In einer Forschungskooperation mit dem Institut für Schiffstechnik, Meerestechnik und Transportsysteme der Universität Duisburg-Essen wird eine Software (BinEm) entwickelt, die mithilfe der Messung von Luftschadstoffen auf Binnenschiffen unter realen Betriebsbedingungen kalibriert und validiert werden soll.
Aufgabenstellung und Ziel
Die Schifffahrt soll nach Vorgaben der EU bis zum Jahr 2050 klimaneutral werden. Zur zwischenzeitlichen Reduktion der Treibhausgas- und Schadstoffemissionen werden verschiedene Technologien (z. B. Abgasreinigung) eingesetzt. Um den Einfluss von neuen Technologien auf die Schiffsemissionen abschätzen zu können, sind realistische Angaben zu den emittierten Schadstoffen durch die Binnenschifffahrt notwendig. Die bisher veröffentlichten Emissionsdaten, die der Binnenschifffahrt zugerechnet werden, basieren auf Modellen mit vielen Annahmen, die die Betriebsparameter im realen Einsatz sehr vereinfacht abschätzen. Aus diesem Grund wurde im Rahmen eines gemeinsamen Forschungsvorhabens der BAW und der Universität DuisburgEssen ein Verfahren zur Berechnung der Binnenschiffsemissionen entwickelt.
Bedeutung für die Wasserstraßen- und Schifffahrtsverwaltung des Bundes (WSV)
Mit der im Rahmen der Forschungskooperation mit dem Institut für Schiffstechnik, Meerestechnik und Transportsysteme (ISMT) entwickelten Software können Emissionen der Binnenschifffahrt für beliebige Regionen und Schiffsflotten modelliert werden. Damit steht der BAW eine Methode zur Verfügung, die es ermöglicht, den Anteil der Binnenschifffahrt an den Luftschadstoffen abzubilden und den Erfolg von Emissionsminderungsmaßnahmen zu bewerten. Auf Basis dieser Ergebnisse können Entscheidungsträger im BMDV und in der GDWS erfolgversprechende Maßnahmen zur Minderung von Binnenschiffsemissionen gezielt ableiten, geltende Vorschriften anpassen oder neue erlassen.
Untersuchungsmethoden
Das entwickelte Verfahren besteht aus mehreren Modulen. Zunächst wird der Schiffswiderstand in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit über Grund und der Strömung berechnet (Noß und Kossmann 2021). In dem aktuellen Verfahren wird nun auch der zusätzliche Widerstand bei Kurvendrift berücksichtigt. Hierfür greift das Programm auf einen äquivalenten Geradeauswiderstand zurück und addiert in Abhängigkeit des Driftwinkels einen in einer Datenbank hinterlegten Beiwert für den zusätzlichen Widerstand durch Schräganströmung. Anschließend werden der Gütegrad der Propulsion und die Propellerdrehleistung ermittelt. Mithilfe charakteristischer Propellerfreifahrtdiagramme und Motorenkennfelder sowie leistungsbezogener Faktoren werden final der Kraftstoffverbrauch und die Schiffsemissionen berechnet (Noß und Kossmann 2022). Die Spannweite an Schiffs- und Motorenparametern ist sehr groß. Basierend auf Simulations- und Modellversuchsergebnissen charakteristischer Schiffe (Noß und Kossmann 2021, 2022; Kossmann und Wierczoch 2022) wurden einzelne Widerstandsbeiwerte und der Gütegrad der Propulsion in Abhängigkeit von Schiffsgeschwindigkeit und Wassertiefenverhältnis zu Abladetiefenverhältnis berechnet. Der für die Propulsion verwendete Propeller ähnelt in seiner Geometrie einem charakteristischen Binnenschiffs-Düsen-Propeller. In Abhängigkeit von der berechneten Propulsions- bzw. Bremsleistung, der Schiffsgröße und der Anzahl der Propeller wählt das Verfahren einen passenden Motor in einer Datenbank aus. Diese beinhaltet für schnelllaufende Dieselmotoren mit Leistungen zwischen 400 und 1200 kW Daten zur Motorleistung, Drehzahl und zum spezifischen Kraftstoffverbrauch. Der gewählte Ansatz ist für den Großteil der Flotte sowie Betriebspunkte während einer typischen Streckenfahrt anwendbar. Situationen wie Ausweichmanöver, Ausweichmanöver, Schleusenfahrten oder An- und Ablegemanöver lassen sich mit diesem Ansatz jedoch nicht abbilden.
