Nieuwe materialen maken schepen duurzamer | Maritiem Nederland
Techniek&Innovatie
Het FIBRESHIP-project onderzocht de haalbaarheid om een volledig schip te bouwen uit composietmaterialen zoals FRP.

Milieuvoordelen bestaan zowel uit lagere emissies als minder lawaai


Nieuwe materialen maken schepen duurzamer



Schepen hebben een aanzienlijke impact op het milieu tijdens de bouw, het gebruik en wanneer ze worden gesloopt. Nieuwe benaderingen en composietmaterialen om staal te vervangen – nog steeds populair vanwege zijn sterkte en lage kosten – maken schepen duurzamer, beter recycleerbaar en minder lawaaiig maken voor het mariene milieu.

Het gebruik van schepen om goederen te vervoeren, draagt ​​aanzienlijk bij aan de wereldwijde uitstoot van broeikasgassen, waarbij jaarlijks naar schatting 940 miljoen ton kooldioxide vrijkomt. In Europa is de zeevaart verantwoordelijk voor ongeveer 13 procent van alle transportemissies. De scheepsbouw zelf verbruikt energie en produceert afval aan het einde van de levensduur van een schip, waarbij slechts enkele delen van een schip worden hergebruikt.

Aan het einde van hun leven worden schepen naar sloopfaciliteiten gebracht, de meeste in Afrika of Azië, zegt Alfonso Jurado Fuentes, hoofd onderzoek en ontwikkeling bij TSI, een ingenieursbureau gespecialiseerd in maritieme activiteiten in de Spaanse hoofdstad Madrid. “Veel van de materialen van deze schepen zijn extreem gedegradeerd en nutteloos, maar sommige worden op deze continenten gebruikt als een belangrijke bron van grondstoffen.”

In de eerste plaats is het bouwen van minder zware schepen een strategie die de uitstoot kan helpen verminderen. Het gebruik van composietmaterialen zoals vezelversterkte kunststof (fibre reinforced plastic of FRP) in plaats van staal zou het gewicht van een schip en (dus) het brandstofverbruik kunnen verminderen. “Je hebt het voordeel dat je minder brandstof verbruikt en vervolgens minder vervuilende broeikasgassen uitstoot”, zegt Matthias Krause van het Center of Maritime Technologies in Hamburg. “Dat betekent ook minder uitstoot per vervoerde kilo lading.”

‘Reparatie van beschadigde stalen schepen is vaak niet mogelijk. Bij niet-metalen materialen is dat doorgaans geen probleem’

Bovendien kan het gebruik van composietmaterialen de levensduur van een schip verlengen en daardoor de benodigde middelen voor de bouw verminderen. Stalen schepen raken vaak beschadigd door corrosie. In veel gevallen is reparatie dan niet meer mogelijk, wat bij niet-metalen materialen geen probleem is. Ook kunnen de gebruikte composietmaterialen een tweede leven krijgen, omdat ze aan het einde van hun levensduur beter kunnen worden gerecycled, zegt Jurado Fuentes. Waar ongeveer een derde van de stalen schepen een herbestemming krijgt, zou tot 75 procent van de composietschepen een tweede leven kunnen krijgen, zo blijkt uit het recente Europese onderzoeksproject FIBRESHIP.

Metalen propellers

Krause en zijn collega's onderzoeken het gebruik van nieuwe materialen en technologie om specifieke componenten van grote schepen te maken, van de cabines van cruiseschepen tot roeren, als onderdeel van het RAMSSES-project. Ze kijken bijvoorbeeld hoe je met behulp van een 3D-printtechniek metalen propellers kan maken die holle en lichtere bladen mogelijk maken. De propeller zou ook stiller zijn en minder trillingen veroorzaken. “Als je aan milieuvoordelen denkt gaat het ook om minder lawaai. Daardoor is er minder schade voor de dieren in de zee”, aldus Krause.

De Hamburgse onderzoekers produceerden prototypes van verschillende onderdelen, zoals een zes meter hoge scheepsromp gemaakt van FRP. In samenwerking met Damen Shipyards, die de FRP-romp gebruikt voor de productie van patrouillevaartuigen, moesten ze een nieuw type hars ontwikkelen die niet te snel zou verharden.

Ze konden aantonen dat hun composiet scheepsromp een lagere milieu-impact zou hebben dan wanneer deze van staal zou zijn gemaakt. De romp woog ruim 24 procent minder, wat volgens hen de ecologische voetafdruk tijdens het gebruik met 25 procent zou verlagen wanneer rekening wordt gehouden met factoren zoals broeikasgas emissies en aerosolvorming die van invloed zijn op de luchtkwaliteit.

Composietmaterialen kunnen ook worden gebruikt om beschadigde stalen schepen te repareren en hun levensduur te verlengen. Een patch gemaakt van composietmaterialen kan bijvoorbeeld worden aangebracht op scheuren of om aan elkaar gelaste gebieden te verstevigen. “We onderzoeken het verband tussen constructies van composiet en staal om een ​​manier te vinden om een ​​snelle en veilige reparatie aan boord uit te voeren', zegt Carlo Cau, projectcoördinator en senior onderzoeker bij maritiem onderzoeks- en adviesbureau Cetena in de Italiaanse havenstad Genua.

