Mithilfe von digitalen Zwillingen werden neuartige holistische Analysen der maritimen Energiesysteme ermöglicht. Dabei wird u.a. das Betriebsverhalten eines Schiffes sensorisch erfasst und kontinuierlich mit validierten Simulationen abgeglichen, um Anomalien zu identifizieren und die Effizienz zu optimieren.
Energiesysteme für die Schifffahrt erforschen und erproben
Die Energiesysteme auf Schiffen versorgen die verschiedenen Bereiche und Anwendungen an Bord. Die zu entwickelnden Systeme auf Basis neuer Konverter und erneuerbarer Speichermedien werden die Struktur und den Platzbedarf in Schiffen deutlich verändern. Dabei werden alle Arten von Schiffen vom Tanker, über Frachter, bis zum Kreuzfahrtschiff adressiert.
Vorstudie zum Einsatz von Hubschraubern im Offshore-Windpark (Simulation)
Drohnen könnten die Logistik zu Windkraftanlagen auf hoher See vereinfachen. Damit sich Fluggeräte im Windpark auf hoher See sicher bewegen können, müssen sie Informationen mit den einzelnen Windkraftanlagen austauschen.
Etwa 70 Prozent der Erdoberfläche sind von Wasser bedeckt. Auf Seewegen wird Fracht transportiert, Offshore-Windparks liefern Energie, Wassermassen verändern sich aufgrund des Klimawandels. Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) hat in der maritimen Forschung die Meere, Seen und Flüsse im Blick und setzt dabei Expertise aus allen Bereichen ein: Erkenntnisse aus Luftfahrt, Raumfahrt, Energie, Verkehr und Sicherheit kommen zusammen. „Wir haben eine Kompetenz von der Sensorik über die Verarbeitung bis zur Steuerung von großen Systemzusammenhängen“, sagt Thoralf Noack, Koordinator für maritime Forschung im DLR. Die maritime Forschung erstreckt sich also von der Erdbeobachtung mit Satelliten bis zur Entwicklung von neuartigen Antrieben für Schiffe und darüber hinaus: Auch das maritime Verkehrsmanagement steht im Fokus des DLR. Hier werden zum Beispiel Prozesse für den Hafen der Zukunft entwickelt, der stärker automatisiert, digitalisiert und vernetzt sein wird. Die maritime Sicherheit ist nicht nur auf Schifffahrtswegen oder in Häfen ein Thema. Der Schutz von kritischen Infrastrukturen schließt zum Beispiel Offshore-Anlagen ein.
Das DLR betreibt selbst maritime Testfelder und Reallabore oder ist daran beteiligt, wie beim Testfeld eMIR (e-Maritime Integrated Reference Platform). So wird zusätzlich der Transfer von der Forschung in die Anwendung gefördert. Gleichzeitig gestaltet das DLR den maritimen Raum als verlässlicher und neutraler Partner für die Industrie mit.
Maritimes Verkehrsmanagement
Menschen und Güter sollen schnell, umweltfreundlich und sicher von einem Ort zum anderen gelangen. Grundlage dafür sind zuverlässige Seewege und Häfen, die einen problemlosen Wechsel von Straßen-, Schienen- und Wassertransport ermöglichen. Diese sogenannte intermodale Logistik ist auch ein Schlüssel im internationalen Wettbewerb. Und nicht ohne Grund gehören Seewege und Häfen zur kritischen Infrastruktur.
Die Digitalisierung der Seewege und Häfen und letztlich der gesamten Lieferketten führt zu neuen Technologien und Geschäftsmodellen: Sensorik, Vernetzung sowie intelligente Informationsverarbeitung und Steuerungen bieten Ansätze für eine ganzheitliche Gestaltung des maritimen Transportes. Breitbandige Kommunikation von Schiff zu Schiff und Schiff zu Land schafft die Voraussetzung für die Verkehrsoptimierung und Verkehrssteuerung. Sie ist gleichzeitig die Basis für hochautomatisierte Assistenzsysteme bis hin zur Autonomen Schifffahrt. Die Entwicklungen ermöglichen auch ein digitales Abbild des Seeverkehrs und der Häfen bis hin zur Hinterlandlogistik.
