittelt werden kann. Mit Einführung von KPIs können Benchmarks entwickelt werden, die vergleichende Analysen von Prozessen mit zuvor festgelegten Bezugswerten ermöglichen. Zu beachten ist beim Benchmarking in der Schifffahrt, dass aufgrund der großen Unterschiede nur gleiche Schiffstypen sinnvoll miteinander verglichen werden können [56]. Der Benchmarking - Prozess ist in Abb. 14 dargestellt. Messdaten sammeln Überprüfung der Qualität der Messdaten Auswahl von KPIs Bestimmung von KPIs Festlegung von KPI - Zielwerten Vergleich aktueller KPIs mit Zielwerten Abweichung von Zielwerten Bewertung/Rating der Abweichung Abbildung 14: Benchmarking Prozess [56] Zunächst müssen KPIs entwickelt und Vergleichswerte definiert werden. Bei der Entwicklung der KPIs ist darauf zu achten, dass diese ein Minimum an Messdaten erfordern, aussagekräftig, eindeutig sowie kennzeichnend für den Schiffsbetrieb sind und eine Abhängigkeit von der Schiffsgröße aufweisen. 72

73 7 KPIs und Benchmarking Die benötigten Messdaten müssen erfasst und hinsichtlich ihrer Qualität überprüft werden. Als Datenquellen stehen für die Auswertung die allgemeinen Schiffskennzahlen, manuell und automatisch erfasste Messdaten von Reisen sowie unter Trial Design Bedingungen bestimmte Messdaten zur Verfügung. Um eine aussagekräftige Analyse der Energieeffizienz durchführen zu können, sollte die Auswertung unter Berücksichtigung von Standard - Referenzbedingungen erfolgen: - Designtiefgang - Service - Schiffsgeschwindigkeit - Brennstoffart - Trial Design Bedingungen Die Festlegung von Zielwerten kann anhand von Messdaten unter Trial Design Bedingungen, Vergleichen zwischen Schwesterschiffen oder der Zustände vor und nach dem Docken erfolgen. Eventuelle Abweichungen von Messdaten und Zielwerten müssen interpretiert und analysiert werden [56]. Ein Bewertungsschema der Abweichungen von den definierten Zielwerten ist sinnvoll, sofern die Bandbreite dieser Abweichungen aufgrund einer großen Datenlage bekannt ist. Zum Zeitpunkt der Erstellung dieser Arbeit ist die erforderliche Datenlage noch nicht vorhanden. 7.2 Nutzen von KPIs und Benchmarks Ziel der Bildung von KPIs und Benchmarks ist es die Energieeffizienz des Schiffbetriebs anhand dieser Indikatoren analysieren und vergleichen zu können. Um alle Beteiligten in den SEEMP Prozess zu integrieren, werden KPIs für verschiedene Zielgruppen und Zeiträume entwickelt. Unterschieden wird zwischen KPIs für das Bordpersonal und für das Management an Land zur Analyse der kurz-, mittel- und langfristigen Energieeffizienz des Schiffbetriebs. Um das Energiebewusstsein der Mannschaft zu schärfen, werden KPIs entwickelt, welche die momentane Energieeffizienz verschiedener Bereiche des Schiffes anzeigen. Diese KPIs dienen dem Bordpersonal unter anderem als direkte Rückmeldung auf die energetischen Auswirkungen ihrer Handlungen. Weiterhin werden KPIs eingeführt, die sowohl Mannschaft als auch Management einen Überblick über die Energieeffizienz einer ganzen Reise verschaffen und 73

74 7 KPIs und Benchmarking anhand derer die Energieeffizienz mit der von Schwesterschiffen verglichen werden kann. Vergleiche der Brennstoffverbräuche von Schwesterschiffen, die auf der gleichen Seeroute verkehren, hat gezeigt, dass der Verbrauch um bis zu 10 % voneinander abweichen kann [57]. Des Weiteren können anhand von KPIs und Benchmarks neue Energieeinsparmaßnahmen definiert und deren wirtschaftlicher Nutzen analysiert werden. 7.3 KPIs und Benchmarking für den Bordbetrieb Für den Bordbetrieb sollten KPIs eingeführt werden, die sowohl den momentanen energetischen Zustand als auch dessen Entwicklung über den Verlauf der Reise darstellen, um das Bordpersonal trotz Schichtwechseln bei kritischen Entwicklungen zu alarmieren. Das Schiff wird in verschiedene Energiebereiche unterteilt, für die jeweils KPIs festgelegt werden: Hauptmaschine Hilfsdiesel Hilfskessel Durch diese Aufteilung erhält das für den jeweiligen Energiebereich zuständige Bordpersonal eine individuelle Rolle in der Zielsetzung den Energieverbrauch zu senken und soll durch die direkte Rückmeldung über die Auswirkungen ihres Handelns zusätzlich motiviert werden energieeffizient zu handeln Fahrtenergie Der Brennstoffverbrauch der Hauptmaschine wird in Tonnen/Seemeile, Euro/Seemeile, Tonnen/Stunde, Tonnen/Tag sowie als spezifischer Brennstoffverbrauch in g/kwh dargestellt. KPI 1 = m HM D in t / sm (7.1) 74

75 7 KPIs und Benchmarking KPI 2 = Euro D in Euro / sm (7.2) KPI 3 = m HM t in t / h (7.3) KPI 4 = m HM t in t / 24h (7.4) KPI 5 = m HM = m HM =b P B P e,real/hm in g / kwh (7.5) D η S Durch diese Darstellung erhält die Schiffsführung einen Überblick wie sich zum Beispiel eine Trimm-, Geschwindigkeits- oder Kursänderung auf den Verbrauch auswirkt. Die Angabe der Brennstoffkosten in Euro pro Seemeile soll der Schiffsführung anschaulich die Bedeutung der Einsparung von Brennstoff darlegen und einen zusätzlichen Ehrgeiz erwecken, so sparsam wie möglich zu fahren. In schwerem Seegang muss die Schiffsgeschwindigkeit reduziert werden. Die KPIs können dabei helfen die optimale Geschwindigkeit zu finden. Der spezifische Brennstoffverbrauch ist eine Kennzahl zur Bewertung der Motoreffizienz. Ein Anstieg des spezifischen Brennstoffverbrauchs der Hauptmaschine kann verschiedene Ursachen haben. Um allgemein den Zustand der Hauptmaschine zu beschreiben, wird ein Bechmark eingeführt, das die prozentuale Abweichung der gemessenen spezifischen Brennstoffverbräuche von den Prüfstandswerten in Abhängigkeit von der Wellenleistung ermittelt. Bench 1 = b e,real (P D ) b e,testbench (P D )/ in % (7.6) Bordenergie Für jeden Hilfsdiesel soll der spezifische Brennstoffverbrauch in g/kwh sowie der Brennstoffverbrauch in Tonnen/Stunde angezeigt werden. KPI 6 =b e,real/hd in g / kwh (7.7) 75

76 7 KPIs und Benchmarking KPI 7 = m HDi t in t / h (7.8) Weiterhin wird die Darstellung des Gesamtverbrauchs aller Hilfsdiesel empfohlen: KPI 7 = m HDi t in t / h (7.9) KPI 8 = m HD t in t / 24h (7.10) Es werden bewusst einfache KPIs und Benchmarks für den Bordbetrieb eingeführt, um die Überwachung der Energieeffizienz an Bord zu etablieren. Längerfristig können auch aufwendigere Kennzahlen, die im folgenden Kapitel 7.4 KPIs und Benchmarking zur Auswertung einer Reise beschrieben werden, Einzug in den täglichen Bordbetrieb finden. 7.4 KPIs und Benchmarking zur Auswertung einer Reise Zunächst werden KPIs eingeführt, die eine grobe Bewertung der Energieeffizienz ermöglichen. Im Anschluss werden diese KPIs für eine genauere Analyse weiter aufgeschlüsselt KPIs zur Bewertung der Energieeffizienz Die Leistungskennzahl Ship Energy Intensity (SEI) bestimmt die verbrauchte Energie pro transportierte Tonne und Seemeile [56]: SEI= E ges D in kj / t-sm (7.11) Bei dem SEI wird die gesamte Verdrängung betrachtet und nicht zwischen Payload, Bunker und Stores, Ballastwasser und dem Leerschiffsgewicht unterschieden. Der SEI wird daher modifiziert, sodass der Energiebedarf pro transportierte Tonne Ladung und Seemeile dargestellt wird: KPI I = E ges m Cargo D in kj / t-sm (7.12) 76

