Forschung der Arbeitsgruppe Schiffsmaschinenbau

Ab der Einführung des Kraftstoffschwefel-Grenzwertes von 0,5%mm in 2020 ist am Markt mit einer Vielfalt an verschiedenen Brennstoffen zu rechnen, die als Schifffahrts-Kraftstoffe zum Einsatz kommen werden und nicht mehr den klassischen Schwerölen entsprechen. Die Vielfalt wird zu betrieblichen Problemen seitens der Kraftstoffsysteme und der Motoren führen. Um den Problemen zu begegnen, sollen im Zuge des Projektes anhand einer Kraftstoff-Matrix die jeweiligen Eigenschaften und die Mischbarkeiten ermittelt werden. Anschließend werden unter Einsatz von anzupassender Messtechnik automatisierte Umschaltprozeduren und die dafür erforderliche Systemtechnik vorwettbewerblich entwickelt, damit manuelle Eingriffe in den Betrieb ausgeschlossen und damit die Betriebssicherheit und –effizienz erhöht werden können. Außerdem wird die Eignung der Kraftstoffe für den motorischen Betrieb ermittelt und Optimierungen des motorischen Betriebes vorgenommen.
Ziel des Vorhabens ist, die Ausfallsicherheit von Kraftstoffsystemen und Motoren gegenüber wechselnden Kraftstoffqualitäten zu 100% zu gewährleisten. Etappenziele dazu sind Erkenntnisse und Vorentwicklungen, um intelligente und automatische Kraftstoffsysteme zu entwickeln, die den Umschaltvorgang zwischen verschiedenen Kraftstoffen bezüglich des Versorgungssystems und der Anpassung der Motorsteuerung autonom durchführen können.
Konkret heißt das, dass bis zum Ende des Projektes

• Eine Positivliste von Kraftstoffen existiert, die für den sicheren Motorbetrieb geeignet sind
• Eine Positivliste von Kraftstoffen existiert, die wenigstens zeitweise während des Umschaltvorganges miteinander verträglich und mischbar sind
• Additive und Additivierungsverfahren bekannt sind, die die Mischbarkeit während des Umschaltens problembehafteter Kraftstoffe gewährleisten können
• Geeignete Messverfahren bekannt sind, um die Kraftstoffeigenschaften bezüglich der motorischen Verträglichkeit und des Umschaltens in Echtzeit bewerten zu können
• Strategien für die Verschaltung der Kraftstoffe vorliegen in Bezug auf Umschaltgradienten, mögliche Zwischen-/Spülkraftstoffe etc.
• Die für den Umschaltvorgang erforderlichen Mess- und Steuerungskomponenten definiert sind und in einer Demonstratoranlage realisiert sind
• Eine hinreichende Liste an Parametern vorliegt, die als Messwerte vorliegen müssen, um als Eingabewerte die Motorsteuerung (Mapping) auf den jeweiligen Kraftstoff anzupassen
• Die ab 2020 auftretenden Probleme mit den neuen Kraftstoffen in die Ergebnisse eingeflossen sind

Dieses Forschungsprojekt wurde gefördert durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie.

