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Überwachung der Kraftstoffausnutzung bei Schiffsmotoren

Bild 1. Je nach Größe belaufen sich die jährlichen Kraftstoffkosten eines Containerschiffs auf 10 Mio. US-$ und 20 Mio. US-$

Bild 2. Bachmann Electronic ist Systemlieferant für hochverfügbare Automatisierungssysteme

Bild 3. Das M1-Automatisierungssystem bildet den Kern des Fuel Efficiency Controller

Die Dimar-Tec Pte. Ltd. mit Sitz in Singapur ist Spezialist für den Service und die vorausschauende Wartung von Dieselaggregaten im Schiffbau, für Offshore-Anwendungen und Landanlagen. Auf Basis des M1-Automatisierungssystems von Bachmann hat das Unternehmen den „Fuel Efficiency Controller“ (FEC) entwickelt. Diese Lösung dient Schiffsführern zur Darstellung der effektiven Leistungserbringung des Antriebssystems und der Aufzeigung von Möglichkeiten zur besseren Kraftstoffnutzung.

Die Kraftstoffkosten für ein mittleres bis großes Containerschiff betragen zwischen 10 Mio. US-$ und 20 Mio. US-$ pro Jahr (Bild 1). Eine Schlüsselgröße für die Leistungsfähigkeit einer Antriebsanlage ist der sogenannte spezifische Treibstoffverbrauch (SFOC – Specific Fuel Oil Consumption). Wird dieser Wert mit anderen schiffsspezifischen Daten, wie der Geschwindigkeit durchs Wasser und über Grund, zu aussagekräftigen Kennzahlen verdichtet, erhalten Schiffseigner zuverlässige Daten zur Performance-Beurteilung auf Flottenniveau. „Mit den gängigen Datenerfassungssystemen lassen sich allerdings nur schwer aussagefähige Kennzahlen zur Leistungsausnutzung des Kraftstoffs ermitteln“, erklärt Olaf Kuss, Geschäftsführer der 2003 gegründeten Dimar-Tec Pte. Ltd.. Das 14 Mitarbeiter große Unternehmen bietet Sensoren und technische Serviceleistungen zur Leistungsoptimierung von Schiffsmotoren an. Mit dem FEC-System ermöglicht es nun Bordingenieuren, Kapitänen und Reedereien, Einsparpotenziale beim Treibstoffverbrauch ihrer Schiffe zu identifizieren. Gleichzeitig wird dabei aufgrund der optimalen Energieausbeute des Diesels, auch die Umwelt geschont.

Fehlerbehaftete Verbrauchsdatenannahme
Schiffsdieselmotoren nutzen als Kraftstoff Schweröl. Anders als bei Benzin oder Fahrzeugdiesel variiert die Zusammensetzung von Schweröl und damit auch der Energiegehalt. Anhand der spezifischen Dichte lässt sich sein Heizwert berechnen und zusammen mit den motorspezifischen Kenndaten der Kraftstoffverbrauch eines Schiffs kalkulieren. „Die Motorenhersteller spezifizieren den SFOC-Wert auf Basis der ISO 3046-1 unter definierten Betriebsbedingungen des Motors“, so O. Kuss. Dazu gehören neben der Schweröldichte auch Luftdruck, Umgebungs- und Kühlwassertemperatur sowie weitere Parameter. Solange diese aber nicht schiffsspezifisch erfasst und in Bezug zur rein theoretisch nach der Norm kalkulierten Verbrauchsgröße gesetzt werden, ist eine Beurteilung der Verbrauchsdaten jedoch zumeist fehlerbehaftet. Der Geschäftsführer schätzt, dass diese Fehler Größenordnungen von 10 % bis 25 % erreichen und dass dies der maritimen Industrie noch nicht bewusst ist.

Kenngrößen messbar gemacht
Abhilfe bietet nun der Fuel Efficiency Controller. Er wertet die Daten von ca. zehn bis 15 Sensoren, die an verschiedenen Stellen am Antriebssystems im Schiff angebracht sind, aus. Daraus ergeben sich die Randbedingungen, unter denen der Dieselmotor betrieben wird. Auf diese Weise werden verschiedene Kenngrößen erstmals messbar gemacht und in Echtzeit in Bezug zu den spezifizierten Daten gestellt. Die Reederei erhält die Möglichkeit, genau die Verbrauchswerte zu beurteilen oder mit den Daten anderer Schiffe zu vergleichen. Daraus lassen sich entsprechende Rückschlüsse ziehen und im täglichen Betrieb sowie bei der regelmäßigen Wartung des Schiffs berücksichtigen. Die Systemauslegung und die Parametrierung des FEC erfolgen schiffsspezifisch durch Dimar-Tec. Die Mitberücksichtigung der sensorspezifischen Toleranzen an Bord ermöglicht eine weitere Optimierung sowie die Angabe der Genauigkeit des Gesamtsystems und der Ausgabewerte.

Die wesentlichen Anforderungen
Bei der Realisierung des FEC galt es, komplexe Anforderungen hinsichtlich der Bedienerführung, der Flexibilität der Abfragen sowie der Auswertung von Messdaten umzusetzen. Dabei war die freie IO-Zuordnung der Ein- und Ausgangssignale und der Messstellen Voraussetzung, um den Einsatz des Systems in unterschiedlichen maritimen Peripherieumgebungen möglich zu machen. Das ist deshalb wichtig, weil der FEC die Erfassung und Bereitstellung zuverlässiger Verbrauchs-Messdaten unabhängig von der individuellen Belegung der Ein- und Ausgänge auf den verschiedenen Schiffstypen sicherstellen soll.
Realisiert wurde diese Anforderung von den Software-Spezialisten der Reinholz Software & Technology GmbH in Zusammenarbeit mit Bachmann Electronic. Auf Basis des M1-Automatisierungssystems (Bild 2 und Bild 3) haben sie die frei parametrierbare IO-Zuordnung entwickelt. Über ein WT205-Webterminal oder einen FTP-Zugang können alle Ein- und Ausgangssignale individuell belegt werden, ohne dass der Bediener in das SPS-Programm eingreifen muss. Nutzer können so auch ohne Programmierkenntnisse sicher und unkompliziert mit dem System arbeiten. Das erleichtert die weltweite Installation der Systeme und hilft, die Inbetriebnahme- und Servicekosten für den Kunden gering zu halten. Ein spezieller Service-Modus der Software schützt die schiffsspezifische Parametrierung und verhindert Fehlbedienungen des Bordpersonals.

Weitere Projekte bereits in Planung
„Der FEC auf Basis des Bachmann-Automatisierungssystems ermöglicht erstmals eine sehr genaue Beurteilung der Effizienz des Antriebssystems“, fasst O. Kuss das Projektergebnis zusammen. Er hat auch schon die nächsten Optimierungspotenziale im Visier: der Treibstoffverbrauch pro nautischer Meile ist nicht nur vom optimalen Wirkungsgrad des Motors abhängig. Viele Parameter, von der Propellereffizienz über Rudereinschlag, Trimm und Tiefgang des Schiffs bis hin zum Muschelbewuchs an der Schiffshaut beeinflussen die aus der Leistung an der Welle letztlich resultierende Geschwindigkeit des Schiffs. Diese Größen zu erfassen und zur Beurteilung verfügbar zu machen, ist ein nächstes Projekt.

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Autor: Dipl.-Ing. Frank Spelter ist Leiter der Unternehmenskommunikation bei der Bachmann Electronic GmbH in Feldkirch/Österreich.