77 7 KPIs und Benchmarking Damit charakterisiert dieser KPI I die Effizienz der Transportleistung. Der Propulsion Energy Intensity (PEI) Indikator beschreibt die Wellenleistung pro transportierte Tonne und Seemeile [56]. PEI= P D D in kw / t-sm (7.13) Durch den PEI wird demnach dargestellt, wie effektiv die Wellenleistung genutzt wird und ob das Schiff hydrodynamisch günstig ist KPIs zur Bewertung der CO 2 Emissionen Um einen einfachen Überblick über die CO 2 Emissionen zu erhalten, wird ein Transportindex eingeführt, der den CO 2 Ausstoß auf die Verdrängung und zurückgelegte Distanz bezieht [58]: Index= j FC j C Fj D in gco 2 / t-sm (7.14) Dieser CO 2 - Index kann auch auf die Zeit bezogen werden (gco 2 /Stunde/(Verdrängung in Tonnen x Geschwindigkeit) [58]: Index= j FC j C Fj t v in gco 2 / h-kn-t (7.15) Der EEOI beschreibt die Effizienz der Transportleistung anhand des CO 2 - Ausstoßes und charakterisiert somit die Umweltfreundlichkeit des Transports. Der CO 2 - Ausstoß ist proportional zum verbrauchten Brennstoff. EEOI= j FC j C Fj m Cargo D in gco 2 / t-sm (7.16) Der KPI I unterscheidet sich vom EEOI nur dadurch, dass der Energieverbrauch anstelle der CO 2 Emissionen betrachtet wird. 77

78 7 KPIs und Benchmarking Kritik am KPI I und EEOI: KPI I und EEOI variieren mit der Auslastung der Ladekapazität und sind damit stark konjunkturabhängig. Der Einfluss der Zusatzwiderstände und Umgebungsbedingungen bleibt unberücksichtigt. Die Ladungszusammensetzung wie z.b. die Anzahl geladener Kühlcontainer wird nicht erfasst. Die Schiffsgeschwindigkeit bleibt unberücksichtigt. Der Energieverbrauch hängt unter anderem davon ab, ob sich das Schiff auf See, in Revierfahrt oder im Hafen befindet. Um Schiffe, die auf unterschiedlichen Fahrtgebieten verkehren, sinnvoll vergleichen zu können, muss daher dieser Einfluss berücksichtigt werden. Auf See ist der Brennstoffverbrauch der Hauptmaschine und dadurch der Gesamtverbrauch am größten, da dort die Geschwindigkeit am höchsten ist. Der Verbrauch der Hilfsdiesel ist während der Revierfahrt am höchsten, da zusätzliche Leistung für Verbraucher wie Bug- und Heckstrahler benötigt wird, um ausreichende Manövrierfähigkeit vorzuhalten. Durch Unterscheidung von Hafen, See- und Revierfahrt werden diese Effekte berücksichtigt und somit die Grundlage für einen aussagekräftigeren Vergleich zwischen einzelnen Reisen und Schwesterschiffen geschaffen. Der KPI II bestimmt jeweils die Energiemenge, die benötigt wird, um in der Revierfahrt bzw. auf See eine Tonne Ladung eine Seemeile zu transportieren: KPI II = E See/Revier m Cargo D in kj / t-sm (7.17) Diese Unterscheidung ermöglicht einen genaueren Vergleich der Energieperformance von Containerschiffen, die auf unterschiedlichen Routen verkehren. Weiterhin kann der Nutzen von Energieeinsparmaßnahmen, die beispielsweise besonders auf See Wirkung zeigen, durch die Isolation von der Revierfahrt und Hafenliegezeit genauer analysiert werden. 78

79 7 KPIs und Benchmarking Die weitere Separierung des Energieverbrauchs in die Anteile von Hauptmaschine, Hilfsdiesel und Hilfskessel ermöglicht eine Bewertung des energieeffizienten Verhaltens der Besatzungen sowie die Analyse von Energieeinsparmaßnahmen, die speziell die Fahrt- oder Bordenergie betreffen. KPI III = E HM,See/Revier m Cargo D in kj / t-sm (7.18) KPI IV = E HD,See/Revier/Hafen m Cargo D in kj / t-sm (7.19) Der Energiebedarf der Hauptmaschine ist stark abhängig von der Schiffsgeschwindigkeit. Um die Energieeffizienz einer Rundreise zu bewerten, kann für jeden Reiseabschnitt die verbrauchte Energie pro transportierte Tonne und Strecke zusätzlich durch die Reisedauer in Stunden geteilt werden. Diese Werte werden aufsummiert. Damit erhält man für eine Rundreise den durchschnittlichen Energiebedarf pro Stunde, um eine Tonne Ladung eine Seemeile zu transportieren. KPI V = E HM,See/Revier t m Cargo D in kj / t-sm-h (7.20) 79

80 7 KPIs und Benchmarking Benchmark zur Bewertung des Zustands der Hauptmaschine In Kapitel 7.3 KPIs und Benchmarking für den Bordbetrieb wurde mit Bench 1 bereits ein Benchmark eingeführt, das ebenfalls für die Auswertung einer gesamten Reise interessant ist. Bench I = b e,real (P D ) b e,testbench (P D )/ in % (7.21) Sofern Umgebungstemperatur, Umgebungsdruck und Heizwert bekannt sind, kann deren Einfluss auf den Anstieg des spezifischen Brennstoffverbrauchs näherungsweise bestimmt werden. Eine genauere Berechnung des Anstiegs des spezifischen Brennstoffverbrauchs bedingt die Messung von Ladelufttemperatur, Ansauglufttemperatur und Ansaugluftdruck. Der prozentuale Anstieg des spezifischen Brennstoffverbrauchs infolge eines von den ISO - Bedingungen abweichenden Heizwertes beträgt: b e,heizwert =100- H U,real kj kg 100 in % (7.22) Für Schweröl mit einem Heizwert von kj/kg beträgt der zusätzliche Brennstoffverbrauch beispielsweise 6,32 %. Unter der vereinfachten Annahme, dass ein linearer Zusammenhang zwischen spezifischen Brennstoffverbrauch und Seewassertemperatur besteht, kann ein Anstieg des spezifischen Brennstoffverbrauchs aufgrund zunehmender Seewassertemperatur gegenüber den ISO Bedingungen wie folgt bestimmt werden: b e,seewassertemp. =t Seewasser C-25 C 0,041% in % (7.23) Für den Einfluss der Umgebungslufttemperatur gilt analog: b e,lufttemp. =t Luft +3 C-25 C 0,071% in % (7.24) Der Luftdruck verändert den spezifischen Verbrauch wie folgt: 80

81 7 KPIs und Benchmarking b e,luftdruck =1.000mbar-p Luft mbar 0,005% in % (7.25) Durch Isolation der Einflüsse von Heizwert und Umgebungsbedingungen auf den Brennstoffverbrauch kann die Abweichung von den Prüfstandswerten und damit der Zustand der Hauptmaschine genauer bewertet werden. Bench II =: b e,real (P D -b e,heizwert-b e,umgebungsbedingungen ; -100 in % (7.26) b e,testbench (P D )/100 In dieser Formel bleiben jedoch die hohen Schwankungen der Schwerölqualität und damit die unterschiedlichen Zünd- und Brenneigenschaften unberücksichtigt. Die Abbildungen 15 und 16 zeigen die hohen Schwankungen der Brennstoffqualität von Schweröl bezüglich der Zünd- und Brenneigenschaften in Abhängigkeit von der Viskosität, dem Bunkerzeitpunkt und Bunkerort. Die dargestellten Messergebnisse basieren auf folgendem Messaufbau: Der Brennstoff wird in eine zuvor auf 500 C erhitzte Brennkammer konstanten Volumens eingespritzt. In der Brennkammer herrscht ein Druck von 45 bar. Der bei der Entzündung auftretende Druckanstieg wird gemessen. Diese Messdaten werden an einen Computer zur Auswertung übermittelt. Aus 25 verschiedenen Injektionen wird jeweils der Mittelwert bestimmt [59]. Abbildung 15: Verbrennungsdruck verschiedener Brennstoffe [4] 81

