Vom Computer zur See

Mit einer Seereise im Sommer verbinden viele Menschen Sonnenschein, blauen Himmel und frische Seeluft. Vergessen wird dabei häufig, dass die rund 70.000 Handels- und Kreuzfahrtschiffe, die derzeit auf den Weltgewässern unterwegs sind, Schweröl verbrennen und so weltweit erheblich zur Luftverschmutzung beitragen. Hinzu kommt, dass viele Schiffe heute nicht besonders effizient sind und vergleichsweise viel des schmutzigen Brennstoffs benötigen. Die Internationale Seeschifffahrtsorganisation in London schreibt deshalb nach aktuellem Reglement vor, dass Schiffsneubauten vom Jahr 2025 an um mindestens 30 Prozent effizienter sein müssen als jene, die bis 2014 vom Stapel liefen.

Doch wie kann man den Spritverbrauch von Schiffen innerhalb weniger Jahre um fast ein ganzes Drittel reduzieren? Norbert Bulten kennt die Antwort: “Einen entscheidenden Einfluss hat das Design des Schiffs und insbesondere des Antriebs, des Propellers, des Antriebsstrangs, der Strömung des Wassers an Ruder und Propeller”, sagt der Manager für Produktleistung Schiffsantriebe beim Schiffstechnologie-Hersteller Wärtsilä in Drunen in den Niederlanden. Norbert Bulten beschäftigt sich seit 20 Jahren mit der Optimierung des Antriebs-Designs und setzte von Anfang an auf die Unterstützung durch den Computer – und durch Software von Siemens, mit der sich Strömungsberechnungen durchführen lassen, die sogenannte Computational Fluid Dynamics, CFD. Vereinfacht gesagt, lässt sich damit feststellen, ob ein Schiffsantrieb optimal angeströmt wird, ob es Widerstände gibt und wie effizient die Leistung der Motoren letztlich in Vortrieb umgewandelt wird. Für das CFD wird bei Wärtsilä heute die Softwareplattform Siemens Simcenter STAR-CCM+ eingesetzt. 

Noch vor 20 Jahren sei das Vertrauen in CFD gering gewesen, erinnert sich Norbert Bulten. “Man vertraut in der Branche seit Jahrzehnten auf Tests im Strömungskanal. Dabei werden Schiffsmodelle durch das Wasser gezogen. So wird überprüft, wie gut das Design funktioniert.” Anfangs berechneten Norbert Bulten und sein Team nur einzelne Komponenten, den Propeller und dessen nähere Umgebung etwa. Und doch konnte er immer wieder zeigen, dass CFD viel beitragen kann. Etwa bei einem Schiffsrohbau, der erhöhten Strömungswiderstand zeigte. Mit CFD wurde das Design minimal angepasst und das Schiff im Trockendock entsprechend nachgeschweißt. Nach wenigen Tagen war es perfekt. “Dennoch gab es lange Vorbehalte”, sagt Bulten. Doch das ändere sich derzeit rapide. Seit geraumer Zeit lassen sich mit CFD Schiffe im Ganzen modellieren – und zwar in Lebensgröße. “Der Computer bildet das Verhalten eines echten großen Schiffs auf Fahrt ab, womit wir einen umfassenden Überblick über das Strömungsverhalten bekommen. Eine entscheidende Rolle spielt das Design des Schiffspropellers.“ Anders als beim Autobau sei jedes Schiff ein Unikat, für das ein eigener, optimal angepasster Propeller entwickelt werden müsse. „Das Design dieser Propeller ist eine Kunst.” Der Entwurf findet wie üblich in CAD-Programmen auf der NX-Plattform von Siemens statt. Mit CFD aber kitzelt der Computer das letzte Quäntchen Effizienz heraus. 

Interessant ist diese individuelle Berechnung auch für die Nachrüstung von Schiffen. Mit der Wirtschaftskrise 2008 ging die Schiffsbranche dazu über, die großen Containerschiffe aus Gründen der Treibstoffersparnis langsamer fahren zu lassen – nicht mehr mit bis zu 28 Knoten wie bisher, sondern mit um die 20. Doch bei geringeren Geschwindigkeiten arbeiten die herkömmlichen Propeller mit ihren sechs Blättern und ihrer großen Oberfläche weniger effizient. “Wir haben die Schiffsbetreiber davon überzeugen können, neue schmale Propeller mit vier Blättern und kleiner Blattfläche einzusetzen, die wir mit CFD an das jeweilige Schiff angepasst haben. Mit dieser Nachrüstung werden die Reeder über die Jahre sehr viel Treibstoff sparen”, sagt Bulten.

Mit der Möglichkeit, Schiffe in voller Größe zu berechnen, hat Norbert Bulten in letzter Zeit einige Erfolge erzielt. Ein Auftraggeber hatte unlängst ein Schiff bestellt, dass über 13 Knoten fahren sollte. Modelltests im Kanal sagten voraus, dass sich diese Geschwindigkeit mit dem aktuellen Designentwurf nicht erreichen lassen würde. Das CFD-Programm auf der Simcenter STAR-CCM+-Plattform hingegen sagte, dass das Schiff 13 Knoten schaffen würde, und der Auftraggeber entschied, es genau so zu bauen. Bulten behielt Recht. Bei einer Testfahrt erreichte das Schiff zu Beginn dieses Jahres spielend die 13 Knoten.  “Das hat uns und vielen Branchenkennern eindrucksvoll gezeigt, dass CFD heute mindestens so leistungsfähig wie der Versuch im Wassertank ist”, sagt Bulten.

In einem aber sind CFD und der Test im Wassertank bislang gleich: Beiden fehlt eine wichtige Komponente – das Designen und Testen unter Real-Bedingungen. So werden sowohl die Schleppversuche als auch die Berechnungen am Computer bei ruhiger See durchgeführt. Bulten will jetzt mehr Dynamik in die CFD-Berechnungen bringen: “Wir wollen künftig das CFD-Programm mit echten Messdaten aus dem Realbetrieb von Schiffen auf See füttern, mit dem Propeller-Zustand, Turbulenzen, dem Einfluss der Wellen.” Im CFD-Programm wird dazu ein digitaler Zwilling des zukünftigen Schiffs erschaffen, der im Computer quasi unter realen Bedingungen getestet und in Sachen Effizienz optimiert wird.” Angesichts solcher Entwicklungen sieht Norbert Bulten CFD heute am Beginn einer neuen Ära: “Der Test im Wassertank dürfte mehr und mehr durch die Berechnungen im Computer abgelöst werden.”

15.11.2018

Tim Schröder

Bildquellen: Wärtsilä Propulsion