Rogier Eggers (MARIN) over hulp bij windvoortstuwing
‘Voor substantiële besparing is nieuw ontwerp nodig’
Bart Stam | dinsdag 17 maart 2020
Jachtbouw & Watersport
Bij SAIL Amsterdam 2020 staan tall ships centraal. Nu zullen deze zeilschepen niet massaal terugkeren op de wereldzeeën, maar inmiddels komen er op moderne schepen steeds meer hulpsystemen voor windvoortstuwing. Rogier Eggers, senior projectmanager Ships bij MARIN in Wageningen, houdt zich al zo’n tien jaar bezig met dit vakgebied. “Alleen met nieuwe scheepontwerpen kunnen we brandstofbesparingen halen van 30 à 40 procent.”
Eggers valt direct met de deur in huis: “Windhulpvoortstuwing is een van de hulpmiddelen om scheepvaartemissies omlaag te brengen, niet de doorslaggevende technologie. Daarvoor is wind te onvoorspelbaar. In de toekomst zijn zero emission schepen alleen haalbaar in combinatie met alternatieve brandstoffen en aandrijflijnen, zoals waterstof en elektrisch varen. Alleen met nieuwe scheepsontwerpen kan windhulpvoortstuwing – bij gunstige windcondities – brandstofbesparingen realiseren van 30 à 40 procent. Bij de huidige schepen ligt het maximum op zo’n 15 procent.”
MARIN doet sinds 2011 op diverse fronten onderzoek naar windhulpvoortstuwing. Dit geldt ook voor Eggers die in 2008 in dienst kwam van het researchinstituut in Wageningen. “Windhulpvoortstuwing is een relatief nieuw vakgebied, maar sinds de komst van SkySails in 2007 zijn er steeds meer nieuwe projecten gekomen. Het is een interessante discipline waarvan we nog veel aspecten moeten onderzoeken. Met name de optimale inpassing van deze systemen in het scheepsontwerp.”
Overigens geldt voor de Flettner-rotoren, die de meeste toepassingen hebben, dat zij al in 1924 voor het eerst verschenen op het Duitse vrachtschip Buckau. Eggers: “Destijds was beperking van het aantal bemanningsleden de belangrijkste reden om deze rotoren te plaatsen. In de jaren tachtig leidden hoge olieprijzen tot een tijdelijke opleving van windhulpvoortstuwing. Dit gold onder meer voor de Japanse bulkcarriers, waaronder de Shin Aitoku Maru.” Toen de olieprijzen weer daalden, verdween de belangstelling voor windhulpvoortstuwing weer.
SkySails
Pas door het SkySails-project in 2007 ontstond er weer een opleving van windhulpvoortstuwing. “Het ging onder meer om een vlieger op het zwareladingschip ms Beluga SkySails. Deze moest een brandstofbesparing opleveren van 10 tot 35 procent.” De praktijk bleek echter weerbarstiger; kites blijken toch lastig in operaties. Ongeveer gelijktijdig met het faillissement van Beluga is SkySails gestopt met vliegers op schepen.
Toch zijn de kites niet helemaal naar de achtergrond verdwenen. Zo is het Franse bedrijf Airseas onlangs begonnen met het seawing-project. “Airseas heeft in 2019 een samenwerkingsovereenkomst gesloten met de Japanse rederij K-Line voor vijftig seawings. Het moet blijken of dit ook daadwerkelijk gaat gebeuren”, aldus Eggers.
Dynarig
Naast Flettner-rotoren en kites is Dynarig de derde serieuze techniek, die in de jaren zestig werd ontwikkeld in Duitsland. In Nederland heeft vooral Dykstra Naval Architects deze technologie verder ontwikkeld in een concept, genaamd WASP. MARIN en de TU Delft deden mee aan het onderzoek. Eggers: “Net als bij klassieke zeilschepen bestaat een Dynarig uit grote dwarsgetuigde masten op het dek. Maar door de kromming van de ra’s ontstaat een zeer gunstig aerodynamisch profiel en dus een grotere stuwkracht.”
‘Je kan bijvoorbeeld denken aan een andere rompvorm met nadruk op het efficiënt opwekken van dwarskrachten’, zegt Rogier Eggers (foto: Erik van Huizen). Tekst gaat verder onder de foto.
Bij gunstige wind laat een geautomatiseerd besturingssysteem het 2400 m2 grote zeildoek vanuit de 65 meter hoge mast via de ra’s naar buiten rollen. Bij ongunstige weersomstandigheden worden de zeilen weer ‘ingerold’. Eggers: “Twee luxe jachten, de Maltese Falcon en de Black Pearl van Oceanco, varen inmiddels rond met elk drie systemen. Voor een brede toepassing op zeeschepen zullen de kosten nog flink naar beneden moeten.” Andere rederijen die zich richten op deze technologie, zijn B9 Shipping uit Ierland en Quadriga (Duitsland).
Verder zijn er uiteenlopende initiatieven met vleugelprofielen aan dek. Daarbij gaat het niet alleen om vaste vleugels, maar ook om uitschuifbare profielen en vleugels met een flexibel raamwerk. Zo wil de Franse ontwikkelaar AYRO een transportschip uitrusten met dergelijke vleugelprofielen. Dit schip vervoert onderdelen voor de Europese draagraket Ariane van Europa naar Kourou (Frans-Guyana).
