Digitaler Schiffsmotor-Zwilling — Emissions- und Dekarbonisierungs-Dashboard

Ein produktionsgrades Schiffsmotorsimulations- und Alternativkraftstoff-Benchmarking-Tool, entwickelt in Python und Streamlit, basierend auf Zwei-Zonen-Verbrennungsphysik und IMO-Regulierungsrahmen.

Was ich entwickelt habe

Dieses Projekt ist ein digitaler Schiffsmotor-Zwilling — eine Live-Interaktive Simulation eines echten Schiffsdieselmotors, die Emissionen, NOx-Konformität und Kraftstoffleistung in Echtzeit berechnet. Es ist vollständig in Python und Streamlit entwickelt und basiert auf der Physik und den Regulierungsrahmen aus State-of-the-Art Digital Twin Applications for Shipping Sector Decarbonisation (Karakostas & Katsoulakos, IGI Global 2024).

Das Dashboard bietet zwei Tools:

Emissions- & NOx-Rechner — simuliert einen konfigurierbaren Zweitakt-Schiffsmotor und berechnet NOx, CO₂, SOx und spezifischen Kraftstoffverbrauch an jedem Betriebspunkt
Alternativkraftstoff-Benchmarking — vergleicht sechs Schiffskraftstoffe (HFO, MGO, LNG, Methanol, Ammoniak, Wasserstoff) hinsichtlich Lebenszyklus-THG-Intensität, FuelEU-Maritime-Konformität, Kosten, Energiedichte und Technologiereifegrad

Warum das wichtig ist

Die Schifffahrt verursacht etwa 2,9 % der weltweiten Treibhausgasemissionen. Die IMO hat ein Netto-Null-Ziel bis 2050 vorgegeben, und Übergangsregelungen — MARPOL-Anlage-VI-NOx-Tiers, die IMO-Schwefelkappe 2020, CII-Bewertungen und die EU-FuelEU-Maritime-Verordnung — verändern bereits, wie Schiffe betrieben und betankt werden.

Digitale Zwillings-Technologie ermöglicht es Schiffsbetreibern und Ingenieuren, diese Szenarien virtuell zu simulieren, ohne den physischen Motor zu berühren. Dieses Projekt zeigt, wie eine physikbasierte Simulation als Entscheidungsunterstützungstool dienen kann für:

Überprüfung der IMO-MARPOL-Tier-I/II/III-NOx-Konformität vor dem Einfahren in eine Emissionskontrollzone
Verständnis, wie sich die Änderung von Kraftstofftyp, Motorlast oder Betriebsdrehzahl auf das Emissionsprofil auswirkt
Bewertung alternativer Kraftstoffe auf Well-to-Wake-Lebenszyklus-Basis, bevor kostspielige Infrastrukturänderungen vorgenommen werden
Erstellung von IMO-DCS-Konformitätsberichten für regulatorische Einreichungen

Technischer Ansatz

Zwei-Zonen-Verbrennungsmodell (Kapitel 11)

Kern-Physik-Engine

Das Motormodell teilt den Zylinder zu jedem Zeitpunkt in zwei Zonen — eine verbrannte Zone (heiße Verbrennungsprodukte, 1700–2100 K) und eine unverbrannte Zone (Frischladung bei Einlasstemperatur). Diese Trennung ermöglicht NOx-Modellierung ohne vollständige 3D-CFD-Simulation.

Die wichtigsten implementierten Physikmodelle:

Wiebe-Brennverlaufsfunktion — modelliert die Wärmefreisetzungskurve über den Kurbelwinkel und bestimmt, wie schnell Kraftstoffenergie freigesetzt wird
Temperatur der verbrannten Zone — aus einer Energiebilanz unter Verwendung des kraftstoffspezifischen spezifischen Wärmevermögens der Verbrennungsprodukte berechnet, korrigiert für das lokale Luft-Kraftstoff-Verhältnis
Woschni-Wärmeübertragungs-Korrektur (×0,87) — berücksichtigt konvektive Wärmeverluste an den Zylinderwänden; ohne diese Korrektur wird T_verbrannt überschätzt und NOx ist zu hoch
Erweiterter Zeldovich-Mechanismus — thermische NOx-Bildungsrate proportional zu [O₂]⁰·⁵ · exp(−38 000 / T) · (T / 2 200)²; vernachlässigbar unter 1600 K, steigt exponentiell darüber an
Kohlenstoff- und Schwefelbilanz — CO₂ = SFC × C-Anteil × 44/12; SOx = SFC × S-Anteil × 2