Das DLR unterstützt diese Aktivitäten mit seinem wissenschaftlichen Know-how zum Beispiel im Projekt FuturePorts. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler gestalten in dem Projekt den Hafen der Zukunft aktiv mit. Zehn DLR-Institute sind beteiligt. Sie arbeiten daran, die Verkehrsführung zu optimieren, die emissionsfreie Schifffahrt voranzutreiben, hochautomatisierte Assistenzsysteme zu entwickeln sowie die Koordination von Transportketten zu verbessern.
Maritime Sicherheit
Das DLR leistet einen wichtigen Beitrag, um die Gefahrenabwehr auf See und an der Küste zu verbessern – sowohl in Deutschland als auch international. Dadurch stärkt das DLR Sicherheitsbehörden und Betreiber kritischer Infrastrukturen. Es sorgt gleichzeitig für Innovation und Wachstum in der maritimen Zulieferindustrie. Die maritime Sicherheitsforschung im DLR richtet ihre Ziele an den Bedürfnissen der Akteure aus, die von zentraler Bedeutung für die Versorgung der Bevölkerung mit Gütern, Dienstleistungen und Energie sind. Dazu gehören zum Beispiel sichere Transportwege, eine resiliente Energieversorgung und eine möglichst unbelastete marine Umwelt.
Forschung zur maritimen Sicherheit gibt es im DLR schon seit mehr als zehn Jahren. Die DLR-Expertise wurde seitdem erfolgreich zur Entwicklung sicherheitsrelevanter Technologien und Systeme eingesetzt. Durch den interdisziplinären Ansatz kann das DLR realistische Szenarien identifizieren und Praxislösungen anbieten. Diese umfassen beispielsweise Sensortechnologien vom Meeresboden bis in den Weltraum für die Überwachung des maritimen Raums, Methoden zur Gefahrstofferkennung auf der Wasseroberfläche, Technologien zur Detektion von Munitionsaltlasten am Meeresgrund, Assistenzsysteme für Hubschraubereinsätze auf See, Verfahren zum Schutz vor Angriffen und zur Stärkung der Resilienz maritimer Infrastrukturen sowie Verschlüsselungstechniken für die maritime Kommunikation.
Maritime Energieforschung
Der maritime Sektor bietet großes Potenzial bei der Reduktion von Emissionen. Daher arbeitet das DLR an nachhaltigen Lösungen für maritime Energiesysteme und Antriebe. Von der Komponentenentwicklung bis zur Erprobung an Land und auf See werden neue Antriebstechnologien ebenso entwickelt und erprobt wie alternative Treibstoffe und die nötige Infrastruktur. Virtuelle Schiffsmodelle helfen dabei.
Das DLR entwickelt nachhaltige Antriebssysteme für verschiedene Leistungsklassen. Die DLR-Fachleute erforschen hierfür die gesamte Bandbreite verfügbarer Energiesysteme beziehungsweise Energieträger – von brennstoffzellenbasierten Antrieben über Batterien bis hin zu alternativen Treibstoffen. Sie arbeiten außerdem an Entwurfsmethoden sowohl für die Auslegung der Energiesysteme und der Tanks an Bord als auch für die nötige Versorgungsinfrastruktur im Hafen. Ein wesentlicher Aspekt für eine erfolgreiche Transformation ist hierbei die Anwendung eines ganzheitlichen Forschungsansatzes, um die spezifischen Herausforderungen im maritimen Sektor zu berücksichtigen. Hierfür erarbeitet das DLR Methoden, um das Gesamtsystem Schiff im Kontext neuer maritimer Energiesysteme energieeffizienter und nachhaltiger zu machen. Die beinhaltet die Bereiche Zuverlässigkeit und Sicherheit der Systeme im maritimen Anwendungsbereich, die komplexe Integration in die verschiedenen Leistungsklassen und deren schiffspezifischen Herausforderungen, und die Reduktion des generellen Energiebedarfs bei gleicher Performance.