‘De grootste brandstofbesparing is te behalen als de schepen niet harder dan tien of elf knopen varen’
Terug naar de Flettner-rotor die tot dusver de meeste toepassingen kent. Zo heeft het Finse bedrijf Norsepower inmiddels op drie schepen deze cilindervormige rotoren geïnstalleerd van dertig meter hoog en vijf meter in diameter. Dit zijn het RoRo-schip Estraden, de tanker Maersk Pelican en de cruiseferry Viking Grace tussen Stockholm en Turku (Finland). Dit voorjaar volgt een vierde systeem op de ferry Copenhagen van Scandlines tussen Rostock (Duitsland) en Gedser (Denemarken). Volgens Norsepower behalen deze schepen een gemiddelde brandstofbesparing van 7 tot 10 procent. Vergelijkbare systemen zijn de Eco Flettner op het kustvaartschip Fehn Pollux en de Anemoi-rotor op de bulkcarrier New Vitality.
VentiFoil Nederlands product
In eigen land heeft eConowind de VentiFoil ontwikkeld. Een systeem dat overeenkomsten vertoont met de Flettner-rotor, hoewel er ook verschillen zijn. Zo bestaat het systeem uit twee verticale profielen van (oorspronkelijk) elf meter hoog, opgeslagen in een 40-voets container aan dek. Bij een gunstige wind klappen de twee vleugelprofielen naar buiten.
Na enkele proefvaarten met de ‘Lady Christina’ van Wijnne Barends besloot Rederij Jan van Dam de VentiFoil vast, dus zonder container, te gaan toepassen op zijn vrachtschip ms Ankie. Sinds december 2019 vaart het schip met dit systeem dat bestaat uit twee VentiFoils van zestien meter hoog. Eggers: “VentiFoil is een vleugel met grenslaagafzuiging aan de lijzijde. Een ventilator zuigt via een rooster de lucht naar binnen. Net als bij de Flettner-rotor ontstaan hierdoor veel grotere stuwkrachten dan bij een klassiek zeil.”
Om een VentiFoil of Flettner-rotor in beweging te krijgen, is een elektromotor nodig. Dat kost energie maar als het apparaat eenmaal in beweging is, kan hij veel grotere voorwaartse stuwkrachten opwekken dan een zeil. Hierdoor hoeft de hoofdmotor minder vermogen te leveren, hetgeen uiteraard brandstof bespaart.
Een nadeel van Flettner-rotoren is dat de draaiende cilinder ook gyroscopische krachten opwekt als het schip stampt of slingert. Eggers: “Deze cyclische krachten leveren geen bijdrage aan de voortstuwing, maar de constructie moet wel zo worden gedimensioneerd dat zij die krachten kan afvoeren.”
Breed onderzoek bij MARIN
MARIN doet sinds negen jaar onderzoek naar windhulpvoortstuwing. Het begon met het gezamenlijk Duits-Nederlandse onderzoeksproject Wind Hybrid Coaster, met het accent op de Flettner-rotor. Daarna volgde het NSR SAIL-project in samenwerking met onder meer Dykstra Naval Architects. Eggers: “In deze projecten hebben we modelproeven, rekenmodellen en computersimulaties gebruikt om de hydrodynamische krachten te onderzoeken op schepen met windhulpvoortstuwing aan boord. Deze data combineren we met de reissimulaties: de afgelegde vaarroutes, de weersomstandigheden en het brandstofverbruik van de onderzochte schepen. Met dergelijke gegevens maken we steeds betere voorspellingen over het brandstofverbruik van schepen met windhulpvoortstuwing. Duidelijk is inmiddels wel dat we procentueel de grootste brandstofbesparing kunnen behalen als de schepen niet te hard varen. Tien à elf knopen blijkt tot dusver een goede vaarsnelheid.”
‘Als we echt alles uit windhulpvoortstuwing willen halen, zullen de schepen moeten veranderen’
Een belangrijk aspect in het MARIN-onderzoek tot nu toe is de scheepsbreedte. Eggers: “Een breder schip vergroot de stabiliteit waardoor reders in principe grotere en zwaardere systemen op hun dek kunnen plaatsen. Echter, een breder schip levert meestal ook meer basisweerstand op in het water. Kortom, we moeten hierin het optimum vinden.”
Nieuwe scheepsontwerpen
Met de huidige systemen voor windhulpvoortstuwing is hooguit 15 procent brandstofbesparing haalbaar. Eggers: “Dit komt doordat de huidige operaties en scheepsontwerpen lastig grote systemen voor windhulpvoortstuwing toelaten.” Om in de toekomst brandstofbesparingen van 30 à 40 procent te bereiken, zijn volgens Eggers nieuwe scheepsontwerpen nodig. “Denk aan een nieuw dekontwerp met voldoende ruimte voor windhulpvoortstuwing maar ook aan een andere rompvorm met nadruk op het efficiënt opwekken van dwarskrachten, onder andere met nieuwe appendages. Als we echt alles uit windhulpvoortstuwing willen halen, zullen de schepen moeten veranderen!”