82 7 KPIs und Benchmarking Abbildung 16: Wärmefreisetzungsrate verschiedener Brennstoffe [4] Farbskala Gelb: Bunker von Hamburg, 15. März 2007, 380 cst Braun: Bunker von Hamburg, 15. März 2007, 380 cst Grün: Bunker von Tg Pelepas, 25. Feb. 2007, 380 cst Rot: Bunker von Rotterdam, 25. November 2006, 380 cst Schwarz: Bunker von Rotterdam, 25. November 2006, 500 cst Grau: Bunker von Rotterdam, 22. März 2007, 380 cst Blau: Bunker von Rotterdam, 23. Januar 2007, 500 cst cst = Viskosität in mm 2 / s Der genaue Einfluss der Zünd- und Brennstoffeigenschaften auf den Brennstoffverbrauch sind derzeit noch unbekannt. Für Marine Diesel Öl liefern Bench I und II genauere Ergebnisse, da die Schwankungen in der Brennstoffqualität deutlich geringer sind. Für die Bewertung der Zustände der Hilfsdiesel kann analog vorgegangen werden. 82

83 7 KPIs und Benchmarking Benchmark zur Bewertung der optimalen Betriebspunkte der Dieselmotoren Im Folgenden soll untersucht werden, ob Hauptmaschine und Hilfsdiesel in einem günstigen Betriebspunkt arbeiten. Der optimale Betriebspunkt der Hauptmaschine des TEU Containerschiffs liegt bei circa 75 % Maximum Continuous Rating (MCR). Dies entspricht einer Wellenleistung von kw. Dort ist der spezifische Brennstoffverbrauch am niedrigsten. Abbildung 17: Spezifischer Brennstoffverbrauch des TEU Containerschiffs [4] Mit Benchmark III wird die Abweichung der gemessenen Wellenleistung von der optimalen Wellenleistung bei 75 % MCR bestimmt. Die Anwendung dieses Benchmark ist nur für die Betrachtung der Seefahrt sinnvoll, da im Revier die Geschwindigkeit begrenzt ist und entsprechend die Wellenleistung deutlich niedriger ist. 75 % MCR Bench III = (1- P D,Gemessen P D,Optimal ) 100 in % (7.27) Durch Betrieb der Hauptmaschine im optimalen Betriebspunkt wird nicht der niedrigste Gesamtverbrauch erzielt. Um den ansteigenden Brennstoffkosten entgegenzuwirken werden Schiffe gegenwärtig häufig deutlich unterhalb des 83

84 7 KPIs und Benchmarking optimalen Betriebspunkts betrieben. Mit einer solchen Reduzierung der Dienstgeschwindigkeit, die auch als Slow Steaming bezeichnet wird, werden hohe Brennstoffeinsparungen erzielt. Eine Auswertung der in der Praxis auftretenden Abweichungen von dem optimalen Betriebspunkt kann jedoch bei der Auswahl der vorzuhaltenden Maschinenleistung für Neubauten genutzt werden sowie für den Fall bereits gebauter Schiffe als Bewertung des Nutzens von Nachrüstungen zur Energieeinsparung hinzugezogen werden. Die Motorenhersteller bieten beispielsweise Systeme an, die den Lastbereich der Hauptmaschine erweitern, wodurch der spezifische Brennstoffverbrauch gesenkt werden kann. An Bord des TEU Containerschiffs sind vier Hilfsdiesel vom Hersteller Wärtsilä und Typ 6R32 installiert, deren Leistung je kw beträgt. Der optimale Betriebspunkt liegt bei 85 % der Nennleistung [60]. Durch Benchmark IV wird die Abweichung der Leistung von dem optimalen Betriebspunkt bestimmt. In der Praxis betreiben die Ingenieure an Bord die Hilfsmotoren sehr unterschiedlich. So werden häufig mehr Motoren betrieben als notwendig, um Redundanz vorzuhalten. Benchmark IV kann zur Bewertung des energieeffizienten Umgangs durch verschiedene Besatzungen dienen. Zudem können die Ergebnisse für die optimale Dimensionierung der Hilfsdiesel für Neubauten genutzt werden. Bench IV = (1- P Eff,Gemessen P Eff,Optimal ) 100 in % (7.28) 84

85 7 KPIs und Benchmarking Benchmark zur Bewertung der Abweichung der vom Charterer festgelegten Geschwindigkeit von der gemessenen Geschwindigkeit Anhand eines weiteren Benchmarks soll die Abweichung der vom Charterer festgelegten Geschwindigkeit mit der gemessenen Geschwindigkeit bestimmt werden. Dadurch wird überprüft, wie genau sich die Mannschaft an die Vorgaben des Charterers gehalten hat. Bench V =(1- v Gemessen v Charterer ) 100 in % (7.29) Benchmark zur Bewertung des Zylinderschmierölverbrauchs Für die Erzeugung des Vortriebs werden auf großen Containerschiffen Zweitakt - Dieselmotoren eingesetzt, die ohne zwischengeschaltetes Getriebe den Propeller direkt antreiben. Aufgrund des niedrigeren Drehzahlbereichs und der daraus resultierenden geringeren Reibungsverluste weisen Zweitaktmotoren einen höheren Wirkungsgrad und einen niedrigeren spezifischen Kraftstoffverbrauch auf als Viertaktmotoren. Zweitaktmotoren verfügen im Gegensatz zu Viertaktmotoren über einen gesonderten Schmierölkreislauf für die Zylinderschmierung. Daher ist die Analyse des Zylinderschmierölverbrauchs nur für die Hauptmaschine relevant. Das Zylinderschmieröl wird über Bohrungen der Zylinderlauffläche zugeführt und schmiert und säubert die Buchsen und Kolben [26]. Die Basenzahl BN des Zylinderschmieröls beeinflusst die Korrosion der Oberfläche der Zylinderlaufbuchsen. Je höher die Basenzahl des Zylinderschmieröls, desto mehr Säure kann neutralisiert werden. Die Basenzahl darf jedoch nicht zu hoch gewählt werden, da sonst die Gefahr besteht, dass die Zylinderlauffläche poliert wird und damit nicht ausreichend viel Reibung für die Bildung eines Schmierölfilms auftritt. Die Hauptmaschine des TEU Containerschiffs wurde mit dem Alpha Adaptive Cylinder Oil Control (Alpha ACC) System des Herstellers MAN B&W nachgerüstet. Das Alpha ACC System verspricht eine Reduzierung des Zylinderölschmierölverbrauchs und des Verschleiß sowie längere Wartungsperioden. Überhöhte Schmierraten, die in Vergangenheit häufig als Vorsichtsmaßnahme eingestellt wurden, führten nicht nur zu höheren Ausgaben für Schmieröl, sondern auch zu hohem Verschleiß durch übermäßigen Rußniederschlag. Durch hohe 85

86 7 KPIs und Benchmarking Schmierraten steigt zudem der Anteil an sichtbaren Rauch. Die optimale Schmierrate ist Untersuchungen zu Folge proportional zum Leistungsbereich und abhängig vom Schwefelgehalt des Brennstoffs. Eine optimale Schmierrate minimiert die Abnutzung der Zylinder. Das elektronisch kontrollierte Alpha ACC System versorgt die Zylinder in Abhängigkeit von deren Position periodisch alle zwei bis zwanzig Wellenumdrehungen mit einer bestimmten Menge an Schmieröl [61], [62]. Abb. 22 zeigt die Schmierraten in Abhängigkeit der Basenzahl BN. Abbildung 18: Zylinderschmierölrate in Abhängigkeit von der Basenzahl [61] Die Grundeinstellung der Zylinderschmierölrate für Zylinderöl mit einer Basenzahl von BN70 erfolgt gemäß der Formel 0,20 kwh S g in % (7.30) wobei die Mindesteinstellung bei einem Schwefelgehalt < 3 % 0,60 g/kwh beträgt [61]. Der Zusammenhang zwischen Wellenleistung P D und der Leistung am Abtriebsflansch P B wurde bereits erläutert: P B = P D η S = P D 0,99 in % (7.31) Der gemäß Herstellerangaben maximal zu erwartende Zylinderschmierölverbrauch beträgt demnach für Schmieröl vom Typ BN70: 86