Um bis Mitte des Jahrhunderts eine weitgehende Treibhausgasneutralität glaubhaft erreichbar zu machen, ist es erforderlich, den Verkehrssektor so weit wie möglich zu elektrifizieren. Die Elektrifizierung von Pkw und Nutzfahrzeugen ist vor allem durch regulatorische Vorgaben getrieben, in der EU insbesondere durch die Verordnungen über die CO2-Flottenzielwerte. Vergleichbare Vorgaben, welche die Elektrifizierung mobiler Maschinen und Geräte, wie Kettensägen, Bagger, Diesellokomotiven, Binnenschiffe, Landmaschinen und Zweiräder anreizen, fehlen bislang auf EU Ebene. Hinzukommt, dass die Ansätze zur CO2-Regulierung für Straßenfahrzeuge nicht einfach auf mobile Maschinen und Geräte übertragen werden können. Zum Beispiel sind Baumaschinen meist 'zulassungsfrei', d.h. die Anzahl der jedes Jahr in Verkehr gebrachten Baumaschinen ist den Behörden nicht genau bekannt. Durch die Elektrifizierung von mobilen Maschinen, Landmaschinen und Zweirädern ergeben sich erhebliche 'Co-Benefits' in Form wesentlich niedrigerer Lärmemissionen, höherer Arbeitssicherheit und weniger gesundheitlicher Belastungen an Baustellen, Entlastung von Anwohner*innen und niedrigerer Luftschadstoffbelastung. Das Vorhaben sollte vor dem Hintergrund des aktuellen regulatorischen Rahmens Regulierungsoptionen zur Elektrifizierung der genannten Fahrzeuge, Maschinen und Geräte in der EU, z.B. über Flottenzielwerte, über Quotensysteme etc., aufzeigen und diese bewerten. Im Ergebnis werden ausgewählte Optionen feiner ausgearbeitet, Vorschläge zu möglichen konkreten Anforderungen bzw. Zielwerten auf Basis von Kosten und technischen Potentialen abgeleitet und in Form eines Abschlussberichts veröffentlicht.
Aus Gründen der Energieeffizienz, Ressourcenschonung und Treibhausgas-Minderung zeichnet sich ab, dass die Verkehrsarten möglichst elektrifiziert werden sollten. Sofern das nicht möglich ist, muss der Endenergiebedarf durch andere Kraftstoffe gedeckt werden, die langfristig treibhausgasneutral her- und bereitgestellt werden müssen. Batterien wurden in den letzten Jahren deutlich leistungsfähiger (gravimetrische und volumetrische Energiedichte) und werden auch absehbar noch besser und günstiger. Zukünftig sollten dadurch weitere Verkehrsmodi batterieelektrisch betrieben werden können und andere noch umfassender als bisher. Dies ermöglicht geringere Bedarfe an anderen Endenergieträgern und einen geringeren Energiebedarf. Im Vorhaben sollen die jetzigen und insbesondere zukünftigen Möglichkeiten der Batterie-Technik in Anwendungen des Verkehrs detailliert untersucht werden. Die verkehrsträgerseitigen Anforderungen der jeweiligen charakteristischen Segmente der Verkehrsarten (z.B. Fähren, Binnenschiffe, Zweiräder, Linienbusse) an die Energieversorgung müssen dazu detailliert aufgeschlüsselt werden, um diese anschließend ggf. wieder clustern zu können. Welche Arten von Energiespeichern werden dafür benötigt bzw. jetzt schon entwickelt, welche Kostenentwicklungen sind zu erwarten? Batterietechnisch sind alle Ansätze zu identifizieren, die in den nächsten 2 bis 3 Dekaden aus heutiger Sicht relevant werden könnten. Die Beurteilung erstreckt sich auch auf die Risiken der Technik und die Kritikalität von Rohstoffen. Für die auch zukünftig nicht realistisch elektrifizierbaren Verkehrsträger wäre zu untersuchen, welche Energieträger (PtG-H2, PtG-Methan, PtL) und Antriebe dann, unter Berücksichtigung der Energieeffizienz, Ressourcen und THG-Minderung, als geeignete Alternative erscheinen. Diese Arbeiten sind die Grundlage für eine Abschätzung des zukünftigen Endenergie- und Primärenergiebedarfs im Verkehr, was in drei Szenarien ermittelt werden soll.
