Schiffsentwurf: Entwicklung für Effizienz, Compliance

Detaillierte digitale Modelle nähern sich immer mehr den Ergebnissen an und leiten sie direkt ab. Bildnachweis: Glosten

Alternative Kraftstoffe wie flüssiger Wasserstoff werden von bestehenden Lieferketten bereits gut bedient. Bildnachweis: Glosten

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Die Entwicklung des Schiffsdesigns wird zunehmend von drei Faktoren beeinflusst: Neue Werkzeuge für das dreidimensionale Design, die zunehmende Komplexität von Energiesystemen und der neue Zugang zu Schifffahrtsrouten mit hohen Breitengraden. Während neue digitale Designtools eine natürliche Weiterentwicklung des aktuellen Informationszeitalters darstellen, reagieren neue Anforderungen an die Antriebsenergie und die Polarschifffahrtsrouten auf das Erbe des abebenden Industriezeitalters .

Dreidimensionale Design-Workflows
Ein junger Schiffsarchitekt erklärte kürzlich, dass wir in der Lage sind, die Entwicklung neuer Werkzeuge in der Schifffahrtsbranche zu prognostizieren, da unsere Branche immer hinter anderen zurückzubleiben scheint. Sie sprach über die stetige Verlagerung der dreidimensionalen Konstruktionssoftware von der digitalen Modellierung der endgültigen Werftproduktionspakete zu früheren Bemühungen in der Machbarkeits- und Konzeptphase der Schiffskonstruktion.

Wir befinden uns in einer schwierigen Zeit der 3D-Modellierung. Bis vor kurzem wurden Schiffe von Schiffsarchitekten in einer alten Reihe von zweidimensionalen Standardansichten entworfen und dann von Schiffsdesignern in digitale Modelle von Systemen und Strukturen mit unglaublichen Detaillierungsgraden umgewandelt. Diese neuen 3D-Kenntnisse kamen bei den neuesten Designern an, die Werkzeuge für die Bereiche digitale Kunst, Automobil, Luft- und Raumfahrt und Architektur verwendeten. Die Anpassung dieser Werkzeuge durch Marinearchitekten, die in den frühen Phasen der Durchführbarkeit des Entwurfs tätig waren, war atemberaubend schnell, gemessen an Hunderten von Jahren zweidimensionaler Standardansichten in Papierzeichnungspaketen.

2D-Zeichnungen zur behördlichen Überprüfung werden zunehmend von 3D-Modellen abgeleitet. Das großformatig gedruckte Heft mit Zeichnungen weicht der rotierenden, gerenderten Oberfläche. Während es schwierig ist, die Erfahrung des Handgriffs auf die Seiten einer allgemeinen Anordnung von Hand zu Hand aufzugeben, gibt es eindeutig neue Vorteile in Bezug auf die Effizienz des Entwurfs-Workflows, die Zusammenarbeit in Echtzeit, die Verringerung des Risikos für frühzeitige Entwurfsentscheidungen und die Vereinfachung der Schnittstelle mit Robotern Herstellungsverfahren.

Grüne Kraft
Der Einzug von kohlenstoffarmer Energie in die Schifffahrtsindustrie fällt mit dem früheren Trend zusammen, dass die Optionen, Schnittstellen und Verbindungen für dieselelektrische Antriebe immer komplexer werden. Traditionelle, genau definierte Schnittstellen zwischen dem Antriebssystem und dem Rest des Schiffes sind zu integrierten Systemen geworden, deren Komplexität bisher unvorstellbar war. Die Einführung dieser komplexen Systeme wurde durch viele Anforderungen vorangetrieben, darunter reduziertes Schlepperhandling, dynamische Positionierung, wettbewerbsfähige Kraftstoffeffizienz und erhöhte Sicherheit in den Konstruktionscodes.

Der Höhepunkt des gegenwärtigen dieselelektrischen Zeitalters war eine Zeit harter Lektionen in der Systemintegration. Ohne systemweite Optimierung und Schnittstellensteuerung werden Schiffsprojekte mit mehreren miteinander verbundenen Elektro- und Datensystemen einer Armee von Silo-Anbietern zu zerbrochenen Schlachtfeldern. Viele Eigner, Werften, Designer und Anbieter waren auf dieses neue Zeitalter der Systemkomplexität nicht vorbereitet, während sie in einer einfacheren Zeit in einem kommerziellen Schiffbaumodell arbeiteten. Dies hat eine neue Unterdisziplin der Meerestechnik hervorgebracht. Die Entwickler von Schiffselektriksystemen müssen das gesamte Elektrik- und Steuerungssystem optimieren, um klare Schnittstellenanforderungen zu entwickeln.

Neue Initiativen zur Reduzierung der CO2-Emissionen und zur Verbesserung der Effizienz haben die Systeme der nahen Zukunft noch komplexer gemacht und zu einem aufblühenden Feld erneuerbarer Energiekonzepte geführt. Die Aussichten für die maritime Stromerzeugungslandschaft umfassen eine Vielzahl von Optionen, die sich auf Kohlenwasserstoffe, erneuerbaren Strom, Wasserstoff, Ammoniak und Wind erstrecken. Jede dieser Optionen enthält eine Reihe neuer Systeme und Verbindungen für Steuerungen, Alarme und Automatisierung, die optimiert werden müssen.

