Ein digitaler Zwilling für den Kühltransport könnte eine bislang schwer zu überwachende Schwachstelle der Lebensmittellogistik sichtbar machen: Obwohl die Kühlluft in einem Lastwagen die vorgesehene Temperatur aufweist, können einzelne Paletten im Laderaum deutlich wärmer sein als andere.
Für Spediteure, Lebensmittelproduzenten und Importeure ist das ein Problem. Denn die Temperatur während des Transports beeinflusst, wie lange frische Lebensmittel nach ihrer Ankunft noch haltbar sind.
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Wie groß die Unterschiede innerhalb einer Ladung ausfallen können, zeigt ein Forschungsprojekt der Schweizerischen Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt Empa. Die Wissenschaftler haben einen digitalen Zwilling eines Kühltransporters entwickelt, der Luftströmungen und Wärmeübertragung innerhalb des gesamten Laderaums simuliert. Damit lassen sich Temperaturunterschiede abschätzen, die bei der üblichen Überwachung mit einzelnen Sensoren unentdeckt bleiben können.
Der Ansatz soll künftig nicht nur die Kontrolle temperaturempfindlicher Transporte verbessern, sondern auch dazu beitragen, Lebensmittelverluste entlang der Lieferkette zu verringern.
Ein Temperatursensor reicht für die gesamte Ladung nicht aus
Ein Kühltransporter ist thermisch betrachtet ein komplexes System. Die vom Kühlaggregat erzeugte kalte Luft muss zwischen dicht gestapelten Paletten und Kartons zirkulieren und die Wärme der transportierten Lebensmittel aufnehmen. Wie gleichmäßig das gelingt, hängt unter anderem von der Luftgeschwindigkeit, der Verpackung und der Position der einzelnen Paletten ab.
Hinzu kommt, dass Früchte beim Verladen unterschiedliche Ausgangstemperaturen aufweisen können. Werden nicht ausreichend vorgekühlte Paletten in den Laderaum gebracht, entstehen Wärmenester, die sich während des Transports nur schwer beseitigen lassen.
Die übliche Temperaturüberwachung bildet diese Zusammenhänge nur unzureichend ab. Häufig zeichnet lediglich ein einzelner Sensor die Temperatur während der Fahrt auf. Seine Messwerte dokumentieren zwar den Temperaturverlauf an einer bestimmten Stelle, erlauben aber keine zuverlässige Aussage über die thermischen Bedingungen innerhalb der gesamten Ladung. Genau hier setzt der digitale Zwilling für den Kühltransport an.
„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 Empa-Forscherin Elisabeth Tobler.
31 Paletten, vier Tage Transport und 108 Sensoren
Um die Leistungsfähigkeit ihres Modells zu überprüfen, bildeten die Empa-Forschenden einen realen Obsttransport digital nach. Ein Kühltransporter brachte 31 Paletten mit Orangen und Zitronen von Nafplion in Griechenland nach Pratteln in der Schweiz. Vor dem Verladen waren die Früchte rund 24 Stunden vorgekühlt worden. Anschließend wurden sie über vier Tage bei einer Kühllufttemperatur zwischen vier und sechs Grad Celsius transportiert.
Für den Versuch statteten die Wissenschaftler die Ladung mit insgesamt 108 Sensoren aus. Davon erfassten 97 die Temperaturen der Früchte an unterschiedlichen Positionen. Die übrigen Sensoren zeichneten unter anderem die Lufttemperatur sowie die Temperaturen der Zu- und Rückluft des Kühlaggregats auf.
Parallel dazu berechnete der digitale Zwilling die thermischen Verhältnisse im Laderaum. Das physikbasierte Modell berücksichtigt die Luftströmung durch unterschiedliche Verpackungen, den Wärmeaustausch zwischen Kühlluft und Früchten sowie deren Ausgangstemperaturen. Selbst die geringe Wärmeentwicklung, die durch die Atmung der Früchte entsteht, fließt in die Berechnungen ein.
Anschließend verglichen die Forschenden die simulierten Temperaturverläufe mit den tatsächlich gemessenen Werten.
„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.“
Trotz Kühlung: Orangen erwärmen sich auf 10,8 °C
Besonders aufschlussreich war eine Abweichung zwischen Simulation und Messung. In der Mitte des Kühltransporters erwärmten sich Orangen während der Fahrt deutlich stärker als ursprünglich berechnet. Ihre Temperatur stieg von rund 7,7 auf bis zu 10,8 °C – obwohl die Kühlluft erheblich kälter war.
Die Wissenschaftler vermuteten, dass benachbarte Paletten vor dem Verladen nicht ausreichend heruntergekühlt worden waren. Da diese Paletten nicht mit Sensoren ausgestattet waren, ließ sich ihre tatsächliche Ausgangstemperatur nicht unmittelbar überprüfen.
Um die Vermutung zu untersuchen, veränderten die Forschenden die entsprechenden Eingangsparameter des digitalen Zwillings. Statt der ursprünglich angenommenen 5,4 °C setzten sie für die benachbarten Paletten eine Ausgangstemperatur von 10 °C an.
Das Ergebnis: Mit den veränderten Annahmen stimmten die simulierten Temperaturverläufe wesentlich besser mit den realen Messdaten überein. „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 die Empa-Forscherin.
Der Versuch verdeutlicht ein grundsätzliches Problem der Kühllogistik. Die Temperatur einzelner Paletten wird nicht ausschließlich durch die Kühlluft bestimmt. Auch benachbarte Ladungseinheiten beeinflussen die thermischen Verhältnisse. Eine unzureichend vorgekühlte Palette kann somit dazu beitragen, dass sich andere Teile der Ladung während des Transports erwärmen.