CFD-Modellierung der Schiff-Wasserstraße-Interaktion
Mathematische Modellierung der Interaktion zwischen Binnenschiff und Wasserstraße für Schiffsführungssimulatoren
Eine physikalisch korrekte Abbildung der Wechselwirkung zwischen Binnenschiff und Wasserstraße ist entscheidend für genaue Befahrbarkeitsanalysen auf Binnenschiffsführungssimulatoren. Dieses Projekt zielt darauf ab, die Vorhersage der Manövrierfähigkeit von Binnenschiffen in begrenzten Wasserstraßen mit Hilfe numerischer und experimenteller Methoden zu verbessern.
Aufgabenstellung und Ziel
Für die Bearbeitung von Fragestellungen zur Befahrbarkeit von Binnenwasserstraßen ist eine realitätsnahe Simulation der Wechselwirkung zwischen Schiff und Wasserstraße unerlässlich. Für die Durchführung von Verkehrsanalysen stehen der BAW unter anderem der Schiffsführungssimulator ANS6000 sowie der von der BAW entwickelte Fast-Time-Simulator FaRAO (Fahrdynamische RoutenAnalyse und Optimierung) zur Verfügung. Diese werden fortlaufend an die aktuellen Anforderungen der Binnenschifffahrt angepasst. Ziel dieses Forschungsvorhabens ist die Anpassung der Simulatoren an komplexe Manöversituationen, wodurch ihr Einsatzbereich erweitert und die Validität der Untersuchungsergebnisse deutlich verbessert wird.
Hauptbestandteil des Forschungsvorhabens ist die systematische numerische und experimentelle Untersuchung der Wechselwirkung zwischen Binnenschiff und Wasserstraße unter extremen Bedingungen mit dem Ziel, die Validität der Manövriermodelle zu verbessern. Als extreme Bedingungen gelten Manövriervorgänge in der Nähe von Wasserbauwerken wie Wänden, Schleusen und Häfen sowie Begegnungen und Überholvorgänge. Mithilfe von numerischen und experimentellen Methoden sollen die wichtigsten hydrodynamischen Effekte charakterisiert werden. Diese zahlreichen Untersuchungen liefern dann eine wertvolle und umfangreiche Datengrundlage zur mathematischen Modellierung von komplexen Wechselwirkungen zwischen Binnenschiff und Wasserstraße. Die entwickelten Modelle sollen in die BAWeigenen fahrdynamischen Simulatoren implementiert werden.
Bedeutung für die Wasserstraßen- und Schifffahrtsverwaltung des Bundes (WSV)
Die Optimierung der verkehrswasserbaulichen Planung hinsichtlich der Sicherheit und Leichtigkeit der Schifffahrt ist eine häufige Fragestellung der WSV im Rahmen der Ausbauplanung von Binnenwasserstraßen. Dafür erforderliche Modelluntersuchungen werden im Referat Schifffahrt mithilfe fahrdynamischer Modellierungen mit dem Schiffsführungssimulator ANS6000 und/oder mit dem Fast-Time-Simulator FaRAO durchgeführt. Die Weiterentwicklung von parametrischen Berechnungsansätzen für komplexe Manöversituationen innerhalb der eingesetzten Methoden wird die Validität der fahrdynamischen Simulationen verbessern, sodass künftig weitestgehend auf eine Durchführung von aufwendigen Labor- und Naturuntersuchungen verzichtet werden kann. Die präzisere Vorhersage der Manöver bei Ein- und Ausfahrten von Schleusen und bei der Anfahrt von Anlegestellen sowie zur Befahrbarkeit von beschränktem Fahrwasser ermöglicht eine kompetente und effiziente Beratung der WSV durch die BAW.
