Holistic Analysis of Onboard Consumption and Efficiency of the Energy Systems of Ships

Translated title
Modellsystem zur ganzheitlichen Analyse und Optimierung der Energieeffizienz der Energiewandler auf Schiffen
Publication date
2012
Document type
PhD thesis (dissertation)
Author
Freund, Malte
Advisor
Kabelac, Stephan
Referee
Joos, Franz
Granting institution
Helmut-Schmidt-Universität / Universität der Bundeswehr Hamburg
Exam date
2012-10-19
Organisational unit
DDC Class
620 Ingenieurwissenschaften
Keyword
Energie
Computersimulation
Kraftstoff
Verbrauch
Energy Efficiency
Performance Monitoring
Fuel Consumption
Abstract
Die Schifffahrt ist das effzienteste und bei weitem wichtigste Transportmittel im internationalen Handel. Aufgrund des hohen Transportvolumens ist die Schifffahrt trotz der im Vergleich zu anderen Transportmitteln hohen Effzienz beim Gütertransport ein signifikanter Verursacher von CO2-Emissionen. Steigende Ölpreise sowie verschärfende gesetzliche Regulierungen der Emissionen erfordern zusätzlich Untersuchungen, wie in der Schiffahrt Treibstoff eingespart werden kann. In dieser Arbeit werden die wichtigen Einflussfaktoren auf die Effzienz eines Schiffes im Betrieb analysiert, mit dem Fokus auf Einsparpotentiale im Treibstoffverbrauch und Minderung der Emissionen. Aufgrund der lange Zeit niedrigen Energiekosten in der Schiffahrt und der damit einhergegangenen Vernachlässigung der eingehenden Verbrauchsüberwachung wird ein Bedarf an systematischer Erfassung und Auswertung der Leistungs- und Treibstoffverbräuche in den verschiedenen Betriebsmodi und unter variierenden äußeren Einflussfaktoren festgestellt. Zur Analyse der Energieeffzienz an Bord von Schiffen wird ein modellbasiertes System vorgestellt, das die Effzienz der Energiewandler im Betrieb auswertet und darstellbar macht. Dies kann sowohl mit Echtzeitdaten an Bord, mit gespeicherten Betriebsdaten an Land, als auch mit Design-Vorgaben zur Optimierung der Maschinenanlage erfolgen. Die Grundlagen und der Aufbau der Modelle zur Analyse werden dargestellt. Die erstellten Modelle enthalten sowohl Energiewandler, die Primärenergie in Nutzenergie umwandeln, wie Motoren, als auch solche zur weiteren Umwandlung der Nutzenergie, wie Generatoren. Des Weiteren werden wichtige Verbraucher am Beispiel der Kühlwasserpumpen untersucht. Während bisherige Untersuchungen überwiegend auf der Messung der Treibstoffverbräuche basierten oder diese nicht betrachteten, wird der Treibstoffverbrauch der Motoren anhand der Maschinencharakteristik und der gemessenen Leistung mit zugehörigen Umgebungsbedingungen bestimmt. Die entwickelte Methode ermöglicht darüber hinaus die exergetische Analyse und Optimierung der Maschinenanlage im Betrieb. An Bord eines Containerschiffes wird eine Messkampagne durchgeführt und die Methode und Modelle zur Analyse der Effizienz im Betrieb erfolgreich mit den gesammelten Daten validiert. Weitere Untersuchungen der Messdaten zeigen Verbesserungen durch optimierten Betrieb der vorhandenen Maschinenanlage auf und quantifizieren Einsparungen, die mit partiellem Austausch durch effizientere Maschinen bei dem vorliegenden Lastprofil erreicht werden können.
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