Ein digitaler Zwilling der Empa berechnet Luftströmung und Wärmeübertragung im gesamten Laderaum eines Kühltransporters und schätzt so ab, wie sich die Temperatur über die gesamte Ladung verteilt. Auf diese Weise lassen sich Wärmenester in Fruchtladungen erkennen, Transporte optimieren und die Haltbarkeit der Lebensmittel besser einschätzen.
Wie genau das Modell die Realität abbildet, prüften die Empa-Forscher an einem kommerziellen Transport von Orangen und Zitronen von Griechenland in die Schweiz. Die Messungen bestätigten das Modell weitgehend und machten zugleich deutlich, welchen Einfluss ungenügend vorgekühlte Paletten und die Luftdurchlässigkeit der Verpackung auf die Temperatur der Früchte haben.
Temperatur im Kühltransporter variiert innerhalb der Ladung
Ob Früchte im Kühltransporter gleichmäßig gekühlt werden, hängt davon ab, wie gut die kühle Luft zwischen dicht gestapelten Kartons und Paletten zirkuliert. Strömungsgeschwindigkeit, Verpackung und Palettenanordnung wirken dabei zusammen, wobei ungenügende Vorkühlung, ungeeignete Verpackungen und eine ungünstige Stapelung die Bildung von Wärmenestern fördern. Gemessen wird in vielen Fällen nur an einer Stelle, denn häufig zeichnet ein einziger Sensor die Temperaturkurve der gesamten Fahrt auf, ohne zu erfassen, wie warm es an anderen Positionen der Ladung ist.
Um mögliche Wärmenester in der Ladung und ihre Auswirkungen auf die Lebensmittel sichtbar zu machen, hat die Empa einen virtuellen Kühltransporter entwickelt. „Unser digitaler Zwilling simuliert die Luftzirkulation und die Wärmeübertragung im gesamten Laderaum. So können wir abschätzen, welche Temperaturen an den verschiedenen Stellen der Ladung herrschen“, sagt Elisabeth Tobler, Forscherin an der Empa.
Rechnerisch erfasst das physikbasierte Modell den Weg der Kühlluft durch die verschiedenen Verpackungen und den Wärmeaustausch zwischen Luft und Früchten. Außerdem fließen die Ausgangstemperatur der Früchte und die geringe Wärme ein, die sie durch ihre Atmung selbst abgeben.
Testfahrt von Griechenland in die Schweiz liefert Vergleichsdaten
Für die Überprüfung des digitalen Zwillings speisten die Empa-Forscher reale Daten zu Beladung, Ausgangstemperaturen und Kühlluft eines kommerziellen Transports ein, der von Nafplion in Griechenland nach Pratteln in der Schweiz führte. Nach einer Vorkühlung von rund 24 Stunden waren die 31 Paletten mit Orangen und Zitronen vier Tage bei vier bis sechs Grad unterwegs. Beim Verpacken der Früchte waren 108 Sensoren an unterschiedlichen Stellen der Ladung angebracht worden, 97 davon für die Fruchttemperatur, die übrigen unter anderem für die Lufttemperatur sowie für Zu- und Rückluft des Kühlaggregats.
Die vom digitalen Zwilling berechneten Temperaturen verglichen die Forscher anschließend mit diesen Messdaten. „Für den digitalen Zwilling war dies ein anspruchsvoller Test“, sagt Tobler. „Die Früchte waren zu Beginn nicht alle gleichmässig heruntergekühlt, und Orangen und Zitronen befanden sich in unterschiedlichen Verpackungen. Trotzdem konnte das Modell die wichtigsten Temperaturentwicklungen an den meisten Stellen gut wiedergeben.“
Vorkühlung und Verpackung bestimmen die Temperatur der Ladung
Der Vergleich legte auch einzelne Abweichungen offen. Bei Orangen in der Mitte des Lastwagens stieg die Temperatur während der Fahrt von rund 7,7 auf bis zu 10,8 Grad und damit stärker als vom Modell berechnet, obwohl die Kühlluft deutlich kälter war. „Wir vermuteten, dass sich neben den betroffenen, überwachten Paletten ungenügend vorgekühlte Paletten befanden, die nicht mit Sensoren versehen waren“, erklärt Tobler.
In einer zweiten Berechnung setzten die Forscher die angenommene Ausgangstemperatur dieser nicht überwachten Paletten von rund 5,4 auf 10 Grad hinauf, worauf die simulierte Temperaturentwicklung deutlich besser mit den Messwerten übereinstimmte. „In der Simulation konnten wir nachvollziehen, wie die Wärme von einer Palette zur nächsten übertragen und mit der Luftströmung weitertransportiert wurde. Damit stützte das Modell unsere Hypothese“, so Tobler.
Sichtbar wurde zudem, dass die Kühlanlage eines Lastwagens bereits warme Früchte im Innern einer dicht beladenen Palette nur begrenzt nachträglich herunterkühlen kann. Kühlaggregate sind vorrangig darauf ausgelegt, vorgekühlte Ware auf Temperatur zu halten. Gelangen Früchte zu warm in den Kühltransporter, wirken sie sich während der Fahrt auch auf benachbarte Paletten aus.
Auch die Verpackung beeinflusst, wie gut die Kühlung die Früchte erreicht. Während die Zitronenkisten beim untersuchten Transport an mehreren Seiten Lüftungsöffnungen aufwiesen, waren die Orangenkartons an den kurzen Seiten geschlossen. „Bei einer Verpackung zählt nicht nur, wie sie aussieht oder wie stabil sie ist“, sagt Tobler. „Sie muss auch Kühlluft zur Ware durchlassen. Ebenso wichtig ist, dass die Paletten gleichmässig ausgerichtet sind und die Öffnungen nicht durch benachbarte Kartons blockiert werden.“
Vom Simulationstool zur datenbasierten Überwachung der Lieferkette
In einem ersten Schritt kann der digitale Zwilling als Simulationstool dienen. Logistikunternehmen und Produzenten hätten damit die Möglichkeit, die Auswirkungen einer neuen Verpackung, einer geänderten Palettenanordnung oder einer veränderten Luftzirkulation auf die Temperaturverteilung im Kühltransporter zu untersuchen. Laut Tobler würden besonders Unternehmen mit standardisierten Transporten profitieren, die regelmäßig dieselben Lastwagen, Verpackungen und Beladungsmuster nutzen.
Verknüpft mit realen Sensordaten aus laufenden Transporten soll das Modell künftig auch Überwachungssysteme ergänzen. Während der Sensor die tatsächlichen Messwerte liefert, errechnet das Modell daraus die Bedingungen im gesamten Laderaum. „Viele der notwendigen Daten werden bereits erfasst. Entscheidend ist, sie am richtigen Ort und zum richtigen Zeitpunkt zusammenzuführen und zu nutzen“, sagt Tobler. Auf diese Weise würden Importeure noch vor dem Eintreffen einer Lieferung sehen, welche Paletten höheren Temperaturen ausgesetzt waren und genauer geprüft werden sollten. Ware, deren Haltbarkeit voraussichtlich kürzer ist, könnte gezielt früher verkauft werden.
„Langfristig geht es um eine datenbasierte Überwachung der Lieferkette“, ergänzt Thijs Defraeye, Forscher an der Empa. „Der digitale Zwilling soll nicht nur Temperaturen darstellen, sondern Unternehmen helfen, ihre Transporte und den Umgang mit der eintreffenden Ware gezielter zu steuern und dadurch Lebensmittelverluste zu reduzieren.“