Das DLR unterstützt die Transformation des gesamten Sektors bis hin zur Dekarbonisierung im maritimen Bereich. Die Forschung wird am Institut für Maritime Energiesysteme gebündelt.
Automatisierung
Assistenzsysteme für hochautomatisiertes und autonomes Fahren auf dem Wasser machen die Schifffahrt der Zukunft sicherer, effizienter und komfortabler. Sie leisten auch einen Beitrag dazu, den Güterverkehr von der Straße auf die Wasserstraßen zu verlagern. Weitergehende Autonomie erfordert eine neue Rollenverteilung zwischen Mensch und Maschine, zum Beispiel über Remote Control oder Operation Centern.
Der vom DLR entwickelte Anlege-Assistent SmartKai ist ein Beispiel für neue Assistenzsysteme: In die Kaimauer sind Laser-, Radar- und Umweltsensoren integriert. Die damit ermittelten Daten werden auf einem Tablet auf der Brücke angezeigt. So unterstützt die hafenseitige Sensorik das Schiffsführungs- und Lotsenpersonal beim Anlegen. Im Projekt Scippper ist außerdem weltweit zum ersten Mal eine automatisierte Schleuseneinfahrt gelungen. Basis war eine vom DLR entwickelte Plattform für hochgenaue Positions- und Lagebestimmung. Schleuseneinfahrten gehören zu den schwierigsten Manövern für die Schiffsführung.
Das Testfeld e-Maritime Integrated Reference Plattform (eMIR) des DLR bietet eine Forschungs- und Technologieplattform für hochautomatisierte Assistenzsysteme und autonome Seeschifffahrt. Dafür wurde das Seegebiet von Brunsbüttel über Cuxhaven und Wilhelmshaven bis nach Helgoland instrumentiert. Die Entwicklung von hochautomatisierten Binnenschiffen insbesondere für die neuartige Anwendung in der Citylogistik erfolgt zusammen mit Partnern im Digitalen Testfeld an der Spree-Oder Wasserstraße (DigitalSOW).
Das DLR-Institut für Systems Engineering für Zukünftige Mobilität arbeitet an Software-Lösungen für sicherheitsrelevante Systeme. Im Fokus der maritimen Projekte des Instituts stehen das Verkehrsmanagement auf dem Wasser und hochautomatisierte Schiffe.
Video: Interview mit Institutsdirektor Prof. Axel Hahn
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Video: Interview mit Institutsdirektor Prof. Axel Hahn
Das DLR-Institut für Systems Engineering für Zukünftige Mobilität arbeitet an Software-Lösungen für sicherheitsrelevante Systeme. Im Fokus der maritimen Projekte des Instituts stehen das Verkehrsmanagement auf dem Wasser und hochautomatisierte Schiffe.
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eMIR ermöglicht es, hochautomatisierte Assistenzsysteme und Konzepte für autonome Schiffe zu erforschen und zu entwickeln. Der Aufbau des maritimen Testfelds profitierte von der langjährigen Kooperation mit Partnern aus Forschung, Industrie und Behörden, insbesondere dem Bundesamt für Seeschifffahrt und Hydrographie (BSH).
Bild: 1/2, Credit:
DLR, OFFIS – Institut für Informatik
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Video: SmartKai – digitale „Einparkhilfe“ für Schiffe
Bei Anlegemanövern entstehen immer wieder Schäden an der Hafeninfrastruktur und an den Schiffen. Um das in Zukunft zu verhindern, hat das DLR-Institut für Systems Engineering für zukünftige Mobilität im Projekt SmartKai ein hafenseitiges Assistenzsystem entwickelt. SmartKai integriert hochrobuste maritime Laser-Sensoren, die an verschiedenen Punkten im Hafenbecken angebracht sind und steht über unterschiedliche Endgeräte im direkten Kontakt mit der Besatzung auf den Schiffen. Die Informationen zu den Bedingungen vor Ort helfen den Schiffsführerinnen und Schiffsführern, das Schiff sicher zu navigieren.