Durch den Einsatz von Abgasreinigungssystemen wie Scrubbern oder Katalysatoren oder den Einsatz von LNG (verflüssigtes Erdgas) als alternativen Kraftstoff lassen sich die Schwefel-, Stickoxid- oder Rußemissionen an Bord von Schiffen bereits heute wirkungsvoll minimieren. Um die Klimaziele im Verkehrssektor zu erreichen müssen jedoch auch die klimaschädlichen Emissionen wie CO2 deutlich gesenkt werden.
Es werden also auf Schiffen klimaneutrale Energieträger gebraucht. Diese Energieträger könnten im Power-to-X verfahren entstehen. Dabei ist es möglich eine ganze Reihe von synthetischen Kraftstoffen herzustellen, die zwar Kohlenstoff enthalten und bei der Verbrennung CO2 emittieren, aber dennoch in der Gesamtbilanz CO2-neutral auftreten, da der Kohlenstoff zuvor für die Synthese aus der Atmosphäre entnommen wurde.
Die Erfahrungen mit LNG haben gezeigt, dass bei Umgebungsbedingungen gasförmige Energieträger zwar grundsätzlich auf Schiffen einsetzbar sind, auf der anderen Seite aber eine Reihe Nachteile mit sich bringen. Ein synthetischer Kraftstoff sollte also nach Möglichkeit flüssig, leicht handhabbar und leicht sowie effizient zu synthetisieren sein.
Methanol erfüllt alle diese Anforderungen und verbrennt zudem sehr sauber. Allerdings ist es wie LNG/Methan nicht zur Selbstzündung im Dieselmotor geeignet. Daher wird ein Zündöl benötigt, welches ebenfalls CO2-neutral sein sollte. Hierfür bietet sich OME an.
Diese Kraftstoffe haben einen Einfluss auf die Gestaltung der Motoren- und Systemtechnik sowie des Schiffsentwurfes, weil mit den spezifischen Eigenschaften besondere technische und Sicherheitsanforderungen verbunden sind.
Im Verbundforschungsprojet E2Fuels untersucht die Arbeitsgruppe Schiffsmaschinenbau den Einsatz von Methanol und OME (Oxymethylenether) als maritime Kraftstoffe. Dabei liegt der Fokus sowohl auf der landseitig notwenigen Hafeninfrastruktur und der Bunkerschnittstelle, als auch auf dem Kraftstoffsystem an Bord.
Dieses Forschungsprojekt wurde gefördert durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie.

Die Konzentration auf das Erreichen einer Nenngeschwindigkeit führt bei der Auslegung von Antriebsanlagen auf Schiffen zu einer Überdimensionierung der Maschinenanlage. Gerade vor dem Hintergrund realer Fahrprofile hat dieses etablierte Auslegungskonzept eine Steigerung der der Erst- und Betriebskosten der Schiffe zur Folge. Mit dem Ziel, das Gesamtsystem „Schiff“ effizienter zu machen, entwickelt die Arbeitsgruppe Schiffsmaschinenbau Antriebskonzepte, die basierend auf den realen Fahrprofilen von Schiffen die Potenziale der Antriebsanlage optimal ausnutzen und es somit ermöglichen, das Maß der Überdimensionierung zu reduzieren. Ein Ansatz zur Effizienzsteigerung, der hierbei verfolgt wird, besteht in der Erweiterung des Motorkennfeldes im Teillastbereich. Zu diesem Zwecke werden Beispielrechnungen durchgeführt, die unter anderem von einer Modifikation der Turboladerregelung ausgehen. Darüber hinaus werden Antriebskonzepte entwickelt, die das Ziel verfolgen, elektrischer Maschinen (PTIs/PTOs) umfassender in die Antriebsanlage zu integrieren und somit die Effizienz des Gesamtsystems zu steigern.

Dieses Forschungsvorhaben baut auf FVV Projekt 1327 auf. Die im Vorgänger neu entwickelten Messtechniken zur Schmierfilmdickenbestimmung und Ölemissionsuntersuchungen wird in umfangreichen Motorversuchen eingesetzt. Daber werden eine Vielzahl von motorinternen Parametern variiert und deren Einflüsse auf die Schmierung und Ölemissionen analysiert. Zusätzlich wird eine Messsonde entwickelt, die dem Massenspektrometer Gase direkt aus dem Brennraum zuführt. Ergänzt werden die Motorversuche mit Simulationen. Dafür wird uns im Rahmen des University Partnership Programs das umfangreiche Softwarepaket Advanced Simulation Technologies der Firma AVL List GmbH unentgeldlich zur Verfügung gestellt. Ziele des Projektes sind ein besserees Verständnis von den Prozessen zu erlangen, die zu den Ölemissionsspekren führen, sowie die Entwicklung von konkreten Maßnahmenvorschlägen zur positiven Beeinflussung der Ölemissionen am Beispiel des Prüfstandsmotors.

