De scheepvaart is een van de meest vervuilende sectoren ter wereld. Maar wat als vrachtschepen weer zouden gaan zeilen? Niet met zeilen en touwen, maar met enorme stalen buizen die ronddraaien in de wind.
Scheepvaart-onderzoeker Albert Rijkens van de TU Delft laat in deze aflevering van Universiteit van Nederland zien hoe dit soort “rotorzeilen’ werken. En legt uit waarom de toekomst van de scheepvaart misschien wel in het verleden ligt.
Scientias: Mega-interessant deze toch al vrij oude technologie! Er zijn wel wat vragen onder de video over waarom we geen andere technologieën gebruiken, zoals waterstof.
Albert Rijkens: “Heel veel andere duurzame brandstoffen hebben heel veel energie nodig om te maken. Denk inderdaad aan groene waterstof of andere synthetische brandstoffen zoals methanol en ammonia. Als je deze brandstoffen op een duurzame manier wilt maken, heb je daar heel veel groene energie voor nodig. Je hebt zelfs bijna de gehele wereldproductie nodig van groene energie om alle schepen van duurzame brandstoffen te voorzien. Daarom heeft het echt zin om de energiebehoefte van de hele sector te verminderen. In dit geval kunnen we met de rotorzeilen het energieverbruik van een bestaand schip met zo’n 20 procent verminderen en dat is best veel. We zien de zeilen daarom ook meer als technology enabler, namelijk dat door de rotorzeilen te gebruiken ook andere duurzame brandstoffen geïmplementeerd kunnen worden. Want naast het feit dat die vaak een stuk duurder en schaarser zijn dan de fossiele alternatieven, nemen ze vanwege hun lagere volumetrische energiedichtheid (de hoeveelheid brandstof die je mee moet nemen voor een bepaalde hoeveelheid energie, wat vaak overeenkomt met een bepaalde afstand die je af kunt leggen red.) ook een stuk meer ruimte in aan boord.”
Het onderzoeksprogramma in Delft is het grootste ter wereld als het gaat om onderzoek naar rotorzeilen. Onderzoeken jullie daarnaast ook andere zeilopties?
“Er werken op dit moment 9 promovendi op de TU Delft binnen ons onderzoeksprogramma naar windvoortstuwing op schepen, volgend jaar groeit dat aantal naar 12 promovendi. Vier hiervan werken aan zeilsystemen en op dit moment richten we onze aandacht op onderzoek naar rotorzeilen. Op basis van deze systemen willen we een heel simulatieraamwerk opzetten waarin we later eenvoudig andere zeilsystemen aan toe kunnen voegen.”
Albert legt uit dat het simulatieraamwerk van de TU Delft helpt te onderzoeken aan wat voor eigenschappen schepen in de toekomst moeten voldoen om nog meer uit zeil te halen. De romp van een schip moet bijvoorbeeld anders worden en dat kan zo efficiënt mogelijk worden aangepast. Als dit gehele raamwerk eenmaal staat, dan kunnen ook andere zeilsystemen onderzocht worden.
“We hebben nu het rotorzeil-systeem gekozen om het onderzoek mee te starten. Van de vrachtschepen met zeilconstructies heeft het grootste deel rotorzeilen, dit is daarom een heel relevante technologie. Ook is het vanuit een wetenschappelijk oogpunt een heel interessante uitdaging om nauwkeurig de krachten van een draaiende rotor op ware grootte te kunnen voorspellen.
