INTERNATIONAL MARITIME JOURNAL

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INTERNATIONAL MARITIME JOURNAL 06 |2016

www.hansa-online.de

ISSN 0017750-4

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Juni 2016 | 153. Jahrgang ISSN 0017-7504 | C 3503 E | € 14,80

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Schiffstechnik | Ship Technology

60 HANSA International Maritime Journal – 153. Jahrgang – 2016 – Nr. 6

Optimierung für Rumpf und Propeller Die HullPIC Konferenz brachte im April Entwickler und Anwender von Hull Performance Monitoring Systemen zusammen. Die HANSA fasst die wichtigsten Erkenntnisse zusammen

Diverse Technologien könnten Treib-stoff sparen, werden aber kaum ein-

gesetzt, da den versprochenen Einspa-rungen nicht getraut wird und Verträge zwischen Eignern und Charterern keine Win-Win-Situationen ermöglichen. Zu diesen Technologien gehören hochwerti-ge Antifouling-Beschichtungen und eini-ge propulsionsverbessernde Maßnahmen. ISO 19030 sollte hier Fortschritt bringen.

Der Standard beschreibt Prinzipien zum Performance Monitoring für Rumpf und Propeller und soll schon bald erhältlich sein. Die 1st Hull Performance & Insight Conference (HullPIC) brachten kürzlich Entwickler und Anwender zu einem ers-ten Erfahrungsaustausch zusammen, bei dem der Andrang groß war. Mit 80 Teil-nehmern, davon ein Drittel Reeder, war der Festsaal des Castello di Pavone in Itali-en bis auf den letzten Platz gefüllt (die Kon-ferenz-Proceedings sind unter www.Hull-PIC.info abrufbar).

Der Standard ISO 19030 war dabei in der Position eines Schwiegersohns in spe, der zum ersten Mal vorgestellt wird: kri-tisch betrachtet, mit vorsichtiger Höflich-keit kommentiert, aber noch lange nicht von ganzem Herzen angenommen – außer von seinen eigenen Eltern. Der Wert von Performance Monitoring bleibt umstrit-ten, formulierte Ryo Kakuta (NYK Lines, MTI). Geir Axel Oftedahl (Jotun und Se-kretär der ISO 19030) sah es deutlich posi-tiver: Fortschritte beim Hull Performance Monitoring sollten Anbietern und Anwen-dern von energiesparenden Maßnahmen erlauben, bessere Entscheidungen in kür-zerer Zeit zu treffen. Performance Monito-

ring sollte auch einen besseren Ausgleich von Interessen in Verträgen zwischen Ge-schäftspartnern erlauben. Dies sollte zu mehr Energieeffizienz in der Schifffahrt weltweit führen.

Zentrales Thema: DatenerfassungDer Standard betont die Bedeutung genau-er Messdaten. Wenn Sensoren falsche oder gar keine Daten liefern, ist Performance Monitoring zum Scheitern verurteilt (»gar-bage in – garbage out«). In der Praxis ist gute Datenerfassung vor allem auf älte-ren Schiffen eine Herausforderung. Da-von konnte auch Michael vom Baur (Hop-pe Marine) ein Lied singen: »Je länger man auf dem Gebiet arbeitet, desto offensichtli-cher wird es, dass die Datenerfassung und -integration an Bord ein Schlüsselthema ist, wenn man aussagekräftiges Perfor-mance Monitoring will.« Diverse andere Experten für Messtechnik unterstützten seine Auffassung.

Die Leistung an der Propellerwelle und die Geschwindigkeit durchs Wasser sind die wichtigsten Eingabeparameter. Die meisten Experten sahen die Messung des Propellerdrehmoments und der Drehzahl als unverzichtbar an. Fumi Yakabe (JST-RA) dagegen bekräftigte die Haltung der japanischen ISO-19030-Delegation, dass man durch die Motorleistung (im Wesent-lichen ausgedrückt durch den Treibstoff-verbrauch) indirekt auf die Propellerleis-tung schließen kann. Allerdings nur, wenn der Motor in sehr gutem Zustand ist und diverse Zusatzgrößen sauber gemessen werden. Unbestreitbar wird Performance Monitoring einfacher, wenn man hydrody-

namische Performance (hinter dem Mess-punkt für Drehmoment und an Drehzahl der Propellerwelle) und Motor-Perfor-mance (vor diesem Punkt) trennen kann. Ebenso bestand Konsens mit Erik Hages-tuen (Kyma), dass die Motor-Performance für ein Gesamtbild mit betrachtet werden sollte, auch wenn sie nicht Bestandteil von ISO 19030 ist.

