De haven van de toekomst: slim, schoon en autonoom
Slimme inzet van sensoren, data, kunstmatige intelligentie, communicatietechnologie en simulatie maken havens en waterwegen in 2050 klimaatneutraal.
Door Bennie Mols • 6 april 2023
Stel je voor dat schepen volledig autonoom varen, dat sensoren continu meten wat het energieverbruik en het emissieniveau is, dat de schepen onderling communiceren voor het bepalen van de zuinigste routes en dat ze ook nog met de omliggende infrastructuur communiceren om alle logistieke operaties te optimaliseren - alle processen perfect gestroomlijnd, alle goederen precies op tijd en op de juiste plek. Dat zou het ideale scenario zijn om het transport van schepen in havens en waterwegen klimaatneutraal te maken in 2050, wat het streven is van de Europese Green Deal.
De TU Delft werkt aan elk van deze technologische uitdagingen om de verduurzaming van transport over het water nu al in te zetten. Zo onderzoeken professor Rudy Negenborn, Frederik Schulte en hun collega’s van de faculteit Mechanical Engineering (ME) hoe sensoren, data, AI-technieken en communicatietechnologie een haven zoals die van Rotterdam duurzamer kan maken. Ook onderzoeken zij hoe alternatieve brandstoffen diesel en stookolie kunnen vervangen om zo het zwaar transport op zee te verduurzamen.
Bij de faculteit Civiele Techniek en Geowetenschappen onderzoeken professor Mark van Koningsveld, universitair docent Alex Kirichek en hun medewerkers welke infrastructuuraanpassingen nodig zijn voor de energietransitie en hoe de watertransportinfrastructuur klimaatrobuust kan worden gemaakt. Zij ontwikkelen een digital twin van het vaarwegennetwerk, met als doel om combinaties van maatregelen vooraf te toetsen op hun effectiviteit.
Slimme schepen
Om schepen efficiënter en duurzamer te laten varen, onderzoekt professor Negenborn interacties tussen regeltechnische- en optimalisatiealgoritmen. Negenborn: “Op het niveau van de aandrijving kunnen we met slimme regeltechniek ervoor zorgen dat brandstoffen duurzamer wordt geïnjecteerd in motoren die gecombineerd zijn met brandstofcellen. Op het niveau van het schip kunnen we de energievoorziening aan boord optimaliseren. Op het niveau van het schip in zijn omgeving kunnen we de routeplanning optimaliseren. De snelste route hoeft immers niet de meest duurzame te zijn. Wij onderzoeken onder andere de interactie tussen schepen onderling en die tussen schepen en de omliggende infrastructuur, waaronder bruggen, sluizen en werktuigen in container- of bulkterminals.”
Het kernidee is dat veel processen in de transportketen duurzamer kunnen worden wanneer schakels in de keten automatisch overleggen over hun intenties. Coöperatief varen is hier een belangrijk onderdeel van. Stel dat twee schepen een waterwegkruispunt of sluis naderen dan wordt veel brandstof verspild wanneer elk schip het eerste bij het kruispunt probeert te zijn. Het kan duurzamer zijn wanneer de schepen onderling afstemmen dat een van de schepen iets langzamer gaat varen en de andere zijn normale snelheid houdt of dat zij samen in een bepaalde formatie gaan varen.
Slimme havens
Hoe kun je AI-gedreven data-analyse inzetten om een haven als geheel klimaatneutraal te laten opereren? Dat is de centrale vraag van het onderzoeksinitiatief NetZero AI Port dat universitair docent Frederik Schulte met professor Negenborn en collega’s aan het opbouwen zijn. Schulte: “De huidige aanpak van havens om de uitstoot van broeikasgassen te verminderen, is gericht op losse onderdelen van de haven, zoals de invoering van schonere brandstoffen. NetZero AI Port richt zich juist op de haven als geheel en de operationele logistieke processen die daar plaatsvinden. Dat biedt veel meer mogelijkheden om klimaatneutraal te opereren. Als het ene onderdeel van de haven een tijdje wat meer emissies moet uitstoten, kunnen we kijken of we een ander onderdeel tegelijkertijd een vergelijkbare hoeveelheid minder kunnen laten uitstoten om belangrijke klimaatdoelen op tijd te bereiken.”
