TU werkt aan zeilende vrachtvaart. Zoals vroeger, maar dan anders

Kan de commerciële scheepvaart profiteren van windvoortstuwing? Het multidisciplinaire onderzoeksprogramma Wind assisted ship propulsion (Wasp) zoekt uit hoeveel brandstof te besparen is door optimaal gebruik te maken van de wind. De opening van het vierjarige project vindt plaats op dinsdag 31 oktober.

De oudste afbeeldingen van zeilende vrachtschepen dateren uit het oude Egypte. Zeker vijfduizend jaar lang al maken zeelieden gebruik van de wind. Met de tijd werden zeilschepen steeds groter, sneller en imposanter, met de laat negentiende-eeuwse klippers als voorlopig hoogtepunt.

Stoommachines en verbrandingsmotoren namen rond het begin van de twintigste eeuw de voorstuwing over. Dat ging lang goed. Zo goed zelfs dat 90 procent van de dingen die je om je heen ziet per boot zijn gearriveerd. Inmiddels zijn emissiebeperkingen en luchtkwaliteitseisen knellend en dient een nieuw hoofdstuk zich aan. Vooruitziende geesten wijzen terug naar windvoortstuwing om de uitstoot van scheepsmotoren te verminderen. Zoals vroeger, maar dan anders.

‘Het Delftse onderzoek richt zich op draaiende cilinders’

Daar komt Wasp om de hoek kijken. Er zijn twee faculteiten bij het onderzoek bij betrokken: Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek (L&R) vanwege kennis van aerodynamica en metingen in de windtunnel en Werktuigbouwkunde, Maritieme Techniek & Technische Materiaalwetenschappen (3mE) voor ontwerpkennis van schepen, hydromechanica en de mogelijkheid van het doen van proeven in de sleeptank.

Praktische inslag

Wasp werd in 2020 geïnitieerd door de gepensioneerde Delftse scheepsbouwkundige dr.ir. Lex Keuning en heeft een praktische inslag. De zeilvoorziening moet geen extra personeel aan boord vragen en moet een significante besparing leveren in het brandstofverbruik. Hoeveel en hoe, dat is de vraag.

“We willen geen zeilen van doek meer”, zegt prof.dr.ir. Bendiks Jan Boersma, leider van het Wasp -programma binnen de groep maritieme transporttechniek (3mE) zeker. Hij doelt op de grote vliegers op de boeg van sommige vrachtschepen (SkySails) en de majestueuze DynaRig zeilen.

Het Delftse onderzoek richt zich vooral op roterende cilinders, de zogenoemde Flettner-rotor, die dankzij een aerodynamisch effect (zie uitleg over het Magnuseffect onderaan) een voortstuwende kracht op het schip uitoefenen. Het voordeel is volgens programmamanager dr.ir. Albert Rijkens evident: roterende cilinders zijn het best in te passen op conventionele schepen zonder dat er extra personeel of kennis voor nodig is.

^{Albert Rijkens leidt het onderzoek naar steunzeilen voor grote zeeschepen. (Foto Sam Rentmeester)}

‘Tientallen procenten brandstofbesparing’

Eerder onderzoek, vertelt Boersma, liet zien dat toepassing van zo’n rotor 5 tot 15 procent brandstof kan besparen. Het doel van het Wasp-programma is te komen tot een ontwerp van romp en ‘zeil’ (of zuil) dat tientallen procenten brandstofbesparing oplevert.

Het onderzoek vraagt de komende vier jaar de inzet van zestien afstudeerders, acht promovendi en vier postdocs onder leiding van vier stafleden verdeeld over de twee faculteiten. De kosten van het programma, 4 miljoen euro, worden gedekt door het Bijlboegfonds (meer informatie onderaan) van de eerdergenoemde Lex Keuning.

Terug van weggeweest

Zeilondersteuning van vrachtschepen gaat terug tot de jaren ’80 van de vorige eeuw, toen Keuning er onderzoek naar deed. Destijds was de oliecrisis de aanleiding.

Nu is de beperking van uitstoot van schepen de belangrijkste reden. “Dat is een veel belangrijker issue geworden dan de prijs van olie”, constateert Keuning. “Alleen komt het wetenschappelijk onderzoek nog erg moeizaam van de grond.”

^{Scheepsbouwkundige Lex Keuning maakte het onderzoek mogelijk met ‘zijn’ Bijlboegfonds. (Foto: Sam Rentmeester)}

‘Als je iets wilt doen om de scheepvaart te verduurzamen is nu het moment’

Dus nam Keuning zelf het initiatief en diende hij in oktober 2020 het onderzoeksvoorstel in. Mét de bijbehorende financiering van 4 miljoen euro uit zijn eigen fonds. “Brandstofprijzen, emissiebeperkingen en de afhankelijkheid van de internationale logistiek – het is allemaal in beweging. Als je iets wilt doen om de scheepvaart te verduurzamen is dit het moment”, zegt Keuning.