IMO-NOx-Compliance-Engine

MARPOL Anlage VI Vorschrift 13

NOx-Grenzwerte aus MARPOL Anlage VI Vorschrift 13 werden präzise aus der Motordrehzahl berechnet:

Drehzahlbereich	Motortyp	Tier-II-Grenzwert
n < 130 U/min	Langsamläufer, großer Zweitakter	14,4 g/kWh (konstant)
130 ≤ n < 2000 U/min	Mittelschnellläufer	44 × n⁻⁰·²³ g/kWh
n ≥ 2000 U/min	Schnellläufer	7,7 g/kWh (konstant)

Jeder berechnete Betriebspunkt wird gegen alle drei Tiers geprüft und ein Konformitäts-Chip (BESTANDEN / NICHT BESTANDEN) wird live angezeigt.

Kraftstoffdatenbank (Kapitel 5)

Sechs Schiffskraftstoffe

Alle sechs Kraftstoffe sind mit Verbrennungseigenschaften (Hu, Kohlenstoffanteil, Schwefelanteil, stöchiometrisches LKV, spezifische Wärme der Produkte), Lebenszyklus-THG-Werten (WtW fossil und grüne Pfade, TtW), IMO-CO₂-Emissionsfaktoren nach MEPC.245(66), Kosten, TRL und Hafeninfrastrukturverfügbarkeit gespeichert. THG-Werte werden gegen IMO-LCA-Richtlinien MEPC.376(80) und die FuelEU-Maritime-Verordnung (EU) 2023/1805 gegengeprüft.

Kraftstoff	Pfad
HFO (Schweröl)	Konventionell fossil
MGO (Marine-Gasöl)	Konventionell fossil
LNG (Verflüssigtes Erdgas)	Fossil + grün (Bio-LNG)
Methanol	Fossil + grün (E-Methanol)
Ammoniak	Grün (E-Ammoniak)
Wasserstoff	Grün (E-Wasserstoff)

CII- und FuelEU-Konformität

Das Dashboard berechnet auch IMO-Carbon-Intensity-Indicator-Bewertungen (CII) nach MEPC.338(76) für acht Schiffstypen und stellt den vollständigen FuelEU-Maritime-THG-Intensitätsverlauf von 2025 bis 2050 dar — es zeigt, welche Kraftstoffe in welchem Jahr unter fossilen und grünen Produktionspfaden konform sind.

Funktionen

Live-Zwei-Zonen-Verbrennungsdiagramm mit Temperatur der verbrannten Zone, Flammenfront und Echtzeit-Abgaswerten
NOx-Anzeige und Konformitätsstatus, der sich bei jeder Slider-Bewegung aktualisiert
Lastsweep-Diagramm (10%–100%), das zeigt, wie sich alle Emissionen über den Betriebsbereich verändern
Kraftstoffvergleichs-Balkendiagramme für alle sechs Kraftstoffe am gleichen Betriebspunkt
Reise-CO₂-, NOx-, SOx-Summen mit Kraftstoffkosten und EU-ETS-Kohlenstoffkosten
Mehrkriterien-Radardiagramm für ganzheitlichen Kraftstoffvergleich
IMO-CII-Bewertungsrechner mit A–E-Band-Visualisierung
Ein-Klick-Erstellung von IMO-DCS-Konformitäts-PDF-Berichten
Parameter-Leitfaden, der erklärt, was jede Motorsteuerung bewirkt und welche Emission sie beeinflusst
Kontextbezogene Hilfe-Tooltips bei jedem Slider

Technologien

Schicht	Stack
App-Framework	Python · Streamlit 1.45
Visualisierung	Plotly 6 · benutzerdefinierte SVG-freie HTML/CSS-Diagramme
Physik-Engine	Reines Python (math-Modul) — keine externe Simulationsbibliothek
PDF-Generierung	ReportLab
Daten	Pandas
Quellenreferenz	IGI Global 2024 · MARPOL Anlage VI · MEPC.376(80) · FuelEU Maritime 2023/1805

Live-Anwendung

Das Dashboard ist unten eingebettet. Über die Seitenleiste können Sie zwischen dem Emissions- & NOx-Rechner und dem Benchmarking-Tool für alternative Kraftstoffe wechseln.

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