Het economische belang van de scheepvaart
Een groot deel van de spullen die wij dagelijks gebruiken is op enig moment via schepen vervoerd. Voor de Europese Unie vertegenwoordigt de scheepvaart ongeveer 80% van de totale in- en uitvoer in volume en ongeveer 50% in waarde. Wereldwijd wordt jaarlijks ongeveer 11 miljard ton goederen per schip vervoerd, een gemiddelde van maar liefst 1,4 ton per wereldburger.
Schoon varen op ammoniak
De wereldwijde uitstoot van zeeschepen is vergelijkbaar met die van een groot land als Duitsland. Vloeibare ammoniak (NH3), die met duurzame energie wordt geproduceerd, kan in theorie een goed alternatief zijn voor de zwaar vervuilende diesel en stookolie die grote zeeschepen nu gebruiken. Op andere alternatieve brandstoffen zoals groene waterstof heeft ammoniak het grote voordeel dat het veel energie in een relatief klein volume bevat, waardoor schepen niet groter hoeven te worden.
Voordat groene ammoniak daadwerkelijk op schepen gebruikt kan worden, moet echter eerst onderzocht worden hoe een combinatie van brandstofcellen en motor tot het hoogste rendement kan komen, hoe en waar de ammoniak het beste geproduceerd kan worden en wat de economische en veiligheidsaspecten zijn. Professor Rudy Negenborn en zijn collega’s gaan deze vragen onderzoeken in het NWO-project AmmoniaDrive dat in februari 2023 van start gaat.
Emissievrije binnenvaart
In januari 2023 gaat het 6-jarige onderzoeksproject PATH2ZERO van start, geleid door universitair docent Alex Kirichek en professor Mark van Koningsveld. Ultieme doel van het project is om de binnenvaart volledig emissievrij te maken. Van Koningsveld: “Daarvoor kiezen we een holistische blik op het transportsysteem. Welke schepen varen er op welke waterweg? Wat is de staat van de infrastructuur langs het netwerk? Welke nieuwe brandstoffen en energiedragers worden voorzien? Wat is de impact van laag of juist hoog water? Transport over water is een complex systeem. Stel dat we voor één waterweg een bepaalde duurzaamheidsmaatregel nemen, wat is dan het effect op de andere waterwegen? Om de antwoorden op zulke vragen te vinden, hebben we nieuwe instrumenten nodig die de data van al die verschillende onderdelen combineren in een simulatiemodel: een digitale tweeling van de scheepvaart.”
Tweelingmodel van waterwegen
Het digitale tweelingmodel dat centraal staat in het PATH2ZERO-project zal zich de komende jaren richten op drie verschillende waterwegen: de transportcorridor van Rotterdam naar Duisburg, de transportcorridor van Rotterdam naar Gent, en de grotere Rotterdamse haven. “In de afgelopen jaren heeft ons team al een succesvol prototype gebouwd in nauwe samenwerking met binnenvaartondernemingen”, zegt projectleider Alex Kirichek. “Dat prototype gaan we verder verbeteren en uitbreiden. Met een digitaal tweelingmodel kunnen we aan verschillende knoppen draaien, scenario’s met elkaar vergelijken en berekenen wat de meest effectieve maatregelen voor verduurzaming zijn. Hoe effectief is het bijvoorbeeld om schepen die een tijd in de haven liggen voor hun energievoorziening gebruik te laten maken van duurzame elektriciteit die van de wal komt en welke infrastructuur is daarvoor nodig? Wat is de effectiviteit van investeringen in motorvernieuwing en verkeersmaatregelen? Het digitale tweelingmodel kan een belangrijk instrument worden waarmee we nieuwe kennis beschikbaar maken voor beleidsmakers en beslissers.”