Während die Aufteilung in hydrody-namische und Motor-Performance noch recht einfach ist, gestaltet sich eine Auf-teilung in Propeller-Performance und Rumpf-Performance höchst problema-tisch, zumindest in der rauen Wirklich-keit. ISO 19030 hat in Anerkennung der existierenden Schwierigkeiten eine derar-tige Aufteilung zunächst auf unbestimm-te Zukunft verschoben. Sergiu Paereli (Jo-tun) behandelte die Problematik im Detail. Selbst wenn (wie heute sehr selten) der Schub zusätzlich zum Drehmoment ge-messen wird, sind die Messungen so unge-nau und die Gleichungen so empfindlich, dass es im Endergebnis zu großen Unge-nauigkeiten kommt.

Große ErwartungenBei Anbietern, die hier große Versprechun-gen machen, wird in der Regel nach einer Sensitivitätsanalyse große Ernüchterung einkehren. Erik van Ballegooijen (VAF In-struments) zeigte allerdings einen Silber-streif am Horizont: Optische Messverfah-ren liefern deutlich höherer Genauigkeit als die derzeitigen Dehnungsmessstreifen. Nun müssten nur noch derartige Messver-fahren Standard werden. Die eigentliche Achillesferse ist und bleibt die Geschwin-

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Die erste Ausgabe der Konferenz war bis auf den letzten Platz ausgebucht

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digkeit durchs Wasser. Mark Bos (BMT Smart) fasste treffend zusammen: »Ein Log muss kalibriert werden, um einen sys-tematischen Fehler in der Messung zu ver-meiden. Im Laufe der Zeit kann sich der Fehler verändern und eine Neu-Kalibrie-rung nötig werden. Aber es ist nicht offen-sichtlich, wie man das Log kalibrieren soll, wenn die Geschwindigkeit durchs Wasser unbekannt ist. Ohne spezielle Probefahr-ten ist dies schwierig und derartige wieder-holte Probefahrten sind unüblich für die fahrende Flotte.« Bos regte an, die derzeiti-ge ISO 19030 zu verbessern, indem auf die viel genauere Geschwindigkeit über Grund und Daten zur Strömungsgeschwindigkeit von MetOcean-Anbietern zurückgegriffen wird. In seinem Beispiel gab dies plausible-re Ergebnisse als die direkte Log-Messung.

Als abschließenden Denkanstoß wies Thilo Dückert (DNV GL) darauf hin, dass sowohl Qualität als auch Frequenz der Da-ten wichtig seien, wobei erstere eine grö-ßere Rolle spiele: »Lieber gute Daten ein-mal täglich als alle 15 Sekunden schlechte Daten«. Dückert argumentierte, dass beim Noon-Report ein Mensch auf die Daten schaue und damit eine Plausibilitätskont-rolle stattfinde, während automatische Da-tenrecorder manchmal monatelang unsin-nige Daten aufzeichnen würden, wenn ein Sensor ausgefallen sei.

50 Shades of GreyRohdaten müssen für sich immer wie-der ändernde Betriebsbedingungen (Ge-schwindigkeit, Tiefgang, Trimm, etc.) und Umweltbedingungen (Seegang, Wind, etc.) korrigiert werden (»normalisiert« im Ex-pertenjargon), damit Äpfel nicht mit Bir-nen verglichen werden. Dazu braucht man ein Modell, z.B. um Unterschiede in der Leistung für verschiedene Tiefgänge oder Windbedingungen zu quantifizieren. Je nach Vorgehensweise haben diese Model-le unterschiedliche Genauigkeit. Micha-el Haranen (Napa) unterscheidet White-Box-, Grey-Box- und Black-Box-Methoden. White-Box-Methoden (= first-principle-Methoden) sind »voll transparent« und basieren komplett auf bekannter Physik. Aber CFD-Simulationen, die alle Effek-te und Wechselwirkungen erfassen, sind auf absehbare Zeit mit vertretbarem Auf-wand nicht zu realisieren. Black-Box-Mo-delle benutzen dagegen ausschließlich maschinelles Lernen oder Systemidenti-fikation. Dabei müssen »nur« alle Variab-len, die die Leistung beeinflussen, bekannt sein und erfasst werden. Bei diesem An-satz sind Messgenauigkeit und hohes Rau-schen in den Daten (durch nicht erfasste,

häufig auch nicht erfassbare Variablen) die Hauptprobleme. Die »grauen« Modelle lie-gen dazwischen: Manche Zusammenhän-ge werden vorgegeben, manche Koeffizien-ten nach Messergebnissen angepasst.

