Innovative ship speed and power optimization by the aid of sea current predictions

Norske styresmakter har eit mål om å gjere Noreg til verdsleiande i miljøvennleg transport til havs. Prosjektet InnoCurrent sitt mål har vore å bidra til å nå dette målet. Eit kvart skip under seglas, enten det er til havs eller innaskjers, vil vere påverka av miljøkrefter som vind, bølgjer og overflatestraum. Dette er viktige variablar som påverkar skipet si fart, framdriftsenergi og dermed også utslepp av avgassar. I kystnære farvatn og i norske fjordar er vanlegvis dei lokale straumforholda den viktigaste ukjende krafta som påverkar skipets framdrift. Prosjektet InnoCurrent ser på den isolerte effekten straumforholda i sjøen har på skipets framdrift og forbruk. Målet er å kunne utnytte det potensiale som er i energien i straumen i havet i eit verktøy for ruteplanlegging for å spare drivstoff og dermed også redusere utslepp. Eit viktig mål med prosjektet er å overvake og forstå samanhengen mellom skipets fart og drivstoff-forbruk. Det fylgjande rekneeksempel demonstrerer potensiale i å kunne utnytte energien i straumen til å redusere tilført effekt og dermed også utslepp frå eit skip. Lasteskipet M/S Kvitbjørn går i utgangspunktet med ei fart på 15 knop. Dersom skipet kjem inn i ein medstraum på 1 knop, kan tilført effekt til framdriftsmotoren reduserast med om lag 400 kW. Denne reduksjonen svarar til utslepp frå om lag 100 bilar, rekna i C02-utslepp i gram per kilometer. Ved hjelp av loggedata frå Kvitbjørn har vi studert seglingsmønsteret og identifisert område langs Norskekysten der skipet opererer i med- og motstraum. Eksempelvis ser vi at for nordgåande seglas mellom Trondheim og Bodø kan skipet gå ytre skipslei trass i at det er meir eksponert for vind og bølgjer. Det andre alternativet er å gå leia innaskjers som er noko lengre, men mindre utsett for bølgjer og vind. I den ytre skipsleia går skipet i medstraum i større delar av seglas, medan middelstraumen er om lag null for den indre leia. I to tilfelle vi har analysert er akkumulert effekt for seglasen i ytre lei om lag 10 prosent lågare enn for indre lei. Resultata viser at val av rute kan vere viktig for tidsbruken og drivstoff-forbruket for skipet for ein gitt seglas. Sidan lokale straumforhold er viktig for drivstoff-forbruket, er det naudsynt med pålitelige oseanografiske data for å kunne planlegge ei energioptimal rute. Meteorologisk institutt har ein berekningsmodell (NorKyst800) som dagleg gir prognoser for overflatestraum. Ved hjelp av straumdata frå Meteorologisk sin berekningsmodell har vi studert døgnvariasjonar i middelstraumen langs reelle ruter for Kvitbjørn. Resultat frå analysane viser at det er store døgnvariasjonar relatert til straumforholda langs ruta. For ei reell seglingsrute mellom Trondheim og Bodø, spesifisert til å vare 19 timar, vart det berekna om lag 7 prosent skilnad i tilført effekt avhengig av kva tid på døgnet seglasen startar. Døgnvariasjonane kan hovudsakleg relaterast til tidvatn, men også ver og vindforhold kan påverke straumforholda. Avreisetidspunktet for ein seglas kan dermed vere avgjerande for kva straumforhold skipet vil operere i, og vil dermed også kunne påverke drivstoff-forbruk og utslepp for fartøyet under ein seglas. Eit avansert måleinstrument (Acoustic Doppler Current Profiler) vart installert i skroget på cargoskipet Kvitbjørn i starten av prosjektet. Kvitbjørn opererer langs heile Norskekysten og målet var å samanlikne straummålingar frå instrumentet mot straumprognosar frå NorKyst800-modellen langs seglingsruta til Kvitbjørn. Instrumentet var i forkant av prosjektet testa med gode resultat frå andre skip i rutetrafikk, men dessverre har det ikkje lukkast å samle inn datasett med tilstrekkeleg god kvalitet frå instrumentet på Kvitbjørn. Dette skyldast i stor grad støy og luftbobler frå skipets bevegelse i sjøgang som uroar signala frå instrumentet. Ved bruk av straumprognosar frå ein oseanografiske modell i planlegging av energioptimale seglasar er det viktig å kunne seie noko om nøyaktigheita av prognosane. I prosjektet har vi gjort ei kvalitativ samanlikning av estimert straum frå loggedata frå Kvitbjørn av fart gjennom vatn og fart over grunn mot straumprognosar frå Norkyst800 langs seglingsruta til Kvitbjørn med god korrelasjon. Ei samanlikning av måledata mot modelldata langs ei seglingsrute vil kunne bidra til å rette opp systematiske avvik i modellen og forbetre straumprognosane frå modellen. Straumdata frå NorKyst800-modellen er også samanlikna mot stasjonære målebøyer i Breisundet på Sunnmøre med gode resultat. I Breisundet vert det utført kontinuerlege målingar av meteorologiske og oseanografiske data finansiert av Statens Vegvesen i forbindelse med ferjefri E39. Gjennom studie av skipsdata og modellert straumdata har vi auke vår kunnskap om straumforholda skipet operer i. Kunnskapen tileigna gjennom InnoCurrent vil kunne danne grunnlag for vidare arbeid medå utvikle verktøy til ruteplanlegging og tilpassing av fart for best mogleg energieffektiv framdrift.