87 7 KPIs und Benchmarking Wenn P D 0,25 0,99 0,2 S >0,60 </=>h (7.32) m Zylinderöl/Hersteller = P D 0,25 0,99 0,2 S in t (7.33) Wenn P D 0,25 0,99 0,2 S ,60 g/kwh m Zylinderöl/Hersteller = P D 0,25 0,99 0, in t (7.34) Die 0,25 h berücksichtigen, dass die automatischen Messwerte alle 15 min aufgezeichnet werden. Mit dem Benchmark VI wird geprüft, wie sehr der tatsächliche Verbrauch von den Angaben des Herstellers abweicht. Bench VI =100- m Zylinderöl/Hersteller m Zylinderöl/Gemessen /100 in % (7.35) Hilfskessel Der Hilfskessel wird eingeschaltet, wenn der Abgaskessel nicht ausreichend viel Dampf für das Dampfsystem produziert. Dieser Fall tritt ein, wenn die Maschine bei sehr geringer Leistung betrieben wird oder sogar still steht und dadurch keine ausreichende Abgasmenge für die Dampferzeugung produziert. Benchmark VII stellt den prozentualen Anteil der vom Hilfskessel verbrauchten Energie zum gesamten Energiebedarf der Reise dar. Er kann dienen verschiedene Reisen, Besatzungen oder Schwesterschiffe zu vergleichen. Bench VII = E Hilfskessel E Ges 100 in % (7.36) Einfluss der Zusatzwiderstände Die Wellenleistung P D ist abhängig von der Schiffsgeschwindigkeit v, dem Schiffswiderstand R T sowie dem Propulsionsgütegrad η D : 87

88 7 KPIs und Benchmarking P D = R T v η D in kw (7.36) Durch ein Benchmark soll dargestellt werden, wie hoch der Einfluss der Zusatzwiderstände gegenüber dem Zustand unter Trial Design Bedingungen ist. Der Propulsionsgütegrad wird mit einer Näherungsformel berücksichtigt [29]. 1 2 η D =0,885-0,00012 n L PP (7.37) Für jede gemessene Schiffsgeschwindigkeit wird die zugehörige Wellenleistung mit der Wellenleistung aus dem Speed-Power-Diagramm unter Trial Design Bedingungen ins Verhältnis gesetzt. Der Differenz zwischen diesen Leistungen wird in % ausgedrückt. Bench VIII = P D (v) real P D (v) SeaTrial / in % (7.38) Einfluss der Rauhigkeit Für den Fall, dass die Zusatzwiderstände durch Kurshalten, Driften und Meeresströmungen für einen bestimmten Messbereich vernachlässigt werden können, da die Abweichungen zwischen Geschwindigkeit über Grund und Geschwindigkeit über Wasser < 3 % sind, gilt für die Summe aus Glattwasserwiderstand und Rauhigkeitswiderstand: R T,Rauhigkeit =R T,Gemessen -(R Wind +R Seegang +R Tiefgang+Trimm ) in kn (7.39) Die prozentuale Zunahme des Rauhigkeitswiderstands verglichen zum werftneuen, bewuchsfreien Rumpf beschreibt das Bench IX : Bench IX =100- R T,TrialDesign R T,Rauhigkeit /100 in % (7.40) 88

89 7 KPIs und Benchmarking Analyse des effizienten Einsatzes der Bordenergie Durch Berücksichtigung der Anzahl an Kühlcontainern kann aus Benchmark VIII geschlossen werden, wie effizient die Besatzung mit der Bordenergie umgeht und welchen Nutzen eine Energieeinsparmaßnahme tatsächlich hat. KPI VI = E HD,See/Revier-E Kühlcontainer m Cargo D in kj / t - sm (7.41) Benchmark zur Bewertung der Ladungsauslastung Um die Auslastung der Ladekapazität in % zu beurteilen, wird die Anzahl an transportierten vollen Containern in Bezug zu der Designladekapazität gesetzt. Durch dieses Benchmark IX können Konjunkturschwankungen, die Auslastung einzelner Schiffe und Routen sowie der gesamten Flotte analysiert werden. Bench X = Anzahl Container Transportiert max. Anzahl Container 100 in % (7.42) 89

90 7 KPIs und Benchmarking SEI = E FBL H Brennstoffenergie gesamt PSTUV = WX Y Y X ZY H _US`h l = msnohp XqSrosSUt ued^lvgekkbek 100 ov. msnohp XqSrosSUt PEI = P M H m HM+m HD+m HK PSTUV = WX Y Y X ZY t [ _US`h R = (1 [ cb~bllb^ [ CiDEkBEBE 100 E FBL = CDEFG H QQ\P = WX Y Y X ZY CDEFG H See m HM+m HD+m HK E ABB = CDEFG H Revier m HM+m HD+m HK E IBJKBE = CDEFG H Hafen m HM+m HD+m HK _US`h R@ = 100 z{ak^ BEöa/BELkBaaBE z{ak^ BEöa/cB~BLLB^/100 x u,uekdamblkf^ = 100 x u,idyikfbbkk /100 HM m HM,See HD m HD,See HK m HK,See HM m HM,Revier HD m HD,Revier HK m HK,Revier HD m HD,Hafen HK m HK,Hafen = Q,ABB CDEFG H Q M,ABB = CDEFG H _US`h R@@ = Q Ka]LbBLLBa Q cbl 100 = Q,IBJKBE CDEFG H = Q M,IBJKBE CDEFG H _US`h R@@ = Q Ka]LbBLLBa Q cbl 100 = Q M,D]B^ CDEFG H _US`h R@@ = Q Ka]LbBLLBa Q cbl 100 O NOP R@ = Q M ([ EBDa M,ABB Q güiajg^kdk^be _US`h R@@@ = O M ([ ABDuEKDa / O M ([ EBDa _US`h CDEFG H R@@@ = O M ([ ABDuEKDa / NOP R@ = Q M,IBJKBE Q güiajg^kdk^be CDEFG H NOP R@ = Q M,IBJKBE Q güiajg^kdk^be CDEFG H b B,EBDa (O M = B,uBLkB^ji (O M / = (1 O ]],cb~bllb^ O ]],ˆvkK~Da 100 = (1 O ]],cb~bllb^ O ]],ˆvkK~Da 100 = (1 O ]],cb~bllb^ O ]],ˆvkK~Da 100 = b B,EBDa (O M B,BK ƒbek B, ~FB y^fl B K^Fy^FB^ B,uBLkB^ji (O M / Abbildung 19: Übersicht KPIs 90 = (1 O M,cB~BLLB^ O M,ˆvkK~Da 100

91 8 Auswertung der Messdaten 8 Auswertung der Messdaten Die Auswertung der Messdaten erfolgt mit der Energiemonitoring Software JEVIs der Envidatec GmbH und Microsoft Excel. Es stehen keine automatischen und manuellen Datensätze einer kompletten Rundreise zur Verfügung. Für die Atlantiküberquerung von Le Havre nach Charlston sind jedoch automatische Messdaten von zwei Fahrten für eine Auswertung vorhanden. Weiterhin wird ein Reiseabschnitt von Bremerhaven bis Charlston analysiert, für den sowohl manuelle als auch automatische Messdaten vorliegen. 8.1 Vorbereitungen für die Auswertung Für die Bestimmung der KPIs und Benchmarks müssen vorab einige unbekannte Parameter bestimmt werden Verdrängung Messdaten für die Verdrängung liegen nicht vor. Die Tiefgänge am vorderen und hinteren Lot werden jedoch erfasst. Daher wird anhand der Daten aus den Hydrostatischen Tabellen für das TEU Containerschiff eine Gleichung entwickelt, die den Zusammenhang zwischen mittleren Tiefgang in m und Verdrängung in t in Salzwasser beschreibt. Es wird hierfür ein linearer Zusammenhang zwischen Tiefgängen und Verdrängung angenommen. Für den Tiefgangsbereich von T M = 7,879 m bis T M = 14,979 m sind die zugehörigen Verdrängungen V in Abb. 20 dargestellt. Für diesen Bereich gilt: V=9234 T M in t (8.1) Die mittlere Abweichung der durch diese Gleichung bestimmten Werten von den Messwerten aus den Hydrostatischen Tabellen beträgt 0,66 %. 91

92 8 Auswertung der Messdaten Verdrängung in t in Seewasser y = 9234x Mittlerer Tiefgang in m Abbildung 20: Zusammenhang zwischen mittleren Tiefgang und Verdrängung des TEU Containerschiffs Für den Reiseabschnitt von Bremerhaven bis Charlston liegen die mittleren Tiefgänge in dem Bereich von T M = 9,325 m bis T M = 12,7 m vor. Dieser Bereich wird genauer beschrieben durch die Gleichung: V=9162,9 T M in t (8.2) Unter Verwendung dieser Formel ergibt sich ein mittlerer Fehler von 0,164 % im Vergleich zu linear interpolierten Werten aus den Hydrotatischen Tabellen. 92