Polar Versand
Der verbesserte Zugang zu den arktischen Schifffahrtsrouten macht neue Navigationsinstrumente, Infrastrukturen und Schiffsdesigns erforderlich, um betriebliche Lücken zu schließen und die Umweltanforderungen zu erfüllen. Aktuelle Methoden zur Eisvorhersage und Reiseplanung werden in einem ehrwürdigen System eingefroren, das für eine begrenzte Anzahl von Schiffen gedacht war, die in eisbedeckten Gewässern aktiv sind. Fortgeschrittene Methoden und neue Technologien werden für eine breite kommerzielle Anwendung auf neuen nördlichen Routen erforderlich sein. Neue Polar-Umweltbestimmungen erfordern zusammen mit den bestehenden Anforderungen zusätzliche Ingenieur- und Lieferantenkapazitäten, da die maritimen Aktivitäten in den Polargewässern zunehmen.

Die Entwicklung neuer Eisnavigationsinstrumente ist eher eine Investition als eine technische Herausforderung. Bildnachweis: Glosten

Der Einsatz von Schiffen in und in der Nähe von eisbedeckten Gewässern erhöht die tägliche Belastung der in hohen Breiten operierenden Schiffsbesatzungen. Viele dieser neuen Anforderungen konzentrieren sich auf die Schätzung der Eisbedingungen in Echtzeit und in naher Zukunft in den unmittelbaren Einsatzgebieten und entlang von Navigationsrouten. Im einfachsten Sinne kann die Eisschifffahrt als Küstenschifffahrt mit einer sich ständig ändernden und sich ständig bewegenden Küste angesehen werden. In einer Zeit, in der die meisten Risiken durch digitale Informationen gemindert wurden, ist die zeitlose Praxis der Wachsamkeit der Wächter nach wie vor das wichtigste Instrument für die Eisschifffahrt. Standortspezifische Eisvorhersagen, die die unmittelbare Schiffsumgebung über einen Zeitraum von Stunden bis Tagen abdecken, sind derzeit technisch erreichbar, da Echtzeit-Metocean-Daten mit hochauflösenden digitalen Modellen kombiniert werden. Die kommerzielle Übernahme dieser Tools durch Weiterentwicklung und Verpackung ist eine Herausforderung für Anbieter von aktiven Wetterrouting- und Reiseplanungsdiensten.

Search and Rescue (SAR), Bergung und Reaktion auf Verschüttungen in polaren Gewässern sind eine weitere Risikomanagementlücke für die Schifffahrt in hohen Breiten. Neue Methoden und standardisierte Überwachungs- und Reaktionspraktiken sind erforderlich, um die Seeunfallrisiken zu bewältigen und die Handelsbedingungen für den Betrieb von Polarwasser zu normalisieren.

Neue und unbekannte Umweltanforderungen für Schiffe, die in Polargewässern eingesetzt werden, werden zunehmend in Konstruktionspaketen für Neubauten und Änderungen umgesetzt, um Schiffen die Flexibilität für Arbeiten in hohen Breitengraden zu bieten. Entwürfe und Behandlungen zur Reduzierung von Unterwasserschall werden bereits für bestehende Häfen und Hochkonzentrationsschifffahrtskorridore in Betracht gezogen. Schiffe, die für Polarrouten und -operationen vorgesehen sind, müssen neu entwickelt werden, um die Auswirkungen von Schiffslärm auf die arktischen Lebensräume geschützter Meeressäuger zu minimieren. In ähnlicher Weise sollte erwartet werden, dass neue Systeme und Konstruktionen die Einhaltung von Vorschriften zur Reduzierung der Schiffsemissionen gewährleisten. Nullentladungszonen sind ein existierender Treiber solcher Behandlungssysteme. Die Begrenzung der Kohlenstoffemissionen von Hauptmotoren und Nebenaggregaten ist ein weiterer wahrscheinlicher Bereich für die technische Weiterentwicklung der Schiffskonstruktion in großen Breitengraden.

Neue Methoden, neue Verantwortlichkeiten
Es liegt in der Natur von Designern, Ingenieuren und Bauherren, sich als Innovatoren zu verstehen, die ihren Technologiesektoren disruptive und aufregende neue Lösungen bieten. Digitale Werkzeuge verändern das Schiffsdesign, als der Propeller das Schaufelrad störte. Während dies aufregende und positive Tendenzen sind, die auf der exponentiellen Flugbahn früherer Technologiesprünge aufbauen, haben wir auch neue Herausforderungen, die mit dem Altern aller Dinge einhergehen. Im Jahr 2019 sind dies die Herausforderungen, die die Erhaltung der Umwelt und die Anpassung an unbeabsichtigte Veränderungen unseres früheren industriellen Lebensstils betreffen.

Über den Autor

Ken FitzGerald ist Principal bei Glosten, einer Full-Service-Marineberatungs- und Designfirma mit Hauptsitz in Seattle, Washington. Ken verfügt über eine fast 30-jährige internationale Erfahrung in der Schifffahrt mit umfassendem Ingenieur- und Konstruktionswissen, umfangreichen Feldvermessungsarbeiten und Offshore-Erfahrung. Er unterstützt das Unternehmen in den Bereichen Meereswissenschaften, geophysikalische Untersuchungen, erneuerbare Offshore-Energien, Festmacherdesign und Seelogistik. Bevor Ken zu Glosten kam, arbeitete er als Feldozeanograph und Meerestechniker für die Herstellung und den Einsatz von küstennahen ozeanografischen Plattformen, Offshore-Liegeplätzen und Schleppsystemen.

Ken FitzGerald. Bildnachweis: Glosten