Wetenschap

Maken stalen zeilen schepen duurzamer?

Strengere milieueisen dwingen reders tot reductie van broeikasgassen. Twee promotiestudies bij 3mE naar steunzeilen beloven besparingen met dubbele cijfers.

Coaster Estraden met rotorzeilen op bezoek in Nederland. (Foto: Wikicommons)

Sinds 1 januari 2020 is de zorg voor het klimaat binnen de scheepvaart een urgente kwestie. De maximale zwavelinhoud van scheepsbrandstof is namelijk drastisch beperkt van voorheen 3,5 tot 0,5 procent nu. Die maatregel leidde wereldwijd tot schommelingen in de bunkerprijzen.

De zwavelmaatregel is de eerste uit een reeks voorschriften van de Internationale Maritieme Organisatie IMO in haar missie de emissies van de scheepvaart terug te brengen. Na zwaveloxiden zijn broeikasgassen zoals CO2 aan de beurt. Het IMO heeft de opdracht om de uitstoot van de internationale scheepvaart in lijn te brengen met de akkoorden van Parijs over beperking van de klimaatverandering. Het programma dat de scheepvaartorganisatie heeft opgesteld heet IMO-2020.

Koopvaardij groeit nog steeds. (Illustratie: KPMG)

Onder IMO-2020 moet de uitstoot van broeikasgassen door de scheepvaart (momenteel zo’n 2 procent van het totaal, net als de luchtvaart) tegen 2050 gehalveerd zijn. Met 50 duizend schepen in een groeiende transportmarkt is dat een complexe opgave.

Schepen in Europese havens kunnen al in 2023 aanvullende energie-eisen tegemoet zien, verwacht Nico van der Kolk, promovendus bij de faculteit Werktuigbouwkunde, Maritieme Techniek & Technische Materiaalwetenschappen (3mE). Nieuwe eisen ten aanzien van het energieverbruik van schepen zijn gebaseerd op IMO’s Energy Efficiency Design Index (EEDI), legt Van der Kolk uit, en op lokale initiatieven van Europese havens (met name rond de Oostzee) die de IMO-regels gebruiken om reders onder druk te zetten meer te innoveren.

De IMO stelt minimale energiestandaards vast voor nieuwe schepen. Tegelijkertijd moet de bestaande vloot aan hogere energie-eisen voldoen om te voorkomen dat er geen vooruitgang geboekt wordt doordat schepen eindeloos in de vaart blijven. Een gedeelte van de verplichte energiebesparing kan ingelost worden door het gebruik te veranderen, zoals langzamer varen en walstroom aansluiten in de haven. Van naderhand aangebrachte steunzeilen op zeeschepen wordt een uitstootvermindering van 10 tot 20 procent verwacht.

Zeil zetten
Er loopt een langjarig onderzoek naar windondersteunde scheepsvoortstuwing in Delft. Onlangs was er een promotie over de aerodynamica van windondersteunde schepen, en binnenkort volgt een andere studie over de hydrodynamica. Prof.dr.ir. René Huijsmans en dr.ir. Lex Keuning van de afdeling scheepsbouwkunde bij 3mE begeleidden de beide onderzoekers. Daaraan voorafgaand vond een verkennende afstudeerstudie plaats door ir. Emiel Mobron (2014) over de verbetering van de prestaties van een vrachtschip met steunzeilen.

Flettner-rotormodel in de Milanese windtunnel. (Foto: Giovanni Bordogna)

Dr.ir. Giovanni Bordogna, die zijn proefschrift afgelopen januari verdedigde, bestudeerde de aerodynamica van roterende cilinders en hun onderlinge interactie. Welke krachten ondervinden zulke cilinders aan boord van een schip? Bordogna verrichtte zijn metingen in de grote windtunnel van de Technische Universiteit van Milaan. Hij had veel ruimte nodig om een schaalmodel onder te brengen dat het origineel (18 meter hoog en 3 meter doorsnee) zo dicht mogelijk benaderde. Het ‘zeil’ was in dit geval een verticale roterende cilinder die bekend staat als Flettner-rotor (hierover later meer).

