SCHIFFSTECHNIK | SHIP
SCHIFFSTECHNIK | SHIP TECHNOLOGY the hybrid options. Methanol fuelled LT-PEMFC using hybrid option 2 result in the lowest newbuild price. Not only the initial investment, but also the operational cost needs to be considered to judge from the cost perspective of the cruise line. Options fuelled by liquefied hydrogen or ammonia have high fuel cost and results in a high increase in total cost. All options with LNG fueled LT-PEMFC perform best from a total cost perspective, of which hybrid option 2 performs the best. When deciding about such an investment it is very relevant to indicate the realized reduction in emissions. Also, it is necessary to know whether these technologies can comply to the upcoming regulations. If your ship is compliant now but needs an expensive refit in 2030, it might not be worth the investment. All on board emissions are included in the calculation, so emissions by reforming process and fuel cell. The fuel cell system drastically reduces CO, NOx, SOx and PM emissions, but for some options the CO2 emissions are still significant due to the exhaust in the reforming process. The optimal solution From a newbuild price perspective methanol fuelled LT-PEMFC with hybrid option 2 is recommended. This option is compliant to ECA regulations and meets the CO2 goals for 2030. LNG fueled LT- PEMFC with hybrid option 2 performs best from a total cost perspective. This option is compliant to ECA regulations but does not meet CO2 targets for 2030. Finally, it must be noted that no optimal fuel cell system or hybridization strategy can be pointed out. The fuel cell system and hybridization strategy selection are very dependent on the requirements of the customer (cruise line). The cruise line might prefer a ship with a lower newbuild price because it is easier to finance or the customer might even require a full fuel cell powered ship, because the cruise line needs a zero-emission ship. For this reason, the proposed design tool is very useful, because it can be used to evaluate and compare the different options for different designs requirements. Author: Berend van Veldhuizen, Delft University of Technology Increase in total cost compared to conventional vessel over lifetime of 15 years © Veldhuizen Normalized emissions compared with CO2 ambition levels for hybrid 2 52 HANSA – International Maritime Journal 03 | 2021
SCHIFFSTECHNIK | SHIP TECHNOLOGY CFD für Performance Monitoring Performance Monitoring wird zunehmend zur Bewertung der Energieeffizienz von Schiffen eingesetzt, wobei CFD (Computational Fluid Dynamics) hierbei eine Schlüsselrolle spielt – mit Möglichkeiten und Grenzen CFD-Simulationen helfen auch bei der Analyse von Windkräften für das Schiffsdesign © Numeca Für Performance-Monitoring-Anwendungen interessiert in erster Linie die ideale Leistung (= für glatten Rumpf) als Funktion von Tiefgang, Trimm und Geschwindigkeit. Bei Parametervariationen wie Trimm, Tiefgang und Geschwindigkeit ist CFD Modellversuchen überlegen, da die Simulationen leicht parallelisiert und automatisiert werden können. Bei den Simulationen sind einige Punkte zu beachten, die im Folgenden kurz aufgeführt sind. Im Entwurf wird der Wellenwiderstand generell für Entwurfsbedingungen – voll abgeladen und Entwurfsgeschwindigkeit – minimiert. Aber im Performance Monitoring tauchen im wesentlichen »Off-Design«-Bedingungen auf, mit Zwischentiefgängen und niedrigeren Geschwindigkeiten. Bei diesen Bedingungen kommt es häufig zu brechenden Wellen am Vorschiff. Die CFD- Methode muss dies abbilden können und sollte idealerweise dann auch für Großausführungsbedingungen rechnen. Der Propeller wird meist nicht direkt modelliert, sondern nur in seiner Wirkung über sogenannte »body forces« erfasst. Für Performane Monitoring ist dieser Ansatz absolut akzeptabel. Die Rauigkeit von Oberflächen kann als Parameter in CFD-Berechnungen variiert werden. Auch wenn keine absolute Genauigkeit in diesem Ansatzes erreicht werden kann, liefern derartige Variationen wertvolle Einblicke in ortsabhängigen Effekte von Fouling. Turbulenzmodellierung scheint inzwischen ausgereift zu sein, zumindest für Ansprüche im Performance Monitoring. »Wie genau ist die CFD Rechnung?« Diese Frage wird immer wieder gestellt. Probefahrten von Schwesterschiffen zeigen Abweichungen von 5–6% in gemessener Leistung bei Entwurfsgeschwindigkeit. Weder CFD-Vorhersagen noch Modellversuche können genauer sein als diese Variationen. Stattdessen sollten Vorhersagen nach den Probefahrten an den gemessenen Daten geeicht werden. Für die Berechnung des Zusatzwiderstands in Wellen, der zur Kompensation bei höherem Seegang benötigt wird, sieht es eher düster aus. Bei kurzen Wellen versagen praktisch alle Ansätze, den Zusatzwiderstand auch nur annähernd richtig vorherzusagen. Und selbst bei den besten verfügbaren Werkzeugen macht es wenig Sinn, den erforderlichen Aufwand zu betreiben, solange wir nur grobe Schätzungen für den Seegang verwenden. Da bleibt nur, Datensätze für höheren Seegang herauszufiltern. Für Ruder- und Manövrierkräfte spielt CFD in der Performance Monitoring Praxis keine Rolle. Falls diese Kräfte überhaupt erfasst werden, reichen einfache semi-empirische Abschätzungen. Beim Zusatzwiderstand durch Wind hat sich CFD als gleichwertige Alternative zu Windtunneln entwickelt. Für größere Parameterstudien die zum Beispiel Windrichtung und Tiefgang variieren, wäre CFD wieder aufgrund der leichten Parallelisierung die bevorzugte Wahl. Solche Parametervariationen könnten zu genaueren Windkraftmodellen im Performance Monitoring führen. CFD könnte auch eingesetzt werden, um die lokalen Strömungsverhältnisse am Anemometer zu bestimmen, um jetzige Verfälschungen der Messungen zu kompensieren. Der erforderliche Aufwand ist jedoch für die Praxis immer noch zu hoch für derartige Anwendungen. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass CFD zu einer praktikablen und manchmal überlegenen Alternative zu Modellversuchen herangereift ist. Dies wird im Performance Monitoring von Schiffen vielfach genutzt. Autor: Volker Bertram, DNV GL Dieser Artikel ist eine Zusammenfassung eines Beitrags von der Konferenz HullPIC 2020 (www.hullpic.info) HANSA – International Maritime Journal 03 | 2021 53