Warum Kühlaggregate an ihre Grenzen stoßen
Die Untersuchung macht außerdem deutlich, dass ein Kühlaggregat nur begrenzt in der Lage ist, bereits warme Früchte im Inneren dicht beladener Paletten während der Fahrt herunterzukühlen. Seine Hauptaufgabe besteht vielmehr darin, die Temperatur zuvor ausreichend gekühlter Lebensmittel möglichst konstant zu halten.
Gerade im Inneren dicht gepackter Paletten gelangt die Kühlluft jedoch nur eingeschränkt an die Ware. Werden Früchte mit zu hohen Temperaturen verladen, können sie deshalb während des Transports auch benachbarte Paletten erwärmen.
Für die Praxis bedeutet das: Eine auf die vorgesehene Temperatur eingestellte Kühlanlage allein gewährleistet noch keine gleichmäßigen Produkttemperaturen. Entscheidend ist vielmehr das Zusammenspiel von Vorkühlung, Verpackung, Beladung und Luftführung.
Die Verpackung entscheidet über die Kühlwirkung
Welche Bedeutung die Verpackung für die Temperaturverteilung hat, zeigte sich ebenfalls beim untersuchten Obsttransport. Die Zitronen wurden in Kisten befördert, die auf mehreren Seiten über Lüftungsöffnungen verfügten. Die verwendeten Orangenkartons waren dagegen an ihren kurzen Seiten geschlossen.
Diese konstruktiven Unterschiede beeinflussen, wie gut die Kühlluft durch die Paletten strömen und die Früchte erreichen kann. „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.“
Damit rückt ein Faktor in den Mittelpunkt, der für die Gestaltung von Transportverpackungen von Bedeutung ist: ihre Durchlässigkeit für die Kühlluft. Lüftungsöffnungen können ihre Aufgabe nur erfüllen, wenn sie im beladenen Zustand frei bleiben. Werden sie durch benachbarte Kartons oder eine ungünstige Palettenanordnung verdeckt, wird die Luftzirkulation eingeschränkt.
Der digitale Zwilling für den Kühltransport bietet die Möglichkeit, solche Zusammenhänge bereits vor einem realen Transport zu untersuchen.
Digitaler Zwilling soll Kühltransporte planbarer machen
Zunächst sehen die Empa-Forschenden den digitalen Zwilling als Simulationswerkzeug. Produzenten und Logistikunternehmen könnten damit unterschiedliche Verpackungen, Beladungsmuster oder Luftführungen virtuell untersuchen. So ließe sich beispielsweise überprüfen, wie sich eine veränderte Anordnung der Paletten auf die Temperaturverteilung auswirkt oder welchen Einfluss andere Verpackungen auf die Luftzirkulation haben.
Besonders geeignet erscheint der Ansatz für Unternehmen, die regelmäßig vergleichbare Transporte durchführen. Werden dieselben Fahrzeugtypen, Verpackungen und Beladungsmuster verwendet, könnten diese Unternehmen nach Einschätzung der Forschenden besonders von der Simulation profitieren.
Damit eröffnet das Modell die Möglichkeit, den Einfluss verschiedener Transportbedingungen auf die Temperaturverteilung bereits im Vorfeld zu untersuchen. Langfristig soll der digitale Zwilling jedoch mehr leisten als die Simulation einzelner Transporte.
Digitaler Zwilling soll die gesamte Ladung im Blick behalten
Die Wissenschaftler wollen das Modell künftig mit realen Sensordaten aus laufenden Transporten verknüpfen. Die Sensoren liefern dabei aktuelle Messwerte, während der digitale Zwilling daraus die Temperaturbedingungen an unterschiedlichen Stellen des Laderaums ableitet.
Damit könnte die bislang punktuelle Temperaturüberwachung um eine modellbasierte Betrachtung der gesamten Ladung ergänzt werden. „Viele der notwendigen Daten werden bereits erfasst. Entscheidend ist, sie am richtigen Ort und zum richtigen Zeitpunkt zusammenzuführen und zu nutzen“, sagt Tobler.
Für Importeure und Lebensmittelhändler eröffnet dieser Ansatz neue Möglichkeiten. Bereits vor der Ankunft einer Lieferung könnten sie erkennen, welche Paletten während des Transports höheren Temperaturen ausgesetzt waren. Diese Waren ließen sich gezielt kontrollieren. Gleichzeitig könnten die Temperaturdaten helfen, die voraussichtliche Resthaltbarkeit einzelner Ladungseinheiten besser einzuschätzen.
Früchte, deren Haltbarkeit durch ungünstige Transportbedingungen möglicherweise verkürzt wurde, könnten beispielsweise bevorzugt in den Verkauf gelangen. Andere Paletten mit günstigeren Temperaturverläufen ließen sich entsprechend später vermarkten.
Weniger Lebensmittelverluste durch digitale Kühlketten
Das Forschungsprojekt zeigt, welches Potenzial digitale Zwillinge für die Überwachung temperaturempfindlicher Lieferketten besitzen. Anstatt sich ausschließlich auf einzelne Messpunkte zu verlassen, könnten Logistikunternehmen künftig ein differenzierteres Bild der thermischen Bedingungen während eines Transports erhalten.
Dabei geht es nicht nur um die Untersuchung von Kühlung, Verpackungen und Beladung. Auch die nachgelagerten Prozesse im Lebensmittelhandel könnten von den zusätzlichen Informationen profitieren.
„Langfristig geht es um eine datenbasierte Überwachung der Lieferkette“, ergänzt Empa-Forscher Thijs Defraeye. „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.“ Getestet haben die Forschenden ihr Modell bislang an einem einzigen Obsttransport