Scheepsmodel in Delftse sleeptank. (Foto: Nico van der Kolk)

De andere promovendus, Nico van der Kolk, bestudeerde de hydrodynamica van een romp onder invloed van een zeil. Hij deed zijn metingen in de sleeptank van de TU Delft waar de krachten op het model van de romp gemeten worden terwijl het schaalmodel door het water beweegt. “Een zeil oefent krachten uit op het schip”, legt Van der Kolk uit.

Naast de naar voren gerichte kracht, die bijdraagt aan de voortstuwing van het schip, is er een dwarskracht. Die laterale kracht geeft het schip helling en duwt het van de koers. Van der Kolk heeft met verschillende kielen en vinnen gewerkt (appendages genoemd) die de dwarskrachten van een zeil op een groot schip zoveel mogelijk moeten compenseren. Hij verwacht zijn proefschrift Sailing efficiency and course-keeping ability of wind-assisted ships in april 2020 te presenteren.

Drie moderne ‘zeilen’
Moderne installaties voor windondersteunde scheepsvoortstuwing lijken steeds minder op de zeilen van een negentiende-eeuwse klipper. Nieuwe materialen, betere kennis van de aerodynamica en de beschikbaarheid van een motor aan boord leverden innovatieve ontwerpen op, waarvan sommigen niet meer snel als zeil herkend worden.

Conceptontwerp Ecoliner met Dynarig sails. (Beeld: Dykstra Naval Architects)
Dynarig

Het meest klassiek ogende moderne zeil is de Dynarig. Hoewel geïnspireerd door de klippers, gebruikte de Duitse uitvinder Wilhelm Prölss moderne technologie om iets te maken dat een eeuw geleden ondenkbaar was: drie vrijstaande masten die bediend kunnen worden door één man achter een controlepaneel. De werf schat dat een Dynarig dubbel zo efficiënt is als een klassiek tuig met dezelfde afmetingen. Dykstra Naval Architects uit Amsterdam pastte het Dynarig toe op het legendarische zeiljacht Maltese Falcon, en daarna op de Black Pearl. Het is ook Dykstra’s keuze voor de Ecoliner – een conceptontwerp voor een hybride vrachtschip.

Coaster met eConowind unit. (Foto: Conoship)
Turbozeilen

Een andere steunzeiltechnologie, de eConowind, won vorig jaar de maritieme innovatieprijs. Met twee masten in een 40-voets container lijkt de eConowind de ultieme retrofit. Sjor ‘m vast op dek, kantel de masten omhoog, en zeilen maar.

Guus van der Bles, directeur ontwikkeling bij Conoship International bv, was tot september 2015 als onderzoeker in dienst bij de afdeling maritieme techniek aan de TU Delft. Hij ontwikkelde de zogenaamde Ventifoils als een compacte vorm van steunzeil voor vrachtschepen.

Cousteau’s Alcyone met turbosails in Caen, Frankrijk in 2011. (Foto: Wikicommons)

Ventifoils zijn gebaseerd op een vorm van zeilen waarbij lucht wordt aangezogen door ventilatiegaten in de mast, min of meer tegenover de windrichting. De actieve aanzuiging van lucht vergroot het luchtdrukverschil over het zeil, wat een tot vier keer grotere kracht per zeiloppervlak oplevert dan bij een passief zeil. De techniek staat bekend als turbozeil. De Franse ontdekkingsduiker en avonturier Jean Jacques Cousteau vroeg er midden jaren tachtig al een patent op aan.

Maersk tanker Pelican voer een jaar lang met twee rotors. (Foto: Norsepower)
Rotorzeilen

Een cilindervormig rotorzeil lijken nog het meest op een extra schoorsteen aan boord. De staande cilinder draait in de wind om zijn as, en wekt zo een drukverschil dat loodrecht op de windrichting staat. Vorig jaar testte de olietanker Maersk Pelican twee rotors gedurende een jaar en rapporteerde 8,2 procent brandstofbesparing.