93 8 Auswertung der Messdaten Verdrängung in t in Seewasser y = 9162,9x Mittlerer Tiefgang in m Abbildung 21: Zusammenhang zwischen mittleren Tiefgang und Verdrängung für einen Teilbereich des TEU Containerschiffs Speed - Power - Kurve für Designtiefgang unter Trial Design Bedingungen Für das TEU Containerschiff wurde von der Reederei NSB die Speed Trial Kurve zur Verfügung gestellt (siehe Anhang C). Für den Designtiefgang T D = 12 m werden die unter Trial Design Bedingungen bestimmten Geschwindigkeiten und zugehörigen Wellenleistungen ausgelesen. Zwischen der Wellenleistung in kw und der Geschwindigkeit in kn besteht ungefähr der folgende proportionale Zusammenhang [24]: P D ~v k+1 in t (8.3) Die Speed Power Kurve des TEU Containerschiffs kann näherungsweise beschrieben werden durch folgende Gleichung: P D =0,2408 v S 3,7184 in t (8.4) Der Betrieb der Hauptmaschine wird durch eine Mindestdrehzahl begrenzt. Durch zu geringe und unregelmäßige Einspritzmengen ist der Motorlauf unterhalb dieser Mindestdrehzahl instabil [25]. Bei Schiffsgeschwindigkeiten, die einen Betrieb unterhalb der Mindestdrehzahl erfordern würden, muss das Schiff geschleppt werden. Es werden daher nur Geschwindigkeiten ab 7 kn betrachtet, siehe Abb

94 8 Auswertung der Messdaten Unter Vernachlässigung der Auslesefehler ergibt sich mit dieser Formel für den betrachteten Bereich ein mittlerer Fehler von 3 % Wellenleistung in kw y = 0,2408x 3, Geschwindigkeit in kn Abbildung 22: Speed - Power - Ausgleichskurve für TEU Containerschiff Heizwerte Für die Berechnung des Energieverbrauchs werden die Heizwerte der verschiedenen Brennstoffsorten benötigt. Hauptmaschine und Hilfsdiesel werden überwiegend mit Schweröl (HFO) betrieben, das einen Schwefelgehalt von 3,5 % nicht überschreiten darf. In bestimmten Fahrtgebieten, die als Emission Control Area (ECA) bezeichnet werden und zu denen zum Beispiel Nordsee, Ostsee, und Ärmelkanal zählen, dürfen Schiffe nur noch mit Schweröl mit einem Schwefelgehalt < 1 %, sogenanntem Low Sulphur HFO, betrieben werden. Weiterhin dürfen in allen europäischen Häfen nur noch Marinedieselöle (MDO) mit einem Schwefelgehalt < 0,1 % eingesetzt werden. In den außereuropäischen Häfen, die in dem Fahrtgebiet des TEU Containerschiffes liegen, dürfen Hilfsdiesel und Hilfskessel mit Schweröl betrieben werden [4]. Für Low Sulphur HFO wurde der Heizwert in den manuellen Daten erfasst und beträgt kj/kg. Die Heizwerte von Schweröl und Marinedieselöl sind 94

95 8 Auswertung der Messdaten unbekannt und werden abgeschätzt. Für HFO wird ein Heizwert von kj/kg und für MDO ein Heizwert von kj/kg angenommen. 8.2 Auswertung der Atlantiküberquerung Im Folgenden sollen die beiden unterschiedlichen Routen von Le Havre nach Charlston hinsichtlich ihrer Energieeffizienz analysiert werden. Für die Auswertung werden unter anderem die zuvor eingeführten KPIs und Benchmarks verwendet. Tabelle 16: Messdaten für zwei Atlantiküberquerungen des TEU Containerschiffs Zeit Reise Hafen Datum UTC 1 2 Abfahrt :14 Le Havre Ankunft :59 Charlston Abfahrt :55 Le Havre Ankunft :10 Charlston Verbrauch Distanz Dauer ØGeschw. HM in sm in h in kn in t in t/sm ,75 17, , ,25 17, ,263 Reise 1: 3768 sm Reise 2: 3738 sm Abbildung 23: Routen von zwei Atlantiküberquerungen des TEU Containerschiffs [63], [64] 95

96 8 Auswertung der Messdaten Bei der Atlantiküberquerung wird die Steuerung in der Regel vom Trackpilot übernommen. Der Trackpilot ermöglicht unter Vorgabe einzelner Wegpunkte die Beschreibung ganzer Routen, die dann vom Schiff selbstständig abgefahren werden. Damit bietet er einen Vorteil gegenüber zum Autopiloten, wo lediglich Start- und Zielkoordinate festgelegt werden können. Das Abdriften vom Kurs wird durch einen Abgleich der Soll - und Ist - Position und entsprechendem Gegensteuern automatisch durch den Trackpilot korrigiert. Die beiden Routen weichen sichtbar voneinander ab. Im Folgenden wird analysiert, welche der beiden Routen günstiger ist [4]. Der Brennstoffverbrauch der Hauptmaschine pro Seemeile auf Reise 1 ist um 2,59 % höher als der Verbrauch auf Reise 2. Dieser Mehrverbrauch kann aus einer höheren Schiffsgeschwindigkeit, höheren Zusatzwiderständen, ungünstigeren Umgebungsbedingungen, niedrigerer Brennstoffqualität sowie einem schlechteren Zustand der Hauptmaschine resultieren. Die Unterschiede im Verbrauch können auch saisonal bedingt sein. Daher ist ein Vergleich der Verbräuche HM / Seemeile zunächst wenig aussagekräftig und bedarf einer intensiveren Analyse Geschwindigkeit Die durchschnittliche Geschwindigkeit über Grund beträgt für beide Reisen circa 17 Knoten und unterscheidet sich lediglich um 0,12 %. Alle 72 Stunden wird der Motor auf circa 90 % MCR hochgefahren, um Rußpartikel aus den Kesseln zu blasen. Diese Vorgang wird als Rußblasen bezeichnet. Eine Ansammlung von Rußpartikeln verschlechtert die Wärmeübertragung und stellt eine Brandgefahr dar. Bei einer genauerer Untersuchung der Geschwindigkeitverläufe (Abb. 24 und 26) ist jedoch zu erkennen, dass auf Reise 1 die ersten zwei Tage eine Geschwindigkeit unterhalb von 15 kn und daraufhin eine Geschwindigkeit von circa 19 kn eingestellt wurde. Zu Beginn der Reise 2 wurde eine Geschwindigkeit von 22 kn eingestellt. Anschließend beträgt die durchschnittliche Schiffsgeschwindigkeit circa 17 kn. Abb. 25 und Abb. 27 zeigen den zugehörigen Brennstoffverbrauch der Hauptmaschine sowie den Verbrauch der Hilfsdiesel. Deutlich zu erkennen ist die Abhängigkeit des Brennstoffverbrauchs der Hauptmaschine von der Schiffsgeschwindigkeit. 96

97 8 Auswertung der Messdaten Reise 1 Abbildung 24: Schiffsgeschwindigkeit auf erster Atlantiküberquerung Rußblasen Reise 1 Abbildung 25: Brennstoffverbrauch auf erster Atlantiküberquerung Reise 2 Abbildung 26: Schiffsgeschwindigkeit auf zweiter Atlantiküberquerung 97

98 8 Auswertung der Messdaten Rußblasen Reise 2 Abbildung 27: Brennstoffverbrauch auf zweiter Atlantiküberquerung Die Fahrweise wirkt sich demnach entscheidend auf den Verbrauch aus. Die Schiffsgeschwindigkeit wird vom Charterer festgelegt. Der Kapitän stellt diese Schiffsgeschwindigkeit über die Drehzahl ein. Dadurch ist der Kapitän in seinen Möglichkeiten energieeffizient zu fahren sehr eingeschränkt Analyse der Fahrweise bezüglich der Energieffizienz Es wird empfohlen die Wellendrehzahl konstant zu halten anstatt die Schiffsgeschwindigkeit kontinuierlich über die Wellenleistung anzupassen [9], [65]. Um die Fahrweise des Kapitäns hinsichtlich der Energieeffizienz zu bewerten, wird daher die Drehzahl hinsichtlich ihrer Konstanz bewertet Abweichung von konstanter Drehzahl Für die beiden Seeabschnitte wird jeweils bestimmt, wie hoch die prozentuale Abweichung einer Drehzahl gegenüber dem vorherigen Wert ist. Aus der Summe der prozentualen Abweichungen wird die mittlere prozentuale Schwankung der Drehzahlen berechnet, die eine Aussage über die Konstanz des Fahrtbetriebs liefert. Für Reise 1 beträgt dieser Wert 0,89 % und für Reise 2 1,85 %. Demnach war die Fahrweise bezüglich der Konstanz der Drehzahl auf Reise 1 effizienter. 98

