Maken stalen zeilen schepen duurzamer?

Strengere milieueisen dwingen reders tot reductie van broeikasgassen. Twee promotiestudies bij 3mE 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, Maritime and Mechanical Engineering (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 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

Koopvaardij groeit nog steeds. (Illustratie: KPMG)

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 3mE 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.

Flettner-rotormodel in de Milanese windtunnel. (Foto: Giovanni Bordogna)
Scheepsmodel in Delftse sleeptank. (Foto: Nico van der Kolk)

Drie moderne ‘zeilen’

Moderne installaties voor windondersteunde scheepsvoortstuwing lijken steeds minder op de zeilen van een 19e eeuwse klipper. Nieuwe materialen, betere kennis van de aerodynamica en de beschikbaarheid van een motor aan boord hebben innovatieve ontwerpen opgeleverd, 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, 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.

Coaster met eConowind unit. (Foto: Conoship)
Cousteau's Alcyone met turbosails in Caen, Frankrijk in 2011. (Foto: Wikicommons)

Rotorzeilen

Een cilindervormig rotorzeil lijken nog het meest op extra schoorsteen aan boord. De staande verticale cilinder draait in de wind om z’n 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% 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.

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

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.”

Flettner-rotor op de kade. (Foto: Norsepower)

Moment in de zon

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 wind ondersteund varen zullen bevorderen. “We willen beiden door in deze lijn van werk”, zegt Van der Kolk. “Steunzeilen worden een belangrijke stroming. WASP-technologie gaat een moment in de zon beleven.”

Verder lezen:

  • Fred Pearce, Future sailors: what will ships look like in 30 years, The Guardian, 3 May 2018
    IMO, Reduction of GHG emissions from ships, Wind propulsion solutions, 24 January 2020.
  • Daan Sparreboom (TU) “Weather Routing of motorsailers” (2012,   SDPO.12.013.m)
  • Jochem Grootjen (NHL-Stenden Hogeschool),  ”DynaRig Geometry Optimization”, 12 nov 2019. 
/* */