Kleine Binnenschiffe für die Logistik in Nordrhein-Westfalen
Das Forschungsvorhaben DeConTrans befasst sich u. a. mit dem Entwurf und der Entwicklung kleiner, hybridelektrisch angetriebener Schiffe für den dezentralen Transport von Containern im westdeutschen Kanalnetz und den angrenzenden Wasserstraßen.
Unter Berücksichtigung der gestellten logistischen Anforderungen entwickelte das DST im AP 2 „Schiffsentwicklung“ sechs verschiedene Schiffstypen; fünf Schiffe für den einlagigen Containertransport mit einer Ladekapazität von 8 bis Twenty-Foot Equivalent Units (TEU) sowie ein Schiff für den zweilagigen Containertransport mit 36 TEU.
Zusätzlich wurde ein Konzept für eine Umschlageinrichtung an Bord des Schiffes ausgearbeitet, das einen Umschlag entlang der Fahrtstrecken unabhängig von vorhandener Umschlaginfrastruktur wie Containerbrücken oder Greifstaplern effizient ermöglicht. Das Konzept basiert auf einem selbstfahrenden und höhenverstellbaren Scherenlift, der die aufgenommenen Container entlang des Schiffes über eine bugseitige Rampe an Land verfahren kann. Die entsprechenden neuen Umschlagstellen benötigen somit keine kapitalintensive Infrastruktur, um an das Logistiknetz angeschlossen zu sein.
Konzept der mobilen Umschlageinrichtung an Bord des Schiffes © DST
Für die Propulsion des Schiffes wurden bedingt durch die niedrigen Abladetiefen der Schiffe Ruderpropelleranlagen gewählt, bei denen der Propeller vertikal verstellbar ist und in jeder Höhenlage eingesetzt werden kann. Diese Höhenverstellbarkeit ermöglicht die Anordnung eines größeren Propellerdurchmessers.
Zur Ermittlung einer möglichst strömungsgünstigen Schiffsform wurden im Vorlauf zu den Modellversuchen umfangreiche numerische Simulationen (CFD) durchgeführt. Mit Hilfe von parametrischen Modellen der entworfenen Schiffsrümpfe konnte durch eine Optimierung der Geometrie vor allem im Bereich des Hinterschiffs eine deutliche Reduktion der benötigten Antriebsleistung mit Hilfe der Simulationen aufgezeigt werden. Als Software diente OpenFOAM.
Die Rechenmatrix umfasste Widerstands- und Propulsionssimulationen sowohl im Modell- als auch Großausführungsmaßstab für einen großen Bereich von Schiffsgeschwindigkeiten. Auch der Einfluss von Flachwasser und Effekte durch die begrenzte Fahrt im Kanal waren Gegenstand der numerischen Untersuchungen.
Die folgenden Bilder zeigen exemplarische Ergebnisse der CFD-Berechnungen. Die Färbung des Rumpfes stellt die Verteilung des hydrodynamischen Drucks dar; rote Bereiche zeigen Gebiete mit hohem, blaue Bereiche hingegen Gebiete mit niedrigem Druck. Die Stromlinien illustrieren die Zuströmung zum Propeller. Die höhenverstellbare Ruderpropelleranlage wurde in den Rechnungen geometrisch aufgelöst und der Einfluss des Propellers selbst mit Hilfe eines Kraftscheibenmodells berücksichtigt.
Numerisch ermittelte Druckverteilung am Bug und Heck des Schiffes (links), induziertes Wellenbild in der Ansicht von vorn © DST
Für die numerisch optimierten Rumpfgeometrien wurde die erste Versuchsreihe mit Widerstandsversuchen und Selbstpropulsionsversuchen im großen Flachwassertank des DST durchgeführt. Die Testmatrix der Modellversuche umfasste zunächst die drei Schiffe für den einlagigen Containertransport auf drei Tiefgängen und mehreren Geschwindigkeiten. Auch die bereits erwähnte Höhenverstellbarkeit der Ruderpropeller wurde dabei genauer untersucht.
Modellversuche im Flachwassertank des DST © DST
Für die zweite Versuchsreihe wurde über eine Strecke von 80 Metern ein Rechtecktrapezprofil im Flachwassertank eingebaut, um den typischen Querschnitt westdeutscher Kanäle realitätsnah abzubilden.
Die Propulsionseigenschaften für vier Schiffstypen auf zwei unterschiedlichen Abständen zur Spundwand, mehreren Tiefgängen und Geschwindigkeiten waren Gegenstand der Untersuchung. Zusätzlich wurden Strömungs- und Wellensonden zur Erfassung der induzierten Strömungsgeschwindigkeiten platziert.
Kanalfahrten: Messung der Trossen- und Rampenkräfte im Hafen © DST
Eine weitere wichtige Grundlage des Projektes sind die Interaktionskräfte eines im Kanal passierenden Schiffes mit einem im Hafen liegenden Schiff. Dafür wurde für die dritte Versuchsreihe zusätzlich ein Hafen am Kanal modelliert. Während der Passage anderer Schiffe wurden sowohl Trossen- als auch Rampenkräfte gemessen.
Nach Abschluss des Arbeitspakets werden die Ergebnisse der Modellversuche Eingang in die ereignisdiskrete Simulation und szenarienbasierte Untersuchung des Logistikkonzepts finden.
Zudem werden die Ergebnisse aus diesem und weiteren Arbeitssträngen dem Projektträger und dem Projektbeirat am Jahresende in einem Meilensteintreffen vorgestellt.
Weitere Informationen zum Projekt finden Sie hier: https://www.dst-org.de/decontrans/
Ansprechpartner:
Dipl.-Ing. Jens Ley, Tel.: 0203 99369-30, (AP-Leitung Schiffstechnik)
Cyril Alias M. Sc., Tel.: 0203 99369-52, (Projektleitung DeConTrans)
Das Verbundvorhaben DeConTrans wird vom Land Nordrhein-Westfalen unter Einsatz von Mitteln aus dem Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) 2014-2020 „Investitionen in Wachstum und Beschäftigung“ durch die LeitmarktAgentur.NRW Projektträger ETN unter dem Förderkennzeichen EFRE-0801222 (ML-2-1-010A, DeConTrans) gefördert.
