Maken stalen zeilen schepen duurzamer?

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

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

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

Onder IMO-2020 zal de uitstoot van broeikasgassen door de scheepvaart (momenteel zo’n 2% van het totaal, net als de luchtvaart) tegen 2050 gehalveerd moeten worden. Met 50.000 schepen in een groeiende transportmarkt is dat een complexe opgave. Ofwel de globalisering gaat in de achteruit, of schepen moeten veel energiezuiniger worden.

Schepen in Europese havens kunnen al in 2023 aanvullende energie-eisen tegemoet zien, verwacht Nico van der Kolk, promovendus bij de Faculteit Mechanical Engineering (ME). 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 grote bestaande vloot ook aan hogere energie-eisen voldoen om te voorkomen dat er geen vooruitgang geboekt wordt omdat schepen eindeloos in de vaart blijven. Een gedeelte van de verplichte energiebesparing kan ingelost worden door het gebruik te veranderen, zoals minder snel te varen en walstroom aansluiten in de haven. Extra aangebrachte zeilen op de schepen lijken 10-20% te kunnen besparen aan brandstof en uitstoot, hoewel die zeilen weinig meer doen denken aan de doeken van vroeger.

_{Dit artikel verscheen al eerder in Delta}

Zeil zetten

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

Dr.ir. Giovanni Bordogna, die zijn proefschrift afgelopen januari verdedigde, bestudeerde de aerodynamica van roterende cilinders en hun onderlinge interactie. Wat voor krachten ondervinden zulke cilinders aan boord van een schip, en onder welke omstandigheden? 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 zo 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, waarover dadelijk meer.

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 gesleept wordt. “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 in het algemeen ook 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.

Dynarig

Het meest klassiek ogende moderne zeil is de Dynarig. Hoewel geïnspireerd door de klippers, zette de Duitse uitvinder Wilhelm Prölss moderne technologie in om iets te maken dat een eeuw geleden ondenkbaar was: drie vrijstaande masten die geheel 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.

Turbosails

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, zet ‘m aan 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.

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 een passief zeil. De techniek staat bekend als turbozeil, en de Franse ontdekkingsduiker en avonturier Jean Jacques Cousteau vroeg er midden jaren-80 een patent op aan.

Terugkeer van de masten?

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 brandstof sparende 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 zetten in welk vorm dan ook. Kan ik zeggen dat we een techniek ontwikkeld hebben waardoor je met een Flettner rotor scherper aan de wind kan varen? Oeps, dat zeg ik net.”

Beide scheepsexperts hebben hun twijfels over de plaatsing achteraf (retrofitting) van een mast op een schip dat daar niet voor gemaakt 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 heeft nog een andere optie: “Ik denk dat we kernreactoren terug zien komen aan boord. Dat is een krachtige, betrouwbare en emissievrije vorm van energie.”