Bearbeiter/innen:

Dr.-Ing. Simon Mewes
Yanxin Feng
Andreas Brehm
Maximilian Kaster

Betreuer:

Prof. Dr.-Ing. Bettar el Moctar
Dr.-Ing. Jens Neugebauer

Förderung:

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Projektträger:

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Projektpartner:

• Mecklenburger Metallguß GmbH (MMG)

• Universität Rostock (URO)

• CPO Containerschiffsreederei

Gegenstand dieses Projektes ist die Entwicklung mathematischer Modelle zur Ermittlung der Ursachen des erhöhten Leistungsbedarfs von Schiffen unter realen Bedingungen. Hierbei geht es um die quantitative Ermittlung einzelner Beiträge wie Seegang, Flachwasser und Wind. Für jeden Beitrag zum Leistungsbedarf wird ein schiffsspezifisches sowie ein vereinfachtes, allgemeines Modell entwickelt. Für die Entwicklung, Validierung und Anwendung der schiffsspezifischen Modelle werden Betriebsdaten eines Schiffes verwendet, die im Rahmen des Projekts erhoben werden. Vereinfachte Modelle werden aus Regressionsanalysen und Literaturdaten abgeleitet. Die Ergebnisse der direkten Berechnungen und der vereinfachten Modelle werden für ein Referenzschiff hinsichtlich der Genauigkeit verglichen. Die Modelle lassen sich an Optimierungsalgorithmen und weitere Simulationsumgebungen koppeln. Damit soll über das sog. „Smart Steaming“, also der Anpassung der nautischen Betriebsparameter entlang einer Fahrtroute, eine Reduktion des Kraftstoffverbrauchs ermöglicht werden. Außerdem können Assistenzsysteme entwickelt werden, die der Schiffsführung optimierte Betriebsparameter vorschlagen. Für eine Auswahl repräsentativer Schiffe und Routen wird das Energieeinsparpotenzial ermittelt. Im Zuge der Großausführungsmessungen befasst sich das Teilvorhaben mit der Entwicklung eines Messkonzeptes für die Aufnahme von Betriebsdaten eines Containerschiffes. Weiterhin werden im Rahmen dieses Teilvorhabens Methoden zur automatisierten und effizienten Validitäts- und Plausibilitätsprüfung der Messdaten entwickelt. Darüber hinaus werden Methoden zur Klassifizierung und Auswertung von AIS-Langzeit-Messdaten entwickelt.

Bearbeiter:

Dr.-Ing. Jens Neugebauer

Betreuer:

Prof. Dr.-Ing. Bettar el Moctar

Förderung:

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Projektpartner:​

• Entwicklungszentrum für Schiffstechnik und Transportsysteme (DST)
• Lehrstuhl für Mechatronik
  Universität Duisburg-Essen

