Einfacher Trick spart enorme Treibstoffmengen bei Schiffen ein
Schiffe gehören zu den wichtigsten Transportmitteln im weltweiten Handel, aber ihr Energieverbrauch ist enorm. Ein Forschungsteam hat jetzt einen einfachen Weg gefunden, um Schiffe künftig deutlich effizienter über die Meere zu schicken. Der Ansatz ist nicht teuer. Umsetzen lässt er sich am besten bei neuen Modellen.
Form und Höhe des Bugs sind ein wichtiger Faktor für die Effizienz und den Treibstoffverbrauch von Schiffen.
Foto: panthermedia.net/AvigatoR (YAYMicro)
Der Schiffsverkehr ist für erhebliche CO2-Emissionen verantwortlich. Trotzdem gelten gerade die großen Containerschiffe als besonders effektiv, da sie extrem große Frachtmengen transportieren können. Fest steht: Es müssen Wege gefunden werden, Schiffe umweltfreundlicher anzutreiben. Anders ist ein klimaneutraler Warenverkehr kaum vorstellbar. Denn etwa 80% der Güter wandern teilweise über den Seeweg zu ihrem Ziel. Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen aus Japan und Vietnam haben jetzt eine einfache Lösung vorgestellt, um Treibstoff in erheblicher Menge einzusparen – sie schlagen vor, den Windwiderstand der Schiffe zu reduzieren. Sie verraten auch, wie das geht.
Der Bug des Schiffes könnte der Schlüssel für mehr Effizienz sein
Der Vorschlag der Forschenden klingt so simpel wie genial: Sie haben Daten vorgestellt, wonach eine flache Bugabdeckung den Gesamtwindwiderstand von Schiffen um fast 40 % verringern könnte. Solch eine verbesserte aerodynamische Leistung würden den Treibstoff-Verbrauch und damit den Ausstoß klimaschädlicher Gase erheblich senken. Gleichzeitig nähme die Geschwindigkeit entsprechender Schiffsmodelle zu. Sie wären also nicht nur umweltfreundlicher, sondern könnten auch wirtschaftlicher betrieben werden.
Die größten Containerschiffe der Welt
Diese Win-Win-Situation ist keine These, sondern wurde von den Experten und Expertinnen mithilfe aufwendiger Simulationen berechnet. Die Forschungsgruppe besteht im Wesentlichen aus Ngoc-Tam Bui, Assistenzprofessor am College of Systems Engineering and Science des Shibaura Institute of Technology, und Ngo Van He und Dr. Ngo Van Hien, außerordentliche Professoren der Hanoi University of Science and Technology. Gemeinsam haben sie verschiedene Bugabdeckungen simuliert und jeweils ermittelt, welchen Einfluss die Veränderungen auf den Gesamtwiderstand der Schiffe haben.
Simulierter Windwiderstand zeigt Einsparpotenzial für den Treibstoff
Für die Simulationen haben die Forschenden eine Software verwendet (ANSYS-Fluent), die bereits auf dem Markt erhältlich ist. Sie dient dazu, Simulationen der numerischen Strömungsmechanik (CFD) durchzuführen. Angewendet haben die Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen sie in Bezug auf ein kleines Passagierschiff (mit und ohne Bugabdeckung). „Dafür haben wir das Schiff und seine Umgebung in Millionen von Elementen unterteilt, wobei wir ein Mesh, also ein numerisches Gitter, verwendet haben“, sagt Bui. „Dann haben wir die Reynolds-gemittelten Navier-Stokes-Gleichungen, die die zeitlich gemittelte Strömungsbewegung für jedes Element darstellen, mithilfe eines turbulenten viskosen Modells gelöst.“ Das klingt kompliziert, ergibt im Ergebnis aber den Windwiderstand, der auf den Teil des Schiffsrumpfs einwirkt, der aus dem Wasser herausragt.
Neuartiger Antrieb macht Schiffe umweltschonend
Die Forschenden stellten fest, dass ein feineres Netz genauere Ergebnisse lieferte, wobei 23,62 Millionen Elemente die optimale Anzahl darstellten. Darüber hinaus lieferte ein spezielles Netzmodell (Detached-Eddy-Simulation (DES) k-ε) den geringsten Windwiderstand unter den fünf Modellen, die in dieser Arbeit getestet wurden. Das Team kombinierte im Anschluss das optimale Netz und das beste Modell und führte Simulationen für sieben flache, plattenförmige Bugabdeckungen unterschiedlicher Länge und Höhe durch sowie für eine herkömmliche stromlinienförmige Abdeckung.
„Der dynamische Druckbereich um den Bug und der Windwiderstand nahmen mit zunehmender Höhe der flachen Abdeckung drastisch ab. Der Gesamtwiderstand des Schiffes war mit einer 2,4 Meter hohen Bugabdeckung um 38,71% geringer als mit einer 0,37 Meter hohen Abdeckung“, sagt Bui. „Dieser Wert ist vergleichbar mit der Verringerung um 42,41 % bei einem Schiff mit einer stromlinienförmigen Abdeckung.“
Bei Schiffen ist auch der Winkel der Windrichtung wichtig
Als weiteren Faktor identifizierten die Forschenden die Windrichtung. Der Luftwiderstand ist unabhängig von der Bugabdeckung am höchsten, wenn der Wind in einem bestimmten Winkel zur Schiffsrichtung weht.
Die Forschungsgruppe hat keinen Zweifel an dem großen Potenzial ihrer Entdeckung: „Die vorgeschlagene flache Bugabdeckung ist einfach herzustellen und reduziert den auf ein Schiff wirkenden Windwiderstand fast genauso gut wie eine stromlinienförmige Abdeckung. Damit wird sie die aerodynamische Leistung kleiner Passagierschiffe verbessern, was zu größeren Treibstoffeinsparungen und wirtschaftlicher Effizienz im Seeverkehr führt“, fasst Bui die Ergebnisse zusammen. Er hofft, dass Schiffskonstrukteure und -konstrukteurinnen schnell auf diese Erkenntnisse zurückgreifen werden.
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