InnoCurrent have explored the impact of sea currents on the speed and energy consumption of a ship. The basic idea and a main research question has been to investigate whether operational current forecast can be utilized to optimize and run at the most energy efficient ship speed at a given time and route for the ocean area where the ship sails. An approximation of the current speed based on ship-board measurements recorded on a cargo vessel has been analysed and compared to sea current extracted from an operational ocean circulation model with a generally good correlation. In addition, the quality of the model is assessed with good correlation against current measurements from moored oceanographic data-buoys located on a near-coast fjord area. The outcome and experience from InnoCurrent intends to further improve voyage planning and route optimization, and expected to improve accordingly as the reliability of oceanographic forecast models are likely to improve in the years to come.

InnoCurrent will combine current from ship-board measurements with operational oceanographic forecast models for current to develop voyage optimizing methods for ships in coastal service. Monitoring the condition and performance of ships is important for safety and profitability of ship operation. New and better monitoring on ships in operation in combination with computational intelligence may be utilized to obtain reductions in fuel consumption and emissions. A key aspect to monitor is the relationship between speed and power consumption of a ship. The influence of wind, waves, and current are important parameters to understand this relationship and in coastal operation and in the Norwegian fjords and fairways the local currents are the most important unknown parameter. Therefore, reliable detection of the actual speed-through-water is crucial. Reliable oceanographic data input is crucial for voyage planning and optimizing of the energy efficient speed at any time. The operational model NorKyst800 (Meteorologisk Institutt) will be used to provide current forecast to the improvement of the ship operational efficiency. In order to enable high quality speed-through-water measurements, an advanced Acoustic Doppler Current Profiler (ADCP) from Nortek AS will be installed at the cargo-ship M/S Kvitbjørn. This makes it possible to obtain high-temporal sampling in the North Sea and along the entire Norwegian coast, where M/S Kvitbjørn operates. The current data recorded by the Nortek instrument fitted to M/S Kvitbjørn will provide a good basis for validation of the NorKyst800 model. In addition, validation data will be obtained from the Breisundet area where an extensive met-ocean data survey (financed by the Norwegian Public Roads Administration) is ongoing. M/S Kvitbjørn will pass this area from time to time which enables correlation studies to be made from the ship-board current measurements and the stationary current monitoring devices in Breisundet.