Maken stalen zeilen schepen duurzamer?

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.

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.

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.

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.

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.

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.”

• 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.