Deze meest industriële vorm van zeilen, die ook bekend staat als de Flettner-rotor, is bijna honderd jaar oud. Een vroeg prototype, de Bucknau, stak in 1925 de oceaan over naar Amerika maar de technologie raakte daarna uit de gratie.

Toen klimaatverandering op de internationale agenda’s verscheen, gingen ingenieurs op zoek naar manieren om de wind op zee in te zetten met als doel de uitstoot van broeikasgassen te verminderen. En zo kwam het rotorzeil weer in beeld. Bijna een eeuw na het eerste prototype verschenen twee grote Flettner-rotors in 2010 op de E-Ship-1. Inmiddels vaart een handjevol schepen, zowel vrachtboten als veerboten, met Norsepower rotorzeilen.

Flettner-rotor op de kade. (Foto: Norsepower)
Terugkeer van de zeilen?

Volgens Norsepower, momenteel marktleider in rotorzeilen, schakelen Europese schepen over op windaandrijving. Ze leggen uit waarom in het Amerikaanse zakentijdschrift Forbes. Ook de Economist schrijft over een comeback van windaangedreven schepen. Staat ons een terugkeer te wachten van een zeilende koopvaardij?

Emeritus hoogleraar scheepsmechanica René Huijsmas, die promovendi Bordogna en Van der Kolk begeleidde, zegt: “In de tachtiger jaren van de vorige eeuw is er veel onderzoek gedaan naar verschillende technieken voor steunzeilen. De Dynarig, Flettner rotor en turbozeilen dateren allemaal uit die tijd. Maar toen de olieprijs daalde, zakte ook de belangstelling voor windaandrijving in. Maar nu is er iets anders aan de hand: de druk om CO2-emissies terug te dringen om de klimaatverandering te beperken. Daarom zie je mensen teruggrijpen op brandstofbesparende technologieën van toen.”

“De ecologische druk is het sterkst in het Oostzeegebied”, zegt copromotor dr.ir. Lex Keuning. “Dat maakt het een gunstig gebied voor de ontwikkeling van steunzeilen. Helaas waait het er minder sterk dan op de Noordzee, dus zal je er meer zeil moeten.”

Beide scheepsexperts hebben hun twijfels over de plaatsing achteraf (retrofitting) van een mast op een schip dat daar niet op ontworpen is. Als de mast een serieuze bijdrage levert aan de voortstuwing, dan zijn de krachten groot en moet de mast stevig verankerd zijn in de constructie van het schip. En alsof dat nog niet ingewikkeld genoeg is, moet ook de romp aangepast worden om weerstand te bieden aan de dwarskracht van het zeil op het schip. “Dat betekent in feite een nieuw schip”, concludeert Huijsman.

Wat voor invloed verwachten Huijsmans en Keuning van de ecologische druk op de scheepsbouw van de toekomst? Uiteindelijk, zeggen ze, zijn steunzeilen waarschijnlijk een tussenoplossing. “Ik denk dat we overstappen op CO2-vrije brandstoffen zoals waterstof of synthetische brandstoffen”, zegt Huijsmans. Keuning noemt een andere optie: “Ik denk dat we kernreactoren terug zien komen aan boord. Dat is een krachtige, betrouwbare en emissievrije vorm van energie.”

Vertrouwen in nieuwe markt
De twee promovendi Van der Kolk en Bordogna hebben vertrouwen in de opbloeiende interesse in steunzeilen. Ze hebben het consultancybedrijf Bluewasp Marine opgezet dat voor opdrachtgevers berekent wat de emissiebesparing is van steunzeilen op een bepaald schip. Ze denken dat de IMO-maatregelen de belangstelling voor windondersteund varen zal bevorderen. “We willen beiden door in dit soort werk”, zegt Van der Kolk. “Steunzeilen worden een belangrijke stroming.”

Wetenschapsredacteur Jos Wassink

Heb je een vraag of opmerking over dit artikel?

j.w.wassink@tudelft.nl

Comments are closed.