99 8 Auswertung der Messdaten Anwendung von KPIs In Abb. 28 ist der Propulsion Energy Intensity (PEI) Indikator für beide Reisen dargestellt, der die effektive Ausnutzung der Wellenleistung beschreibt. Demnach wurde auf Reise 1 mehr Wellenleistung benötigt, um eine Tonne eine Seemeile zu transportieren. Auf Reise 1 war die Tiefgangsmessung am hinteren Lot noch fehlerhaft. Um die Verdrängung gemäß Gleichung 8.1 und damit den PEI bestimmen zu können, müssen die Tiefgänge bekannt sein. Daher wird der Tiefgang am hinteren Lot auf Reise 1 mit dem durchschnittlichen Trimm auf Reise 2 und dem Tiefgangs am vorderen Lot auf Reise 1 abgeschätzt. 0,14 0,12 0,1 PEI in kw/t*sm 0,08 0,06 0,04 PEI 1 PEI 2 0, Reisezeit in h Abbildung 28: Propulsion Energy Intensity Indikator für zwei Atlantiküberquerungen Durch das folgende Benchmark wird dargestellt, wie sich die reale Wellenleistung jeweils von der Wellenleistung unter Trial Design Bedingungen prozentual unterscheidet. 99

100 8 Auswertung der Messdaten PD/PDTrial in % Reise 1 Reise Reisezeit in h Abbildung 29: P D / P DTrial für zwei Atlantiküberquerungen Auf Reise 1 ist die prozentuale Abweichung wie in Abb. 29 dargestellt streckenweise deutlich höher. Der Mehrverbrauch auf Reise 1 begründet sich demnach unter anderem aus den höheren Zusatzwiderständen. Die Zusatzwiderstände Wind und Seegang für beide Reisen sind in Abb. 30 dargestellt. Der mittlere Zusatzwiderstand durch Seegang und Wind betrug 136 kn auf Reise 1 und 131 kn auf Reise 2. Der durchschnittliche Zusatwiderstand auf Reise 1 war demnach um 3,8 % höher als auf Reise

101 8 Auswertung der Messdaten 4500,00 Zusatzwiderstände Wind und Seegang in kn 4000, , , , , , ,00 500,00 0,00-500, Reisezeit in h Reise 1 Reise 2 Abbildung 30: Zusatzwiderstände Wind und Seegang für zwei Atlantiküberquerungen Der Zusatzwiderstand durch Meereströmungen betrug auf Reise 1 durchschnittlich - 19,23 kn und auf Reise 2-6,58 kn. Die Zusatzwiderstände aufgrund von Meeresströmungen waren auf Reise 1 um knapp 300 % höher als auf Reise Widerstand durch Meeresströmungen in kn Reise 2 vms Reise 1 vms -400 Reisedauer in h Abbildung 31: Zusatzwiderstand durch Meeresströmungen für zwei Atlantiküberquerungen 101

102 8 Auswertung der Messdaten Die feinere Aufschlüsselung der Zusatzwiderstände kann wiederum für Wetterrouting genutzt werden. Abb. 32 zeigt den CO 2 Index für die beiden Atlantiküberquerungen CO2 Ausstoß in g/t*sm Reise 1 Reise Reisezeit in h Abbildung 32: CO 2 Ausstoß für zwei Atlantiküberquerungen Die durchschnittliche Abweichung des gemessenen spezifischen Brennstoffverbrauchs verglichen zum Brennstoffverbrauch unter ISO - Bedingungen beträgt auf beiden Reisen 7,47 %. Der höhere Brennstoffverbrauch auf Reise 1 resultiert demzufolge nicht aus deutlich unterschiedlichen Umgebungsbedingungen, Heizwerten, Brenn- und Zündeigenschaften des Brennstoffs oder einem veränderten Zustand der Hauptmaschine. Dennoch sollte die Entwicklung dieser Kennzahl weiterhin beobachtet und mit den Kennzahlen von Schwesterschiffen verglichen werden. 102

103 8 Auswertung der Messdaten Abbildung 33: Verhältnis aus gemessenem und theoretischem spezifischen Brennstoffverbrauch auf erster Atlantiküberquerung Abbildung 34: Verhältnis aus gemessenem und theoretischem spezifischen Brennstoffverbrauch auf zweiter Atlantiküberquerung 8.3 Auswertung eines Reiseabschnitts Es stehen keine automatischen und manuellen Datensätze einer Rundreise zur Verfügung. Daher wird in der folgenden Auswertung ein Reiseabschnitt betrachtet, für den sowohl manuelle als auch automatische Messdaten vorliegen. Tabelle 17: Ausgangshäfen und Zielhäfen eines Reiseabschnitts Datum Ausgangshafen Zielhafen Bremerhaven Le Havre Le Havre Charleston Charleston Savannah Savannah Port Everglades Port Everglades Freeport Freeport Veracruz Veracruz Altamira Altamira Houston 103

104 8 Auswertung der Messdaten Datum Ausgangshafen Zielhafen Houston New Orleans New Orleans Mobile Mobile Freeport Freeport Savannah Savannah Charleston Der betrachtete Reiseabschnitt ist in Abb. 35 dargestellt. Abbildung 35: Route eines Reiseabschnitts des TEU Containerschiffs [63], [64] Anwendung von KPIs Abb. 36 zeigt den Propulsion Energy Intensity (PEI) Indikator für den ausgewählten Reiseabschnitt. Abbildung 36: Propulsion Intensity Indikator für einen Reiseabschnitt 104

105 8 Auswertung der Messdaten Der durchschnittliche Energieverbrauch pro transportierte Tonne Ladung und Seemeile zwischen zwei Häfen ist Abb. 37 zu entnehmen. E ges /m cargo *D in kj/tsm 0,0007 0,0006 0,0005 0,0004 0,0003 0,0002 0, Hafen Abbildung 37: Energieverbrauch pro Tonne und Seemeile Die Energieeffizienz hängt eng mit der Auslastung der Ladekapazität in % zusammen, die in Abb. 38 dargestellt ist. Auf der Strecke von Veracruz nach Altamira war die Auslastung am geringsten, was sich auch in einem hohen Energieverbrauch pro transportierte Tonne Ladung und Seemeile äußert. Abbildung 38: Containerauslastung für einen Reiseabschnitt 105

106 Abb. 39 zeigt den EEOI für diesen Reiseabschnitt. Abbildung 39: EEOI für einen Reiseabschnitt Auch für diesen Reiseabschnitt beträgt die durchschnittliche Abweichung des gemessenen spezifischen Brennstoffverbrauchs verglichen zum Brennstoffverbrauch bei ISO - Bedingungen 7,47 %. Abbildung 40: Verhältnis aus gemessenem und theoretischem spezifischen Brennstoffverbrauch für Reiseabschnitt 106

107 8.3.2 Zylinderschmieröl Für den Zeitraum vom bis zum sind die realen Zylinderschmierölverbräuche in Form von manuellen Messdaten vorhanden. Der Verbrauch beträgt für diesen Zeitraum Liter. Für diesen Zeitbereich wird anhand der automatischen Messdaten und des Schwefelgehalts des Brennstoffs der Zylinderschmierölverbrauch gemäß Herstellerangaben berechnet und mit dem tatsächlichen Verbrauch verglichen. Der Schwefelgehalt beträgt 2,32 %. Für die Dichte des verwendeten Zylinderschmieröls BN70 werden 0,94 g/cm 3 angenommen. Damit beträgt der Zylinderverbrauch für den betrachteten Zeitraum 3,145 t. Der tatsächliche Zylinderschmierölverbrauch übersteigt den Verbrauch nach Herstellerangaben demnach um: Bench VI =100- m Zylinderöl/Hersteller m Zylinderöl/Gemessen /100 = 100-3,145 5,5883/100 =43,72 in % (7.35) Die Entwicklung dieses Benchmark sollte kritisch beobachtet werden und mit Schwesterschiffen sowie anderen Schiffen der Containerschiffsflotte verglichen werden. Längerfristig empfiehlt sich die automatische Messung des Zylinderschmierölverbrauchs, damit die momentane Abweichung von den Herstellerangaben als Benchmark dem Bordpersonal dargestellt werden kann. Auf eventuelle Veränderungen könnte umgehend reagiert werden Rauhigkeit Für den betrachteten Reiseabschnitt soll der Rauhigkeitswiderstand ermittelt werden. Für den Drehzahlbereich von 83,6 U / min 108, 9 U / min liegen Messwerte für Wellenleistungen und Propulsionsgütegrate vor, die unter Trial Design Bedingungen bei Designtiefgang und Gegenwind von 4,344 m / s ermittelt wurden [4]. Um den Glattwasserwiderstand bei 0 Bft zu erhalten, werden die Zusatzwiderstände durch Wind und Seegang herausgerechnet. Dabei ist zu beachten, dass diese Messdaten 107