Die Motoren von Binnenschiffen gelten allgemein als ineffizient und dreckig - ihr Schadstoffausstoß gilt immer noch als zu hoch. Aber ist diese pauschale Aussage richtig? Die Ladungsmenge auf einem einzelnen Binnenschiff übertrifft diejenige von LKW und Bahn um ein Vielfaches, wodurch der Transport im Allgemeinen sehr effizient ist. Trotzdem ist der Schadstoffausstoß verhältnismäßig hoch, weshalb die Europäische Union die Grenzwerte für ausgestoßene Schadstoffe auch für die Binnenschifffahrt verschärfen wird.
Im Rahmen des europäischen Forschungs- und Innovationsprogramms HORIZON2020 beteiligt sich die BAW am Vorhaben PROMINENT (promoting innovation in the inland waterways transport sector; http://www.prominent-iwt.eu/). Das Vorhaben hat zum Ziel, den Treibstoffbedarf und die Luftschadstoffemissionen der Binnenschiffe durch technische Maßnahmen und energieeffiziente Navigation zu reduzieren. Mit der Entwicklung eines Assistenzsystems erhält ein Schiffsführer Hinweise, wie er seinen Zielhafen treibstoffsparend und termingerecht erreichen kann. Dafür werden neben Motor- und Verbrauchsdaten von Schiffen auch Informationen zur Wassertiefe, Strömungsgeschwindigkeit und Wasserspiegellage für den zu befahrenden Flussabschnitt benötigt. Da präzise Peildaten und mehrdimensionale numerische Modelle nicht flächendeckend für alle Wasserstraßen innerhalb der EU verfügbar sind, rüstet die BAW Binnenschiffe mit Messgeräten zur Erfassung von Sohlenhöhen und Strömungsgeschwindigkeiten aus. Dabei werden gleichermaßen die Machbarkeit und der Aufwand für die Installation und den Betrieb der Sensorik bewertet.
Die Reederei Deymann Management GmbH und Co. KG mit Sitz in Haren (Ems) unterstützt das Vorhaben, indem sie die Installation der Sensoren auf dem Großmotorgüterschiff (GMS) MONIKA DEYMANN gestattet. Das Schiff wurde im Juli 2016 in den Dienst gestellt. Die BAW hat in der Bauphase den Einbau und die Verkabelung der geplanten Sensoren mit der Reederei sowie der ausführenden Werft abgestimmt und durchgeführt. Das 135 m lange und 14,2 m breite GMS verkehrt derzeit im Liniendienst zwischen Antwerpen und Mainz. Es fährt in der Regel mit drei Lagen Containern, woraus ein mittlerer Tiefgang zwischen 1,8 m und 2,5 m resultiert. Für einen Umlauf Antwerpen - Mainz - Antwerpen werden sieben bis acht Tage benötigt, sodass das Schiff den Mittelrhein rund zweimal pro Woche passiert.
Eine besondere Herausforderung ist es, von einem Binnenschiff aus die Strömungsgeschwindigkeiten im laufenden Schiffsbetrieb zu erfassen, da die Strömung im nahen Umfeld des Schiffes durch das Rückströmungsfeld gestört wird. Dessen Größe und Ausdehnung hängt insbesondere vom Gewässerquerschnitt und der Schiffsgeschwindigkeit gegenüber Wasser ab. Bei geringen Wassertiefen kann daher die Geschwindigkeit nicht vertikal unter einem Binnenschiff gemessen werden, wie es bei Messschiffen sonst üblich ist. (Text gekürzt)