Der Binnenschiffsverkehr bietet ein hohes Potenzial für die Automatisierung und den Einsatz klimaschonender und lokal emissionsarmer Antriebssysteme. Die benötigten Basistechnologien und das zugehörige Know-how existieren teilweise und werden bei anderen Verkehrsträgern eingesetzt. Dennoch erfolgt derzeit noch keine flächendeckende Umsetzung in Form produktiver, am Markt erhältlicher Systeme. Zur Realisierung von teil- und hoch-automatisierten Binnenschiffen mit klimaschonenden Antrieben sind weitere Entwicklungsschritte erforderlich. Hierbei geht es insbesondere um Hardware- und Softwarelösungen, um die vollständige Systemintegration sowie um die Interaktion zwischen Komponenten verschiedener lokal emissionsfreier Antriebssysteme. Im Rahmen dieses Projekts soll ein Versuchsträger entwickelt und gebaut werden, auf dem Forschung und Entwicklung zur Schließung der oben genannten Lücken durchgeführt werden können. Bei dem Versuchsträger handelt es sich um ein Schiff mit einer Länge von etwa 15 m, welches mit allen zur Fernsteuerung und zur vollständigen Automatisierung der Fahrt erforderlichen technischen Komponenten ausgestattet ist. Das Schiff wird außerdem mit einem elektrischen Hauptantrieb ausgestattet, so dass verschiedene Energieumwandler eingesetzt werden können. In der ersten Ausbaustufe wird ein batterieelektrischer Antriebsstrang verwendet. Die Systeme an Bord sind hard- und softwareseitig modular gestaltet und können somit bei Bedarf ausgetauscht werden. Der Rumpfentwurf ist an ein Wasserfahrzeug angelehnt, welches beispielsweise in Ballungsräumen für den Transport von Gütern oder Personen eingesetzt werden kann. Untersuchungen zu automatisierten und klimaschonenden Systemen in Ballungsräumen sind, insbesondere in Bezug auf die Interaktion zwischen den Fahrzeugen und anderen Verkehrsteilnehmern, auf der Wasserstraße von hohem Wert, da sie besonders hohe Anforderungen an die Systeme stellen. Durch das Versuchsschiff wird ein Technologieträger bereitgestellt, welcher eine hohe Verfügbarkeit und Flexibilität aufweist. Damit ist dieses ein starker Hebel für darauf aufbauende national und international geförderte Forschungsaktivitäten im Bereich Teil- und Vollautomatisierung von Schiffen im Binnenbereich sowie neuester Technologien von lokal emissionsfreien Antriebssystemen. Es besteht ein großes Interesse aus der Wirtschaft, „Smart and Green Shipping“ zu realisieren. Die notwendigen Entwicklungen sollen mit dem Forschungsschiff effektiv, kostengünstig und mit hoher Verfügbarkeit ermöglicht werden.

Bearbeiter:

Benjamin Kossmann
Björn Wierczoch

Betreuer:

Prof. Dr.-Ing. Bettar el Moctar

Förderung:

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Projektpartner:

• Bundesanstalt für Wasserbau

Ziel des Projekts BinEm ist die Entwicklung und Validierung eines Verfahrens zur Berechnung der Emissionen von Binnenschiffen. Das Verfahren wird modular aufgebaut. Abhängig vom Schiffstyp sowie von den nautischen und Umgebungsdaten werden Widerstand und Leistung berechnet. Anschließend werden anhand von spezifischen Kraftstoffverbrauchsdaten und Emissionsfaktoren die Emissionen ermittelt. Zur Validierung des Verfahrens werden Messungen der Emissionen an Bord von Schiffen herangezogen.

Bearbeiter:

Jan Harmening

Betreuer:

Prof. Dr. Franz-Josef Peitzmann (Westfälische Hochschule)
Prof. Dr.-Ing. Bettar el Moctar

Förderung:

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Projektpartner:

Westfälische Hochschule

Physik-informiertes Deep Learning ist eine Methode, bei der neuronale Netze so trainiert werden, dass sie die zugrunde liegenden Gleichungen und Randbedingungen erfüllen. Physik-informierte neuronale Netze (PINNs) werden beispielsweise trainiert, um experimentelle Daten zu rekonstruieren, Strömungsfelder mit einem Minimum an Trainingsdaten zu lernen und als Ersatzmodelle für beliebige Parameter eines Systems zu dienen. Dadurch eignen sich PINNs für den Bereich der passiven Strömungskontrolle, wo Parameter wie die Reynoldszahl oder der Anstellwinkel eines Tragflügels die aerodynamischen Effekte von Strömungskontrollmethoden bestimmen. Im Rahmen dieser Arbeit wird ein PINN-basiertes Modell entwickelt und auf seine Fähigkeit zur Vorhersage zeitlich gemittelter Strömungsfelder untersucht. In einem ersten Schritt werden geeignete passive Strömungskontrollmethoden für einen Tragflügel einer Windkraftanlage evaluiert. In einem zweiten Schritt wird die Methode auf ihre Fähigkeit hin untersucht, zweidimensionalen Strömungsfelder zu berechnen. Derzeit wird die PINN-Methode entwickelt, um sie auf dreidimensionale Strömungsfelder um Wirbelgeneratoren anzuwenden. Dabei werden experimentelle Daten und Large-Eddy-Simulationen als Referenzdaten verwendet.