108 für den unbeladenen Zustand erfasst werden. Der Windwiderstand für das unbeladene Schiff wird daher wie folgt ermittelt [31]: R= ρ 2 c 2 AA v app A H in kn (8.5) A H = 1625 m 2 (Windhauptspantfläche) C AA = 0,80 [4] Für die Auswertung der Messdaten wird nun gezielt nach Wertepaaren innerhalb des betrachteten Reiseabschnitts gesucht, deren Drehzahlen in dem Bereich 82,6 U / min bis 108,9 U / min liegen. Weiterhin werden nur Messdaten betrachtet, deren Abweichungen zwischen Geschwindigkeit über Grund und Geschwindigkeit über Wasser sowie vom Kurs < 1 % sind. Dadurch werden Widerstandserhöhungen durch Ruderlegen, Strömung und Driften herausgefiltert. Zudem werden nur Messwerte betrachtet, für die keine Flachwassereinflüsse zu berücksichtigen sind. Die Zusatwiderstände R Kurshalten, R Driften, R Meeresströmungen und R Flachwasser können daher vereinfachend als Null angenommen werden. Innerhalb des Bereichs von 82,6 U / min bis 108,9 U / min können die Propulsiongütegrade unter Annahme eines linearen Zusammenhangs wie folgt bestimmt werden: η D =-0,0009 n+0,8349 (8.6) Der mittlere Fehler dieser Näherungsformel beträgt 0,23 %. Der Gesamtwiderstand wird bestimmt durch: R T = P D η D v in kn (6.12) Die Zusatzwiderstände R Wind, R Seegang und R Tiefgang+Trimm können anhand der Näherungsformeln aus Kapitel Zusatzwiderstände bestimmt werden. 108

109 Die prozentuale Zunahme des Rauhigkeitswiderstands durch die physikalische und biologische Rauhigkeit am Propeller und Rumpf verglichen zum werftneuen, bewuchsfreien Rumpf beschreibt das Bench IX : Bench IX =100- R T,TrialDesign R T,Rauhigkeit /100 in % (7.40) Es wird eine mittlere prozentale Zunahme des Gesamtwiderstands durch Rauhigkeit von 15,68 % ermittelt (siehe Anhang D). Unter der vereinfachten Annahme, dass die physikalische Rauhigkeit circa 5 % beträgt [29], liegt die Widerstandserhöhung und somit die Zunahme des Brennstoffverbrauchs durch Fouling bei knapp 11 %. Die letzte Erneuerung des Antifoulinganstrichs wurde im Sommer 2011, also ein Jahr zuvor, durchgeführt. Jedoch unterliegt dieses Ergebnis Messfehlern der Messverfahren sowie Ungenauigkeiten durch die Näherungsformeln zur Zusatzwiderstandsberechnung. Die relevanten Messgrößen und zugehörigen Messfehler sind in Tabelle 18 aufgeführt. Tabelle 18: Messfehler der Messgrößen bei der Bestimmung der Rauhigkeit Messgröße Messfehler in % Tiefgang 0,2 Verdrängung 0,66 Propulsionsgütegrad 0,23 Wellendrehzahl 0,1 Wellenleistung 0,5 Geschw. 0,125 Windgeschw

110 Messgröße Messfehler in % Windrichtung 1 Summe 4,815 Der Anstieg der Brennstoffkosten infolge einer Zunahme der Rauhigkeit kann über die Zeit dargestellt werden. Ab einer bestimmten Summe kann es als wirtschaftlich erachtet werden Rumpf und Propeller von Bewuchs zu befreien. Die Darstellung der Entwicklung kann darüber hinaus dafür dienen eventuelle Propellerschäden ausfindig zu machen Derzeitiger Stand des Antifoulinganstrichs Die Reederei NSB verwendet gegenwärtig konventionell erodierende (CDP) sowie selbstpolierende Antifoulingfarben (SPC). Bei CDP - Antifoulings sind kupferhaltige Biozide einer CDP - Matrix inhomogen verteilt und werden bei Kontakt mit Seewasser aus der auf Harz basierenden Farbe herausgelöst. Eine kontrollierte Freisetzungsrate wird dabei durch Zugabe weiterer Biozide erreicht. Die Freisetzung der Biozide wird jedoch mit der Zeit gedämpft, da sich die Löslichkeit von Trägermatrix und Biozid unterscheiden. Dadurch nimmt mit der Zeit auch die Rauhigkeit zu. Die Lebensdauer beträgt circa 36 Monate. Die Kosten betragen % der Kosten für ein SPC - System. Bei selbstpolierende Antifoulingfarben (SPC) lösen sich bei Kontakt mit Seewasser chemische Bindungen von deren Oberfläche, wodurch Biozide durch Hydrolyse von Polymeren linear freigesetzt werden [8]. Die Lebensdauer für diesen Anstrich beträgt circa 90 Monate. Auf die Seitenfläche der Außenhaut des TEU Containerschiffs werden drei unterschiedliche Antifoulingfarben aufgetragen, wobei die oberste Schicht aus einer selbstpolierenden Antifoulingfarbe besteht. Im Bereich des Flachbodens kann auf 110

111 diese SPC - Schicht verzichtet werden, da dort verglichen mit den Bereichen an den Seitenwänder weniger Licht einfällt und dadurch der Bewuchs eher gering ist [4] Alternative Antifoulinganstriche Die häufig eingesetzten toxischen Antifoulingfarben, die sich abbauen und dabei Biozide zur Abtötung von Organismen freisetzen, haben negative Auswirkungen auf die Umwelt. Weiterhin besteht die Gefahr, dass fremde Organismen über die Schiffshülle transportiert werden und andere Ökosysteme zerstören [48]. Auf Silikon basierende Antifoulinganstriche haben eine geringere Umweltbelastung und reduzieren weiterhin Reibungswiderstand und Wartungskosten (siehe Abb. 41). Die Lebensdauer von silikonbasierten Antifoulingfarben beträgt 7,5 Jahre, wobei innerhalb dieses Zeitraums zwei Unterwasseruntersuchungen des Schiffbodens empfohlen werden [8]. Abbildung 41: Vorteile der Umstellung auf eine Silikonbeschichtung [8] Gegenwärtig werden silikonbasierte Anstriche von einigen Reedereien erprobt, die so Brennstoffeinsparungen von bis zu 6 % erzielen konnten [66]. Afeltowicz führt eine Kosten - Nutzen Analyse für Containerschiffe unterschiedlicher Größe mit silikonbasierten Anstrichen durch. Dabei wird von einer Reduzierung der Brennstoffkosten von 0,5 %, 1 % und 2 % ausgegangen (siehe Abb. 42). 111

112 Abbildung 42: Investitionskosten und Einsparungen bei Umstellung auf silikonbasierten Antifoulinganstrich [8] 112

113 8.4 Vorschläge für Neubauten Die Auswertung der Messdaten kann auch als Grundlage für die Bestimmung optimaler Entwurfsparameter für Neubauten dienen [46] Optimaler Betriebspunkt Der optimale Betriebspunkt der Hauptmaschine liegt bei 75% MCR. Dort ist der spezifische Brennstoffverbrauch am niedrigsten. Der Betriebspunkt sollte so gewählt werden, dass er auf den Seefahrten optimal ist. Daher werden die beiden Atlantiküberquerungen von Le Havre nach Charlston untersucht und jeweils die prozentuale Abweichung der gemessenen Wellenleistung von der optimalen Wellenleistung gemäß dem Benchmark III bestimmt. Auf Reise 1 betrug diese Abweichung 29,95 %, auf Reise 2 sogar 50,02 %. Die Abweichung der gemessenen Leistung der Hilfsdiesel von der optimalen Leistung ist in Abb. 43 dargestellt. 100 Verhältnis Leistung / Optimaler Leistung in % A/E Power 1 A/E Power 2 A/E Power 3 A/E Power 4 Reisedauer in h Abbildung 43: Verhältnis gemessene Leistung Hilfsdiesel / optimalen Leistung 113