Alle präsentierten Ansätze waren Grey-Box-Modelle. Da gab es dann aber die »50 Shades of Grey«. Die Dunkelgrauen kritisierten die Hellgrauen, die Hellgrau-en die Dunkelgrauen. Bei den Vorträgen konnte man zuweilen an die Bibel denken: Warum siehst du den Splitter im Auge dei-nes Bruders, aber den Balken in deinem Auge bemerkst du nicht?

Black-Box-Methoden können nur in-nerhalb ihrer Erfahrung vernünftig vor-hersagen. Extrapolation über ihre Wis-sensbasis hinaus führt zu großen Fehler, teilweise komplettem Unsinn. Die Lernzeit für Black-Box-Modelle muss ausreichend lang (um alle relevanten Kombinationen von Geschwindigkeiten und Beladungs-zuständen abzudecken) und kurz genug (damit sich der Bewuchs in der Zeit nicht signifikant ändert) sein, sagte Antti So-lonen (Eniram). Wojciech Gorski (Ena-

mor) fügte hinzu, dass die Schwierigkei-ten beim Black-Box-Ansatz mit der Zahl der Einflussvariablen (»dimensions«) und deren Variabilität exponentiell anwächst. Die fast schwarzen Methoden liefern gute Ergebnisse für Schiffstypen, bei denen es wenig Spielraum im Betrieb gibt, z.B. Öl-tanker (nur voll beladen oder im Ballast unterwegs) oder Kreuzfahrtschiffen (Tief-gang kaum variabel). Für Containerschif-fe erscheinen sie ungeeignet.

Mut zur (Wissens-)LückeDie vorgestellten Methoden unterscheiden sich sehr in einer Kernkomponente, dem hydrodynamischen Modell, das die Leis-tung P in Abhängigkeit von Geschwin-digkeit (durchs Wasser) V, Tiefgang und Trimm ausdrückt. Diese Abhängigkeit ist leider recht kompliziert. Viele Perfor-mance-Monitoring-Systeme versuchen aber, mit dem Mut zur (Wissens)lücke durchzukommen: »Wir setzen die Leis-tung proportional zur benetzten Oberflä-che an« oder »wir benutzen die bekannte Beziehung P = aVb«. Wieder andere grei-

Abstract: First exchange of ideas on hulls and propellers

The HullPic conference in April brought together developers and users of hull perfor-mance monitoring systems. The central topic was gathering data and ensuring a high data quality and the practicability of the ISO 19030 standard. Speakers discussed so-called Black-Box, White-Box and Grey-Box models to simulate performance under the ever changing conditions at sea as well as spread of data because of wind and waves. The ISO standard, that was introduced to increase trust and promote efficiency-im-proving technologies, was welcomed by all participants who also had some suggestions for improvement.

Further information: redaktion@hansa-online.de

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Maritime Analysen vor norditalienischer Kulisse

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fen auf Entwurfsmethoden zurück, wie Lap-Keller, Guldhammer-Harvald oder Holtrop-Mennen. Auch dies ist bei näherer Betrachtung eine Mogelpackung, denn der typische »Off-Design«-Betrieb folgt nicht den »Design«-Formeln.

Lokal kann man die komplexen Leis-tungs- und Widerstandskurven mit einfa-chen Formeln stückweise annähern. Das macht auch die ISO 19030, die die Ad-miralitätformel (b = 3) einsetzt, wenn die Verdrängung maximal 5% von einer Re-ferenzkurve entfernt liegt. Andreas Krapp (Jotun) und Tsuyoshi Ishiguro (JMUC) kommen unabhängig zum Schluss, dass für Containerschiffe ein CFD-basiertes, detailliertes Modell benötigt wird, dass Leistung abhängig von Geschwindigkeit, Tiefgang und Trimm ausdrückt. Das ist eine bittere Pille, denn einfache Formeln sind schnell und billig, und genaue und verlässliche Modelle haben ihren Preis.

CFD gewinnt an BedeutungEin Teilnehmer formulierte dies so: »Der ISO 19030 Ansatz [mit einer dichten Wis-sensbasis für Schiffe, die große Variabili-tät bei Tiefgang, Trimm und Geschwindig-keit haben, ist] für viele [Firmen] schwierig zu implementieren.« Augenscheinlich gibt es hier jedoch kein »sowohl als auch« bei Qualität und Aufwand. So wird CFD in Zukunft wohl bei vielen Performance Mo-nitoring Systemen eine größere Rolle spie-len und diverse Anbieter nachrüsten.

Sodann gelangt man zu der Frage, ob der klassische oder der numerische Schlepp-

tank zu nehmen ist. Allein Ryo Kakuta (MTI) glaubt, dass »Schlepptankversuche der beste Weg sind«. Michel Visonneau (Ecole Centrale de Nantes) fasste den Stand der Technik zusammen: »Inzwischen ist es allgemein akzeptiert, dass CFD ausgereift ist für stationäre Widerstands- (und Leis-tungs-)Prognosen.« Auch zwei Propeller-hersteller, Greitsch (MMG) und Fukuda (Nakashima Propellers), sahen CFD als klar bessere Alternative.