Dieses Forschungsvorhaben beinhaltet Phase I eines zweiphasig geplanten Projektpakets. In diesem Projektpaket soll der Schmierölverbrauch von Großmotoren untersucht werden, mit dem langfristigen Ziel, diesen dem um etwa eine Größenordnung geringeren Verbrauch von kleineren Motoren, wie sie in Heavy-duty LKW-Motoren eingesetzt werden, anzunähern.
Ziel der Phase I ist zunächst das Wissen um die Vorgänge und Zusammenhänge des tribologischen Systems in der Kolbengruppe (Kolben, Kolbenringe, Laufbuchse) zu erweitern. Dafür soll mit der Schmierfilmdickenmessung auf Basis der laserinduzierten Fluoreszenz (LIF) eine Messtechnik entwickelt und eingesetzt werden, die im Großmotorenbereich noch keine Anwendung gefunden hat. Weitere Messtechnik betrifft die Schmierölemission über das Abgas. Eingesetzt werden hierfür ein Massenspektrometer, sowie ein optisches Partikelmesssystem.
In der ersten Hälfte der Phase I wird die Messtechnik an zwei mittelschnell laufenden Viertakt-Großmotoren mittlerer Größe zur Einsatzreife gebracht. In der zweiten Hälfte werden im Rahmen von Messfahrten und anschließender Auswertung erste Ergebnisse generiert. Die Messfahrten werden an den beiden Motoren in der aktuell vorhandenen Konfiguration der Komponenten der Kolbengruppe durchgeführt. In Hamburg wird dabei ein Augenmerk auf die Schmierfilmdicke bei verschiedenen Betriebsparametern gelegt. In Flensburg wird die Auswirkung des Einlaufverhaltens der Komponenten auf die Schmierölemission in einem Dauerlaufversuch untersucht. Durch den Einsatz von zwei Versuchsmotoren wird zudem die Wirkung von Brennverfahren, Kraftstoffwahl und dem Prinzip der Kolbenschmierung auf den Schmierölverbrauch betrachtet.
Abschließend werden in Phase I, in Hinblick auf das im Anschluss geplante Folgeprojekt (Phase II), Maßnahmen aus den gewonnenen Erkenntnissen erarbeitet, mit denen sich der Schmierölverbrauch der beiden Motoren nachhaltig verringern lässt.
Kontakt: Baptiste Wallin, M.Sc.

Die Arbeitsgruppe Schiffsmaschinenbau der Technischen Universität Hamburg-Harburg beschäftigt sich im Rahmen eines Forschungsvorhabens mit der ganzheitlichen Simulation von Schiffsmanövern. Während die Hydrodynamik durch unterschiedliche Rechenmethoden des Instituts für Entwerfen von Schiffen und Schiffssicherheit bereits treffend abgebildet wird, ist die Modellgüte im Bereich des Antriebsstranges noch ausbaufähig. Bei der weiteren Entwicklung liegt der Fokus insbesondere auf dem dynamischen Verhalten der Maschinenanlage, welches zum Beispiel in der Manöverfahrt maßgeblich durch das Verhalten des Abgasturboladers geprägt wird. Hierbei ist es besonders wichtig, dass unter Angabe weniger Parameter, welche im Rahmen einer Vorauslegung zur Verfügung stehen, qualitativ gute Ergebnisse in kurzer Zeit erzielt werden können. Mit dieser Zielsetzung wurde bereits eine thermodynamische Modellvorstellung für die Berechnung von einer Radialturbine mit leitschaufellosem Spiralgehäuse umgesetzt, so dass ein zeitdiskretes Berechnungsprogramm zur Verfügung steht, welches einer Plausibilitätsprüfung unterzogen wurde. Der physikalische Modellansatz wird aktuell dahingehend weiterentwickelt, dass zukünftig auch der Verdichter abgebildet werden kann.
Das übergeordnete Ziel ist es, auf Basis der Turboladergeometrie sowie der thermischen Randbedingungen zukünftig alle relevanten Turboladerkenngrößen berechnen zu können und somit eine Vorhersage des Maschinendynamik zu ermöglichen.