Je kunt bijvoorbeeld een zeil in een windtunnel plaatsen, maar in zo’n tunnel heb je heel gecontroleerde condities, heel anders dan op zee. Daar heb je bijvoorbeeld een atmosferische grenslaag. Dichtbij het zeeoppervlak is de windsnelheid lager dan hoger in de atmosfeer, je hebt ook veel meer kleine wervels (turbulentie) op zee dan in een windtunnel en tot slot beïnvloed het schip zelf ook de lokale windsnelheden richting rond het schip. We proberen al deze effecten te meten om de werkelijke prestatie van een rotorzeil op een schip beter te voorspellen. Deze bevindingen implementeren we in het simulatieraamwerk waarna deze omgevingseffecten ook bij andere zeilvarianten worden toegepast, zoals rigid wing sails (zeilen die iets weg hebben van vliegtuigvleugels die rechtop een boot staan, red.) etc.”
Mooi dat hier zo over nagedacht wordt. Hoe zit het dan als je een brug tegenkomt of een orkaan? Kun je het rotorzeil strijken (het weghalen van een zeil, red.)?
“Je kunt de buizen bij sommige systemen wel strijken, zodat je onder bruggen kan doorvaren. Ook is het in sommige gevallen niet handig dat de buizen omhoog staan als je moet laden of lossen. Het toepassen van zo’n kantelmechanisme is echter wel een optie, maar wordt vanwege de hogere investeringskosten niet standaard toegepast.
Bij orkanen is het de meest solide configuratie om toch de rotoren rechtop te laten staan, ook bij systemen met een kantelmechanisme. Bij stormachtige wind wordt de rotatiesnelheid teruggebracht of zelfs bijna stilgezet. Zo kunnen zelfs de grootste orkanen overleefd worden.
Veel bemanningsleden varen overigens liever op een boot met rotorzeilen,want, net als bij een gewone zeilboot, je ligt stabieler in het water als er druk van de zeilen is. Dat maakt het leven aan boord fijner. De bemanning van een rederij vaart dus graag op deze schepen.”
Hoeveel schepen met rotorzeilen varen inmiddels rond?
“Ik weet dat er 80 grote vrachtschepen zijn met windvoortstuwing, waarvan zo’n 40 procent een rotor gebruikt. De laatste drie jaar verschenen steeds meer boten met zeilsystemen. Een paar jaar geleden waren het er nog enkelen en nu zie je een verdubbeling in het aantal installaties per jaar.”
Klinkt goed, waarom dan nu pas?
“Voor veel rederijen is het heel belangrijk dat het financieel aantrekkelijk is. De brandstof wordt steeds duurder en in de toekomst wordt de uitstoot -vanwege de steeds strikter wordende regelgeving- steeds hoger belast. Ze moeten dus uitwijken naar groene technologieën en wind is een van de makkelijkste en goedkoopste technologieën om te implementeren.”
Interessant, waarom geen andere technieken gebruiken dan, zoals andere brandstoffen, small modular reactors (SMR’s, kleine kernreactoren, red.) of iets anders?
“Het is niet alleen tech aan boord wat het lastig maakt om andere brandstoffen op wereldwijde schaal uit te rollen, je hebt voor elke nieuwe brandstof ook in iedere wereldhaven nieuwe bunkerinfrastructuur nodig, zoals opslagcapaciteit en distributiesystemen. Dus het is veel makkelijker om windvoortstuwing te gebruiken: de wind is immers overal al aanwezig. Het is daarom makkelijker te introduceren dan veel andere technologieën.
SMR’s zijn een geval apart. In de toekomst zullen hooguit enkele honderden schepen in aanmerking komen voor deze technologie. Ten eerste bevindt die technologie zich in de kinderschoenen en het is omgeven met heel veel regelgeving die nog ontwikkeld moet worden. Vanuit een kostenoogpunt is het alleen interessant voor heel specifieke schepen met een enorme energiebehoefte, zoals schepen die gebruikt worden voor het bouwen of ontmantelen van heel grote (olie)platforms op zee.”
En tegen de wind in zeilen, kan dat met een rotor?