Streuung unvermeidlich Selbst mit der besten Datenerfassung und dem besten hydrodynamischen Mo-dell werden die Ergebnisse unvermeidlich streuen. Dies resultiert vor allem aus Wind und Wellen.

Tsuyoshi Ishiguro (JMUC) zeigte, dass der Zusatzwiderstand durch Wind und Wellen bei Bft 4 und See von vorn den Leistungsbedarf um mehr als 10% erhö-hen kann. Er empfahl daher, die Filter-kriterien für Zusatzwiderstand anders als in der jetzigen ISO 19030 von der Lauf-richtung abhängig zu machen: filtern ab Bft 3 bei See direkt oder schräg von vorn und ab Bft 4 bei anderen Laufrichtungen. Allerdings sollten die jetzigen recht stren-gen Filterkriterien der ISO 19030 für den Zusatzwiderstand in Wellen beibehalten werden, solange keine bessere Korrektur-verfahren vorliegen; dies betrifft sowohl bessere Simulationsmethoden als auch bessere Erfassung des Wellenfelds z.B. mit Hilfe des Bordradars. Dieser Meinung schloss sich der Autor an: »Zur Zeit haben

wir keine genaue und finanziell tragbare Lösung, um für die Zusatzleistung in Wel-len zu korrigieren; zwar geben einige 3D-Simulationsmethoden gute Resultate für den Zusatzwiderstand im Seegang, aber wir brauchen bessere Wellenmessungen, um wirklich voranzukommen. Bis dahin ist die beste Empfehlung, für Wind und Wellen wie von ISO 19030 empfohlen, zu filtern.«

Mark Bos (BMT Smart) teilte einige sehr interessante Einsichten zu Umwelteinflüs-sen mit. Strömungsgeschwindigkeiten va-riieren über die Wassertiefe: Bos nennt hier 0,5 kn Unterschied über 12 m Wassertiefe (also einem typischen Tiefgang). Da fällt es schwer zu definieren, was die »Geschwin-digkeit durchs Wasser« ist. Bos wies auch auf die problematische Messung der Wind-geschwindigkeit auf Schiffen hin. Durch die Anordnung der Windmesser teilweise im Windschatten von Aufbauten kommt es zu starken Fehlern. Für einen Suezmax Tanker gab er im Durchschnitt 20% Unter-schied zwischen Bordmessung und externe Wetterdaten bei der Windgeschwindigkeit. Zu Abschluss brachte er den Einfluss der Wassertemperatur zurück in die Diskus-sion. Nach ISO 19030 muss man die Was-sertemperatur aufzeichnen, aber das Stan-dardverfahren sieht keine Korrektur für sie vor. Bos gibt hier für das Mittelmeer ~2% Schwankungen bei der Leistung. Eine ent-sprechende Korrektur, die über das Stan-dardverfahren hinausgeht, ist also durch-aus zu empfehlen.

Ein guter erster SchrittAlles in allem scheint ISO 19030 den rich-tigen Ansatz zu verfolgen, wenn es auch hier und da noch Verbesserungspotenzial gibt. Eine Konsolidierung der vielen jetzi-gen Ansätze in den nächsten drei Jahren (bis zur turnusmäßigen Revision von ISO 19030) ist wahrscheinlich, nicht aber auf eine einzige Methode. Die Flexibilität der ISO 19030, ursprünglich aus der Not ge-boren, genügend viele Meinungen unter einen Hut zu bringen, mag jetzt als Segen empfunden werden. Sie gibt Zeit, kollektiv mehr Erfahrung zusammenzuführen. Dies ist nötig, bevor guten Gewissens strikte-re Richtlinien eingeführt werden können.

Trotz aller kontroversen Diskussion in der Sache fand die Konferenz an sich ein-hellige Zustimmung. Die 2nd HullPIC wird vom 27. bis 29. März 2017 in Ulrichs-husen in Deutschland stattfinden.

Autor: Volker Bertram, DNV GL Maritime – Hamburg, volker.bertram@dnvgl.com

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Der Beirat der Konferenz (v.l.) Diego Meseguer Yebra (Hempel), Tsuyoshi Ishiguro (JMUC), Volker Bertram (DNV GL), Fumi Yakabe (JSTRA), Geir Axel Oftedahl (Jotun), Erik Hagestuen (Kyma), Michael vom Baur (Hoppe Marine), Ian Sellwood (BMT Smart), Andreas Krapp (Jotun), Svend Soyland (Nordic Energy)