Der Schmierölverbrauch von Großmotoren liegt nach derzeitigem Stand der Technik mit etwa 0,6 g/kWh bis zu einer Größenordnung über dem Schmierölverbrauch von kleineren hochbelasteten Motoren, die beispielsweise im LKW-Bereich eingesetzt werden. Der Schmierölverbrauch von Großmotoren liegt nach derzeitigem Stand der Technik mit etwa 0,6 g/kWh bis zu einer Größenordnung über dem Schmierölverbrauch von kleineren hochbelasteten Motoren, die beispielsweise im LKW-Bereich eingesetzt werden. Der Großteil des Schmierölverbrauchs von Verbrennungsmotoren entsteht an der Kolbenring-Laufbuchsen-Paarung. Es wird angenommen, dass ein erhebliches Potential besteht, den Schmierölverbrauch von Großmotoren zu reduzieren. Um dieses zu heben, bedarf es der genauen Kenntnis der Phänomene und Zusammenhänge bezüglich der Tribologie und der Ölverbrauchsprozesse in der Kolbengruppe.
Im Rahmen der an der Arbeitsgruppe Schiffsmaschinenbau durch Eigenmittel der Forschungsvereinigung Verbrennungskraftmaschinen finanzierten Studie „Schmierölkonzept Großmotor – Vorstudie“ werden Unterschiede zwischen Viertakt-Großmotoren und Motoren aus dem LKW-Bereich analysiert sowie die Stellgrößen und mögliche Maßnahmen zur Beeinflussung des Schmierölverbrauchs identifiziert und hinsichtlich ihres Einflusses bewertet. Außerdem wird in Hinblick auf ein geplantes Anschlussvorhaben eine Versuchsmatrix erstellt, der Materialeinsatz abgeschätzt und geeignete Messtechnik ermittelt.

Das Kernziel des Vorhabens besteht darin, die Gesamtsystemeffizienz von Schiffen mit Verstellpropeller und mittelschnell laufenden Dual-Fuel-Viertaktmotoren durch Verschiebung des Betriebspunktes im Motorkennfeld signifikant zu erhöhen. Hierzu müssen die realisierbaren Nutzmitteldrücke insbesondere bei geringen Drehzahlen im Gasbetrieb dahingehend gesteigert werden, dass sie mit denen konventioneller Dieselmotoren vergleichbar sind oder diese gar übersteigen. Ein Erreichen dieses Ziels hat zur Folge, dass der Verstellpropeller in einem aus Sicht der Propulsionseffizienz deutlich günstigeren Arbeitspunkt betrieben werden kann, wodurch sich die erforderliche Antriebsleistung erheblich reduziert.
Das Vorhaben trägt somit dazu bei, dass durch die mögliche Absenkung der Antriebsleistung insgesamt weniger Kraftstoff verbraucht wird, was die Emissionen absolut reduziert. Durch die Verwendung von Erdgas als Kraftstoff in Kombination mit einem ottomotorischen Brennverfahren werden zusätzlich die spezifischen Emissionen der direkten Treibhausgase Kohlenstoffdioxid (CO2) sowie indirekten und zusätzlich gesundheitsschädlichen Treibhausgase wie Stickoxide (NOx) reduziert. Weiterhin lassen sich die Schwefeloxidemissionen (SOx) insbesondere im direkten Vergleich mit schwerölverbrennenden Motoren auch ohne Einsatz einer Abgasnachbehandlug auf nahezu Null reduzieren.
In der Konsequenz können bei Erreichen des Ziels sowohl aktuelle als auch zukünftige Emissionsgrenzwerte der IMO (International Maritime Organization) ohne Abgasnachbehandlung eingehalten werden, was die Konkurrenzfähigkeit der sauberen Dual-Fuel-Technologie erhöht und deren Verbreitung im Markt unterstützt. Neben einem wertvollen Beitrag zum Erreichen der Klimaschutzziele des Bundes kann aus einer Verbreitung der Technologie ein erheblicher Vorteil für die deutsche Zulieferindustrie resultieren.

