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PA/MA: Lastprofilerzeugung aus Fahrprofilen

PA/MA: Lastprofilerzeugung aus Fahrprofilen

Entwicklung einer Methodik zur automatisierten Erzeugung dynamischer Lastprofile auf der Basis von niedrigaufgelösten Referenzfahrprofilen im Schiffentwurf

 

Development of a method for load profile generation based on reference ship design scenarios

 

Hintergrund

Die Schifffahrt ist eine der effizientesten Methoden des Transports und gleichzeitig einer der größten Emittenten von Treibhausgasen. Nach konservativen Prognosen werden die Treibhausgasemissionen in der Schifffahrt bis 2050 ohne zusätzliche Maßnahmen um mindestens 150% steigen. Diesem Trend entgegen wirken die strategischen Ziele der Internationalen Maritimen Organisation (IMO), die Emissionen bis 2040 um 70% gegenüber 2008 zu reduzieren. Die Umsetzung dieser Ziele kann nur mithilfe umfassende Maßnahmen zur Dekarbonisierung und Energieeffizienzsteigerung gelingen. Neben direkten effizienzsteigernden Maßnahmen, wie der Strömungsoptimierung von Rumpf- und Propellergeometrien, der Optimierung der Verbrennungsmotoren oder der Verwendung alternativer Kraftstoffe, sind dafür auch eine Verbesserung der Architektur sowie Verteil- und Versorgungsstrategie der verschiedenen Energiesysteme eines Schiffes aussichtsreich.
Diese Verbesserungsmaßnahmen umfassen unter anderem:

  • Diesel-elektrische Antriebskonzepte, die durch höhere Flexibilität und der Maschinenauswahl und Betriebsstrategie einen energieeffizienteren Betrieb ermöglichen.

  • Die Integration von alternativen Formen der Leistungsbereitstellung, wie Brennstoffzellen, Photovoltaik oder Wind-Assisted Propulsion, wodurch der fossile Treibstoffverbrauch reduziert wird.

  • Sektorenkopplung/Kraft-Wärme-Kopplung zwischen elektrischen und thermischen Systemen, beispielsweise mittels Verlustwärmenutzung durch Abhitzedampferzeuger an Hauptmaschinen oder Hochtemperaturbrennstoffzellen, zur Verringerung des Bedarfs an zusätzlicher thermischer Leistungsbereitstellung.

  • Die Integration von Speichern für elektrische oder thermische Energie, was eine Entkopplung von Erzeugung und Nutzung der Leistung ermöglicht. Insbesondere während kurzweiliger Spitzenlasten, beispielsweise beim Manövrieren, können Speicher die Generatorlast stabilisieren und so für einen effizienteren Betrieb sorgen.

Die Integration dieser Maßnahmen bedingt eine signifikante Erhöhung der möglichen Energiesystemkomplexität im Vergleich zu konventionellen Konfigurationen mit mechanischem Direktantrieb, Wellengeneratoren und Dampfkesseln. Obgleich der Energiesystementwurf schon für konventionelle Konfigurationen eine hochkomplexe Aufgabe ist, findet er in der Regel manuell und iterativ statt und basiert meist auf Erfahrungswerten der Werft. Dieses Vorgehen kann leicht dafür sorgen, dass unkonventionelle, aber potentiell effizientere Konzepte nicht weiter verfolgt werden, da sie als unbewährt und deshalb risikobehaftet wahrgenommen werden. Die große Komplexität und zögerliche Adoption von unkonventionellen Lösungen machen den Energiesystementwurf zu einem idealen Kandidaten für eine ganzheitliche Optimierung zur Erhöhung der Energieeffizienz. Eine derartige Optimierung, insbesondere bei Berücksichtigung der Konfiguration, ist durch die Größe und Komplexität der Systeme und Konfigurationsoptionen jedoch höchst herausfordernd.

Task Description / Aufgabenstellung

Am Institut für Mechatronik im Maschinenbau wurde zur Bewältigung der Herausforderung einer ganzheitlichen Systemoptimierung eine Methodik entwickelt, die mittels genetischen und gemischt-ganzzahligen Algorithmen gekoppelte Schiffenergiesysteme optimiert - der Maritime Energy System Optimizer (MESO).

Die grundlegendsten und entscheidendsten Eingabegrößen für MESO sind repräsentative, auslegungsrelevante Lastprofile für die verschiedenen Verbraucher auf dem Schiff. Je höher der angestrebte Detailgrad der Optimierung, desto höher muss die räumliche und zeitliche Auflösung dieser Lastprofile sein. Im Entwurfsprozess für Schiffenergiesysteme stehen derartige Informationen jedoch häufig erst zu einem späteren Zeitpunkt zur Verfügung, als für eine möglichst nutzbringende Verwendung von MESO sinnvoll wäre.

In dieser Arbeit soll daher eine Methode zur Erzeugung dynamischer Lastprofile entwickelt werden, die auf Daten von geringer Auflösung und Dynamik aufbauen soll. Dabei sind folgende Punkte zu bearbeiten:

  • Einarbeitung in die Optimierungsmethodik und die bisher verwendeten Daten

  • Recherche zur Erzeugung von Lastprofilen allgemein

  • Auswahl geeigneter Methoden für die verschiedenen Energiesysteme (elektrisch/thermisch)

  • Implementierung der Methoden, vorzugsweise in Python

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Field of Study / Studiengang:

 

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Zweitprüfer / Second Examiner

 

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