“De ontwikkeling van windhulpvoortstuwing vraagt om een geïntegreerde aanpak van universiteit en industrie. Scheepswerven moeten ermee aan de slag, rederijen moeten het willen, maar de universiteit moet vooroplopen met de ontwikkeling van de kennis en de gereedschappen. Als je tien jaar geleden had gezegd dat er in 2023 serieus gedacht en gepraat zou worden over windvoortstuwing op vrachtschepen, dan was je afgevoerd door de GGZ. Dus er verandert heus wel iets.”

Onderzoeksagenda

In de windtunnel is de vraag hoe de weerstand van de rotor zo klein mogelijk te maken en tegelijkertijd de opgewekte lift (loodrecht op de windrichting) zo groot mogelijk. Oud-promovendi Giovanni Bordogna en Nico van der Kolk maakten daar een begin mee en zijn er na hun promotie in 2020 het bedrijf Blue Wasp Marine mee begonnen.

Nieuw onderzoek in de windtunnel moet uitwijzen of een rotor met meerdere secties die met verschillende snelheden draaien een beter effect opleveren dan een rotor uit één stuk.

Onder water moet de kracht op de rotors omgezet worden in een voorwaartse beweging. Zeiljachten hebben een kiel of zwaard om de zijwaartse druk tegen te beperken zodat voornamelijk de voorwaartse kracht overblijft. Maar hoe gaat dat het best bij een vrachtschip? Experimenten in de sleeptank moeten duidelijk maken welke stromingen optreden bij een vrachtschip.

‘Zo’n rotor kan dat dus perfect overnemen’

Op de vraag naar wat hij van het onderzoek verwacht, heeft Keuning het niet alleen over rendementen of CO₂-emissies, maar over mentale veranderingen. “Voor mij is het onderzoek geslaagd onder staf en studenten in Delft als de belangstelling voor windvoortstuwing op vrachtschepen ernstig groeit.”

Verder hoopt hij dat de industrie de uitkomsten oppakt en toepast. Als meest kansrijke toepassingen ziet hij tankers met een groot vlak dek, passagiersschepen – deels voor een ecologisch imago -, marineschepen en schepen van de kustwacht die een groot deel van de dag langzaam varend doorbrengen. “Zo’n rotor kan dat dus perfect overnemen.”

• Magnuseffect – Wat is het geheim van de topspin bij tennis? De bovenkant van de bal draait om een horizontale as tegen de bewegingsrichting in. Wat gebeurt er? De bal raakt veel eerder de grond dan je had verwacht. Een backspin houdt de bal juist langer in de lucht.
  De negentiende-eeuwse Duitse natuurkundige Heinrich Gustav Magnus kwam met een verklaring: de draaiing met de wind mee veroorzaakt een plaatselijk een hogere windsnelheid en daardoor een lage druk. Aan de andere kant gebeurt het omgekeerde.
  Het netto-effect is een kracht loodrecht op de stromingsrichting naar de kant die met de stromingsrichting mee draait. Een draaiende cilinder op een scheepsdek in de wind ondervindt door het Magnuseffect behalve weerstand ook een kracht loodrecht op de windrichting.
  Als de wind van de zijkant komt, is dat bij een verticale cilinder en bij de juiste draairichting, een kracht naar voren. De Duitse ingenieur Anton Flettner ontwikkelde ongeveer honderd jaar geleden op basis daarvan een rotorzeil dat bekendstaat onder de naam Flettner rotor.

• Bijlboegfonds – Goede vindingen worden beloond. Lex Keuning zocht in de jaren negentig een oplossing voor snel varende schepen die last hadden van de klappen van de golven. Zijn oplossing: een langere romp met een rechte voorsteven, de bijlboeg, die naar achter toe uitloopt in een bredere V-vorm.
  De voorsteven snijdt door de golven en komt nauwelijks uit het water. De Bijlboeg werd in 2007 gepatenteerd door de TU Delft als eigenaar en Lex  Keuning als uitvinder. Met Keuning, zijn vakgroep en het college van bestuur als gelijke aandeelhouders. Scheepsbouwers die deze rompvorm toepassen moeten 25 duizend euro betalen voor de rechten.
  Datzelfde jaar deed Keuning een opmerkelijk voorstel: hij wilde afzien van zijn aandeel als de vakgroep en de TU Delft dat ook deden. Verder bood scheepsbouwer Damen aan, als eerste licentie-eigenaar, de prijs per toepassing te verdubbelen.
  Alle betrokkenen gingen akkoord en zo begon in 2007 het Bijlboegfonds voor maritiem onderzoek, in de vorm van een afgeschermde rekening bij Damen, onder controle van het bestuur. 
  Tien jaar later, in 2016, werd de spaarpot te groot, liet de Belastingdienst weten. Toen richtten de betrokkenen (Keuning, TU Delft en Damen) de Stichting Bijlboeg Fonds op. Die stichting beheerde vóór het Wasp-programma ongeveer 10 miljoen euro.
  Bijna de helft daarvan is aangewend voor onderzoek naar windondersteuning op vrachtschepen. Het patent op de Bijlboeg loopt nog tot 2027.
  Het fonds is dan nog niet leeg. ‘De kans bestaat’, schrijft Keuning, ‘dat de unieke samenwerking tussen bedrijf (Damen) en universiteit (TU) op een of andere manier door beiden wordt gecontinueerd.’