Der Begriff hybrider Antriebskonzepte wird in diesem Vorhaben interpretiert als gleichzeitiger Einsatz elektrischer Maschinen in einem dieselmechanischen Antriebsstrang. Der am häufigsten an Bord von Schiffen vorhandene Anwendungsfall sieht den Betrieb dieser elektrischen Maschinen bei konstanter Drehzahl vor, welcher insbesondere in Teillast eine erhebliche Verschlechterung des Propellerfreifahrtwirkungsgrades mit sich zieht. Es wird daher der Einsatz von Frequenzumrichtern vorgesehen, um einen drehzahlvariablen Betrieb von Haupt- und elektrischer Maschine am Bordnetz zu ermöglichen. Die zusätzlichen Investitionskosten sowie die Einsparungen in Bezug auf Betriebs- und Wartungskosten werden quantifiziert und mithilfe des erwarteten Einsatzprofiles des Schiffes ist es bereits in der frühen Projektphase möglich, die Amortisationszeit zu prognostizieren und eine Entscheidungshilfe für oder wider hybride Antriebskonzepte zu geben.

Getrieben durch die zunehmende Debatte um umweltfreundliche Schiffsantriebe wird zurzeit der Einsatz von Erdgas anstelle des üblichen Schweröls favorisiert. Gasmotoren werden seit langer Zeit erfolgreich in stationären Anlagen zur Stromerzeugung eingesetzt. Der Betrieb auf Schiffen ist verhältnismäßig neu und wesentlich dynamischer. Die Herausforderung hierbei ist es, ein dem Dieselmotor vergleichbares Dynamikverhalten zu erzielen. Begrenzend wirken hier die Klopf- und Aussetzergrenze von Gasmotoren.
In diesem Projekt sollen Maßnahmen untersucht werden, die dazu führen, dass ein dem Dieselmotor gleichwertiges dynamisches Verhalten erreicht wird. Einflussgrößen sind dabei natürlich die Luftversorgung der Motoren und seine Regelungsstrategie, aber auch die Laststeuerung durch den Verstellpropeller, sowie eine mögliche elektrische Unterstützung durch die Hilfsmaschinen und/oder eine Batterie. Die zu untersuchenden Lastfälle sollen typische Manöverzustände von Schiffen repräsentieren. Zu unterscheiden sind hier normale Anwendungen (Containerschiffe, Bulker, Tanker,…) sowie hochtransiente Anlagen (Offshore Supplier, Schlepper,…). In diesem Vorhaben soll ein Simulationstool (Fast Running Modell oder Real Time) geschaffen werden, das eine Parameteroptimierung zulässt und grundsätzliche Aussagen zur Anlagenauslegung gestattet.

Im Rahmen des an der Technischen Universität Hamburg-Harburg durch Eigenmittel der FVV finanzierten Umbauprojektes „Propellerbetrieb mit Viertakt-Zweistoffmotoren“ wurde die Ertüchtigung eines mittelschnell laufenden Einzylinder-Großdieselmotorprüfstandes für den Dual-Fuel-Betrieb vorgenommen. Bei der Ertüchtigung wurde Wert darauf gelegt, weitestgehend die aktuell gültigen Vorschriften für Schiffsanwendungen umzusetzen, um im Rahmen der anschließend durchzuführenden wissenschaftlichen Arbeiten repräsentative und vergleichbare Ergebnisse generieren zu können, die von der Branche akzeptiert werden.
Das Umbauvorhaben beinhaltete die Durchführung einer Machbarkeitsstudie, die Entwicklung und Umsetzung eines Sicherheitskonzeptes, die Konzeption und Ausführung der motor-seitigen Hardwareanpassungen sowie die Konzeption, Beschaffung und Montage einer auf-wendigen Flüssigerdgasversorgungsanlage nach Marinestandard.
Durch die Ertüchtigung dieser an einer öffentlichen Forschungsstelle einzigartigen Anlage wurde die Technische Universität Hamburg-Harburg in die Lage versetzt, anspruchsvolle Forschungsvorhaben im Bereich der Dual-Fuel-Technologie zu bearbeiten. Anders als bei Motorversuchsanlagen, die das Erdgas aus der Stadtgasleitung beziehen, können an der Technischen Universität mit Hilfe des neuen Flüssiggassystems alle Aspekte, vom Brennverfahren bis hin zum Gesamtanlagenverhalten, untersucht werden.
Die wissenschaftliche Arbeit mit der Anlage wurde im September 2017 im Rahmen des Folgevorhabens „Propellerbetrieb mit Viertakt-Zweistoffmotoren II“ aufgenommen.