Jahresbericht 2018

Energieautarke Sensorik für ausfallsichere maritime Antriebe.

Energieeffizienz, Zustandsüberwachung, Zuverlässigkeit

Im Zuge der Digitalisierung in der Wartung und Instandhaltung entstehen zu jeder Zeit Belastungs- und Zustandsdaten über versagenskritische Komponenten, die automatisiert ausgewertet werden. Die so erlangten Informationen dienen einer bedarfsgerechten als auch kostengünstigeren Wartung und können die Entwicklung neuer Antriebsgenerationen in Richtung leichter, bedarfsgerechter Dimensionierung unterstützen. Durch den Einsatz energieautarker Sensorsysteme kann überdies ein weiterer Beitrag zur Verbesserung der Umweltverträglichkeit und Energieeffizienz zukünftiger Schiffsgenerationen geschaffen werden.

Der Ausfall maritimer Systeme aufgrund defekter Antriebsstrangkomponenten führt zu erheblichen wirtschaftlichen Schäden, hervorgerufen durch Stillstandzeiten und damit einhergehenden Lieferverzögerungen bzw. Ertragsausfällen. Abhilfe sollen intelligente Antriebsstränge durch den Einsatz rotierender, energieautarker Sensorsysteme schaffen. Herkömmliche Sensoren zur Überwachung rotierender Systeme sind auf lebensdauerbeschränkte Batterien, externe Energiequellen oder wartungsintensive Schleifringe angewiesen.

Im Zuge der Entwicklung intelligenter Antriebsstränge wird bisher ungenutzte Energie, wie z.B. die mechanische Energie unerwünscht auftretender Torsionsschwingungen, in elektrische Energie umgewandelt und zur Versorgung von Sensoren eingesetzt. Die Lösung zur Umwandlung mechanischer Energie in elektrische Energie bietet ein, im Fraunhofer LBF entwickelter, elektrodynamischer Schwingungsenergiegenerator.

Damit wird es ermöglicht, einen oder mehrere Sensorknoten im rotierenden System zu betreiben, von dem die generierten Daten drahtlos über WLAN oder Bluetooth an den Empfänger übertragen werden. Die Messdaten geben Aufschluss über die Belastung und den Zustand kritischer Komponenten im Antriebsstrang und dienen beispielsweise als Grundlage zur Berechnung der Restlebensdauer. Angewendet werden unter anderem Beschleunigungssensoren oder Temperatursensoren zur Zustandsüberwachung rotierender Systeme.

Bei der Erprobung des Energy Harvesters in einem Prüfstand des Fraunhofer LBF konnten aus mechanischen Schwingungen mehrere Milliwatt Leistung generiert werden. Zum Betrieb von MEMS (Micro Electro Mechanical System-) Sensoren, inklusive mikroelektronischer Datenvorverarbeitung und Datenübertragung, genügt bereits ein Milliwatt Leistung. Erste Betriebstests von Beschleunigungssensoren auf einer Schiffsantriebswelle zeigten, dass die Datenübertragung via Bluetooth aus dem Maschinenraum zu einem zentralen Rechner an Board möglich ist. Dabei konnte das Zeitsignal, welches die Amplitude der Beschleunigung und die sinusförmige Drehschwingung anzeigt, zuverlässig übertragen werden. Eine Herausforderung in der Entwicklung energieautarker Sensorik in Antriebssträngen stellt das Energiemanagement dar, bei dem während des Betriebs mithilfe variierender Schwingungsenergie eine kontinuierliche oder getaktete Datengenerierung, -verarbeitung und -übertragung realisiert werden muss.

Die Besonderheit dieser energieautarke Sensoren besteht darin, dass Zustandsinformationen über drahtlose Datenübertragung in Echtzeit beim Nutzer vorliegen, sobald der Antriebsstrang rotiert. Dabei ist die Sensorik unabhängig von externen Energiequellen. Somit kann gänzlich auf (elektro-) mechanische Verbindungen zwischen dem rotierenden und stehenden System verzichtet werden. Es müssen keine Batterien oder Schleifringe gewartet oder ausgetauscht werden und Wartungsintervalle können verlängert werden. Des Weiteren kann die Sensorik direkt an der zu überwachenden Wirkstelle sowie an schwer erreichbaren Stellen in Antriebssträngen angebracht werden.