114 8.4.2 Optimale Geschwindigkeit Für den Zeitraum vom werden die Häufigkeiten der auftretenden Geschwindigkeiten von 15 bis 26 kn einander gegenübergestellt. Dieser Bereich wird gewählt, da es sich um typische Geschwindigkeiten für die Fahrt auf See handelt Häufigkeit Designgeschwindigkeit Geschwindigkeit über Grund in kn Abbildung 44: Häufigkeitsverteilung der Geschwindigkeit über Grund Aufgrund der steigenden Brennstoffkosten ist die durchschnittliche Geschwindigkeit in der Frachtschifffahrt in den letzten Jahren deutlich reduziert worden. Das Containerschiff fährt durchschnittlich mit circa 18 kn und weicht damit deutlich von der Designgeschwindigkeit ab. Für einen neuen Entwurf kann demnach die installierte Hauptmaschinenleistung deutlich reduziert werden Optimaler Tiefgang Weiterhin wird die Häufigkeitsverteilung der mittleren Tiefgänge ermittelt. 114

115 2500 Designtiefgang 2000 Häufigkeit Mittlerer Tiefgang in m Abbildung 45: Häufigkeitsverteilung der mittleren Tiefgänge Der Designtiefgang ist auch der in der Praxis am häufigsten auftretende Tiefgang. Demnach wurde der ideale Designtiefgang im Entwurfsprozess festgelegt. 9 Zusammenfassung und Ausblick 9.1 Zusammenfassung Der Gesamtenergieverbrauch des TEU Containerschiffes besteht zu circa 90 % aus Fahrtenergie und zu 10 % aus Bordenergie. Daher wurden primär die Einflüsse auf den Verbrauch der Hauptmaschine anhand der zur Verfügung stehenden Messdaten analysiert. Den Schwerpunkt dieser Analyse bildet eine Methode zu Bestimmung des Einflusses von Bewuchs der Außenhaut und des Propellers auf den Brennstoffverbrauch. Diese Methode kann verwendet werden, um optimale Intervalle für Reinigung und Neuanstrich von Außenhaut und Propeller zu definieren und dadurch Brennstoff einzusparen. Die vorgestellte Methode basiert auf der Bestimmung der anderen Zusatzwiderstände anhand von Näherungsformeln. Die Genauigkeit der Ergebnisse könnte durch das Erfassen weiterer Messdaten und aufwendigere Methoden - wie zum Beispiel die Streifenmethode zur Bestimmung des Seegangswiderstands- erhöht werden. 115

116 9 Zusammenfassung und Ausblick Es wurden weiterhin Indikatoren eingeführt, die eine Bewertung der Energieeffizienz der Reise eines Containerschiffes sowie aussagekräftige Vergleiche mit Schwesterschiffen ermöglichen. 9.2 Ausblick Um die Entwicklung der KPIs und Benchmarks für verschiedene Reisen und Schiffe einfach vergleichen zu können, ist der weitere Ausbau der Energiemonitoring Software JEVis erforderlich. Je mehr Messdaten und Schiffe von diesem System erfasst werden, desto umfangreicher und genauer werden die durchgeführten Analysen. Auf Grundlage dieser umfangreichen Daten können Grenzwerte für KPIs, Bechmarks und Zusatzwiderstände in der JEVis Software hinterlegt werden. Bei Überschreiten dieser Grenzwerte wird ein Alarm ausgelöst. Das Bordpersonal kann entsprechend reagieren und die Ursache einer solchen Überschreitung des Grenzwertes ergründen. Die Geschwindigkeit und damit der Brennstoffverbrauch sind abhängig von den Zusatzwiderständen. Um den niedrigsten Brennstoffverbrauch zu erzielen, muss die Geschwindigkeit daher an die Umgebungsbedingungen angepasst werden. Die Durchschnittsgeschwindigkeit sollte bei ungünstigen Umgebungsbedingungen verringert und bei günstigen Umgebungsbedingungen erhöht werden. Dies erfordert die Bestimmung der Zusatzwiderstände, um für jeden Reiseabschnitt die verbrauchsoptimierte Geschwindigkeit zu ermitteln. Zudem ist eine verbesserte Kommunikation zwischen Hafenbehörde, Charterer, Vercharterer und Crew Voraussetzung. Bei der Findung der optimalen Geschwindigkeit muss weiterhin berücksichtigt werden, dass eine niedrigere Schiffsgeschwindigkeit den Verbrauch der Hauptmaschine senkt, aber durch die längere Reise der Verbrauch für Grundlast und Kühlung steigt. Daher muss für jede Reise und für jeden Beladungszustand individuell die optimale Reisegeschwindigkeit gefunden werden [67]. Zukünftig könnte eine solche Bestimmung der optimalen Schiffsgeschwindigkeit auf Grundlage von Wetterdaten, die das Schiff live empfängt, durch Auswertungen der JEVis Software erfolgen. Die JEVis Software wird zudem um eine weitere Funktion ergänzt, welche die Schiffsroute zukünftig live in einer Karte darstellt. Weitere Reduzierungen im Brennstoffverbrauch können erzielt werden, indem ein möglichst konstantes Drehmoment über die Füllungsregelung anstelle eines Betriebs mit konstanter Drehzahl eingestellt wird [68]. 116

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124 10 Literaturverzeichnis 124

125 11 Anhang 11 Anhang A. SEEMP 125

126 11 Anhang B. Windwiderstand von Containerschiffen Die Näherungsformeln wurden durch Experimente im Windtunnel bestimmt. Derzeit gibt es keine Rechenmethode mit der ohne Experimente dieser Art die Windkräfte bestimmt werden können. Erschwert wird eine Abschätzung der Windkräfte auf ein Containerschiff durch die variierende Anzahl geladener Container an Deck und die dadurch variierende Windangriffsfläche. Durch die Einführung bestimmter Formparameter wird versucht den Einfluss der Container auf den Windwiderstand zu berücksichtigen. Die vorgestellten Berechnungen basieren auf zwei Veröffentlichungen [40], [69]. Fujiwara et al definiert die folgenden Größen: Longitudinal Force X A : Längskraft Lateral Force Y A : Seitenkraft Yaw Moment N A : Giermoment Apparent angle of attack Ψ A : Einfallswinkel des scheinbaren Windes Apparent wind velocity U A : Scheinbare Windgeschwindigkeit Lift component: Querkraft Drag component: Kraft am Schiff in Richtung des scheinbaren Windes: Widerstand Total wind force: Windkraft Koordinaten System und Definition der Windkräfte [40] 126

127 11 Anhang Fujiwara et al berechnet die vom Wind abhängenden Werte Längs- und Seitenkraft sowie Giermoment in Abhängigkeit dimensionsloser Koeffizienten: X A =C X (ψ A )(q A A F ) Y A =C Y (ψ A )(q A A L ) N A =C Z (ψ A )(q A A L L OA ) q A A = ρ 2 U 2 A A F : Windhauptspantfläche A L : Seitenlateralfläche L OA : Länge über Alles Fujiwara et al definiert die Fläche A OD als Seitenlateralfläche bei voller Containerbeladung. A RC ist die Summe der Lücken und abhängig vom gegenwärtigen Beladungszustand. 127

128 11 Anhang C X + C + C + ( ψ ) = C A A XLI ALF RC OD A 1 (sinψ A sinψ 2 3 sinψ cos ψ ( C D1 LF A cos cosψ 2 Ψ A A A A + C 2 cos ψ ) sinψ D 2 A sinψ cos Ψ A A cos Ψ A ) A C LF A L = β 10 + β11 + β12 für 0 ψ 90 LOAB LOA C C LF B H A = β A C OD F β20 β21 β23 β für 90 ψ LOA LOA L B OA C XLI A L F = δ 10 + δ11 + δ12 für 0 ψ 90 LOAH BR BH BR A C XLI A A L F F = δ 20 + δ 21 + δ 22 + δ 23 + δ 24 für 90 ψ 180 LOAH BR AL LOA BH BR B A C ALF A OD = ε 10 + ε 11 + ε12 für 0 ψ 90 AL LOA B C ALF A OD = ε 20 + ε 21 für 90 ψ 180 AL H BR : Höhe Brücke C: Horizontaler Abstand von Mitte Schiff bis Mitte der projezierten Lateralfläche 128

129 11 Anhang Definition der Paramater zur Bestimmung der Windkräfte und momente [70] Dimensionslose Koeffizienten zurabschätzung der Windkräfte- und momente [70] Die experimentellen Koeffizienten C D1 und C D2 lauten: C D1 = -0,986 für 0 ψ A < π/2 C D1 = 0,986 für π/2 < ψ A π Beim Beladungszustand wird zwischen Comb type und OLG unterschieden (siehe Abb.). C A RC D 2 = 5, 09 für Com type AOD 129