Samengestelde materialen

Een andere benadering is het bouwen van een heel schip uit composietmaterialen, wat het doel was van het Spaanse team van Jurado Fuentes en zijn collega's. Zij onderzochten de haalbaarheid van het bouwen van grote schepen met een lengte van meer dan 50 meter uit FRP als onderdeel van het FIBRESHIP-project. Hun belangrijkste doel was de basis te leggen voor het ontwerp en de bouw van deze schepen door bijvoorbeeld ontwerprichtlijnen en prestatiecriteria te formuleren, die eerder nog niet bestonden. “We hebben verschillende technologieën en technische vorderingen bestudeerd om aan te tonen dat het haalbaar is om dit soort schepen te ontwerpen, bouwen en exploiteren”, aldus Jurado Fuentes.

Leden van het Spaanse team ontwierpen drie verschillende FRP-schepen: een containerschip, een visserijonderzoeksschip en een RoPax-schip dat zowel auto’s, vracht als passagiers kan vervoeren. Omdat het ontwerp van hun containerschip zou resulteren in een lichter schip, berekenden ze dat een volledig geladen schip bijna 17 procent meer lading zou kunnen vervoeren in vergelijking met een stalen tegenhanger. Met hun ontwerp voor een visserijonderzoeksvaartuig bereikten ze een totale gewichtsvermindering van maar liefst 36 procent.

‘Bij constructies van staal en composiet moet het mogelijk zijn snelle en veilige reparaties aan boord uit te voeren’

Hun RoPax-ontwerp zou ook resulteren in een aanzienlijke vermindering van het gewicht en dus het brandstofverbruik. Omdat een RoPax-schip in vergelijking met de twee andere vaartuigen met veel hogere snelheden vaart, wat een hoog vermogen van de motoren vereist, zouden de kostenbesparingen ook het grootst zijn. “In vergelijking met een stalen RoPax-schip is dat een investering die de moeite waard is”, zegt Jurado Fuentes.

Hoewel het budget van het team het niet mogelijk maakte om een ​​volledig prototype van een FRP-schip te bouwen, bouwden ze een soort ‘module’ van een visserijonderzoeksschip in de iXblue productiefaciliteit in La Ciotat in Frankrijk. Met afmetingen van 11 bij 11 bij 8,6 meter bevatte deze module het onderdek met een deel van een machinekamer en een bovendek met een passagiersverblijf. Het team kon aantonen dat het haalbaar is om grote constructies uit composietmaterialen te bouwen.

Vereisten

Intussen zijn er nog enkele hindernissen die moeten worden overwonnen voordat composietschepen werkelijkheid worden. Cau en zijn collega’s in Genua ontdekten dat het lastig scheepsonderdelen te maken die aan alle uiteenlopende eisen voldoen. Eén paneel dat ze maakten was bijvoorbeeld voldoende brandwerend en had bevredigende mechanische eigenschappen, maar voldeed niet aan de geluids- en trillingsnormen, wat het comfort van passagiers aan boord zou kunnen belemmeren. “Er zijn veel aspecten waaraan moet worden voldaan. We zoeken nog naar oplossingen om aan alle eisen te kunnen voldoen”, aldus Cau.

Stalen schepen raken vaak beschadigd door corrosie. In veel gevallen is reparatie dan niet meer mogelijk (foto: Cameron Venti/Unsplash). Tekst gaat verder onder de foto.

Daarnaast is er nog vervolgonderzoek nodig om het recyclen van FRP-schepen aan het einde van hun levensduur aan te pakken. Er zijn maar weinig faciliteiten in Europa die composietmaterialen kunnen recyclen, omdat vezels, harsen en andere materialen eerst moeten worden gescheiden. “Op dit moment is het erg duur om veel onderdelen van FRP te recyclen”, zegt Jurado Fuentes. “Om meer onderzoek te kunnen doen zijn aanvullende investeringen nodig.”

Voor grotere schepen die volledig van FRP zijn gemaakt, is de belangrijkste uitdaging om aan te tonen dat ze voldoen aan de brandveiligheidsnormen van de IMO. FRP is een brandbaar materiaal en het zou op dit moment moeilijk zijn een ​​FRP-schip bij een brand tijdig te evacueren en slachtoffers te voorkomen. Het materiaal is ook niet bestand tegen hoge temperaturen; hierdoor kan een schip instorten tijdens een brand. Fabrikanten van composietmaterialen werken aan de ontwikkeling van FRP-harsen die niet-brandbaar zijn en ook de ‘compartimentering’ van de ruimtes aan boord zou de brandveiligheid kunnen helpen verbeteren.

Jurado Fuentes denkt dat grote composietschepen over ongeveer 15 jaar kunnen gaan varen. Tegen die tijd moeten ook de industrie voorschriften en normen voor ontwerp en constructie van composietschepen zijn vastgesteld. “Het is een kwestie van verbeterde technologie om deze schepen veiliger te maken.”

Het onderzoek dat wordt besproken in dit artikel is gefinancierd door de EU. Een eerdere versie van dit artikel is verschenen in Horizon Magazine. Zie ook: horizon-magazine.eu

Partners Maritiem Nederland