“Nee, net als met een gewone zeilboot: je kunt niet tegen de wind in zeilen. Je zult je koers iets moeten verleggen als je brandstofbesparing wilt realiseren. Maar door de wind slim te benutten kun je op een iets langere route toch veel brandstof besparen. Je ziet dat de bemanningsleden nu al vaak een beloning krijgen als ze brandstof besparen. Dus ook laveren met zo’n boot heeft zin, tenzij aankomsttijd belangrijk is, dan moet je motorvermogen inzetten om toch tegen de wind in te varen.”
Een kiel, mooie uitdaging. In de video meten jullie in een echte watertank, kun je dat niet modelleren met de computer?
“Uiteindelijk worden de resultaten wel vertaald naar computermodellen, maar om de fysica goed te doorgronden, gebruiken we simulaties en fysische testen in de windtunnel en sleeptank altijd naar elkaar. Zoals ik uitlegde in het filmpje, varen zeilboten altijd onder een drifthoek (waarbij een schip iets in de tegenovergestelde richting van de wind geduwd wordt, red.) De computermodellen zijn juist vooral gemaakt en gevalideerd voor rechtuit varen. Met deze modellen is het daarom vaak nog heel lastig te voorspellen wat de krachten zijn als je onder een bepaalde hoek vaart. In ons onderzoek doen we fysische experimenten waarin we de wervelstructuren rond de boot in kaart brengen. Deze beelden kunnen we naast onze resultaten van het simulatiemodel leggen. Dan kunnen we nauwkeurig zien wanneer het programma in staat is om een juiste voorspelling te maken en wanneer we ons programma moeten wijzigen om tot goede resultaten te komen.
Een computermodel geeft altijd een antwoord, maar omdat we een schip in een nieuwe toestand gebruiken, moeten we valideren of dit antwoord wel klopt. Het stromingsprofiel is een stuk ingewikkelder en complexer, daarom vallen we toch altijd terug op testen met echte, fysische modellen.”
Terug naar de kiel, weten we al wat werkt?
“Ja, veel vrachtschepen hebben al bilge keels (kimkiel, platen die in de richting van het schip gemonteerd worden onder een rechte hoek ten opzichte van de buitenkant, red.) die worden gebruikt om slingeren te verminderen. Die systemen leveren ook wel dwarskracht op. We onderzoeken hoeveel dwarskracht deze systemen leveren bij verschillende hoeken en dan kijken we hoeveel zeilkracht je kunt inzetten. Sommige schepen hebben ook slingerkielen, die vinnen zou je meer verticaal kunnen zetten. Dat heeft ook het voordeel dat je de hoek kunt instellen en je kunt de vinnen hiermee veel compacter maken. Dit in tegenstelling tot de hoek van de kiel van een zeilboot, die vanwege zijn vaste opstelling altijd in de vaarrichting staat. Deze systemen zijn dus interessant om te onderzoeken. Het nadeel is wel: deze systemen zijn veel duurder dus je moet er wel voldoende mee winnen wil het de investering waard zijn.
Het gaat uiteindelijk natuurlijk om het verminderen van brandstofverbruik.
“Ja, in totaal is tien tot twintig procent minder brandstof echt heel relevant voor een vrachtschip. Honderd procent voortstuwing door wind is wel mogelijk, als je je vaarsnelheid sterk verlaagt. Die percentages zijn lager als je hogere vaarsnelheden wilt behouden. Zelfs met de huidige schepen kun je naar 60 of 70 procent brandstofbesparing gaan als je langere reistijden accepteert. Wij kijken vooral naar meer zeiloppervlak zodat die percentages ook haalbaar zijn ook bij hogere snelheden, hiervoor moet je het hele ontwerp aanpakken. Anders is het alsof je een roeiboot hebt waar je een zeil op zet, je komt wel vooruit,maar het is verre van geoptimaliseerd. Voor betere prestaties moet je echt wel serieuze aanpassingen maken aan het scheepsontwerp. Onze verwachting is dat dit echt de toekomst gaat zijn!”
Uitgelezen? Luister ook eens naar de Scientias Podcast:
