Het is beter voor het klimaat en met de rap oplopende brandstofprijzen ook nog eens beter voor de portemonnee. Delftse onderzoekers willen met ‘rotorzeilen’ transportschepen radicaal zuiniger laten varen. ‘Mensen denken dat het schoorstenen zijn.’
Het felblauwe water strekt zich ver uit. Met een lengte van 142 meter en een breedte van 4 meter lijkt dit een gek gevormd wedstrijdbad, maar baantjes worden hier in de Delftse sleeptank niet getrokken. Helemaal vooraan, bij de ingang, hangt een groene metalen constructie boven het water. In het midden is een opening, waar een modelschip verbonden met draadjes en kabels in het water ligt. Met een druk op de knop begint de constructie langzaam te bewegen en trekt het modelschip met zich mee. Als je de bedrading wegdenkt, lijkt het net alsof het kleine bootje vaart; een patroon van deinende golven blijft achter.
De sleeptank van de TU Delft heeft een rijke geschiedenis aan maritiem onderzoek. ‘Doorgaans focust dat op nieuwe motorschepen, zoals vrachtschepen of tankers’, vertelt Gunnar Jacobi, universitair docent aan de TU Delft. ‘De modelschepen simuleren situaties op zee en geven onderzoekers de kans om de krachten van het water op nieuwe ontwerpen te testen.’ Op het eerste gezicht lijkt het onderzoek van Jacobi niet anders: het model in de sleeptank ziet eruit als een standaardcontainerschip dat door het water beweegt. Toch is er met dit model iets bijzonders aan de hand: het kleine vrachtschip is ontworpen om te zeilen.
Van de wereldwijde CO2-uitstoot is 3 procent afkomstig van de maritieme industrie. Dat komt doordat 90 procent van de wereldwijde handel wordt verscheept via zee. Het brandstofverbruik aan boord is gigantisch: een gemiddeld vrachtschip verbruikt meer dan 150 duizend liter per dag. Om die uitstoot aan te pakken hebben de Verenigde Naties een ambitieus doel gesteld: vanaf 2050 moeten schepen wereldwijd klimaatneutraal varen. Dat kan ook veel geld besparen. Brandstof vormt de helft van de operationele kosten op zee en dat prijskaartje loopt flink op tijdens geopolitieke conflicten zoals de oorlog in Iran. Zuiniger varen is dus een goed idee, maar het vraagt om flinke innovaties voor de scheepvaart.
In Delft grijpen ze terug naar de kracht waarmee de eerste transportschepen ooit de wereld overvoeren: wind. ‘Dat is onze directe bron om het schip vooruit te duwen’, zegt Alberto Rius-Vidales, universitair docent aan de TU Delft. ‘Bij gunstige wind kan de motor langzamer werken of zelfs helemaal uit.’ Het zeilen vermindert uitstoot en bespaart vele liters brandstof, wat Europese schepen minder afhankelijk maakt van andere landen.
Ook verlaagt het mogelijk de drempel voor rederijen om over te stappen op duurzame maar prijzige brandstoffen, zoals waterstof. Rius-Vidales, Jacobi en collega’s onderzoeken zeilen op gloednieuwe schepen, of optimaliseren bestaande schepen met een zeilsysteem. ‘Bij deze ‘retrofits’ bespaart windaandrijving al tot 20 procent brandstof’, zegt Jacobi. ‘Voor nieuwe schepen kan dit oplopen tot 50 procent.’
De zeilen die de Delftenaren ontwikkelen zien er vreemd uit vergeleken met klassieke driemasters of vlotte jachten. Het zijn geen lange witte doeken die wapperen in de wind, maar statische cilinders van staal of composiet. Ter illustratie pakt Rius-Vidales een kleiner modelschip van een meter erbij. Het oog valt meteen op de twee lange feloranje pijpen die op het dek zijn gemonteerd. ‘Dat zijn de rotors, die creëren de voortstuwende kracht’, zegt Rius-Vidales. ‘Daar is iedereen altijd verbaasd over. We hadden dit model ook mee naar Sail Amsterdam: veel mensen dachten dat de rotorzeilen schoorstenen of raketlanceerders zijn.’
Hoe kunnen zulke cilinders, die helemaal niet op zeilen lijken, een schip vooruitduwen? Dat heeft alles te maken met een natuurkundig fenomeen. ‘Een elektrische motor draait het rotorzeil om z’n as’, vertelt Rius-Vidales met een koffiebeker in zijn hand. Dat kost dus een beetje energie, maar levert uiteindelijk vele malen meer op. ‘Door de rotatie wordt de windstroming aan de ene kant van de cilinder versneld en aan de andere kant vertraagd.’ Hij draait zijn koffiebeker rond. ‘Zo ontstaat een drukverschil: in de versnelde wind waaien luchtdeeltjes uiteen en ontstaat een lage druk, terwijl luchtdeeltjes in de vertraagde wind ophopen en een hoge druk creëren. Dit genereert een nieuwe kracht, van hoge naar lage druk, en die duwt het schip voort.’ De koffiebeker maakt een boog door de lucht. Voetballers kennen dit fenomeen ook van een effectbal: de bal draait in de wind, er ontstaat een kracht naar de zijkant en het schot buigt af in de lucht.
Rotorzeilen werken het best als de wind van de zijkant komt. Dat brengt een nieuwe uitdaging met zich mee. Jacobi: ‘Normale vrachtschepen varen standaard recht vooruit, op een vaste snelheid. Maar de zeilen leiden tot extra dwarskrachten van de wind op het schip, dat daardoor een beetje afdrijft.’ Het schip vaart dan minder efficiënt vooruit. ‘Die zijwaartse krachten moeten we compenseren. Gewone zeilboten hebben hiervoor een kiel. Wij doen dat door bijvoorbeeld de romp aan te passen of extra vinnen te installeren.’
Uiteindelijk draait het bij rotorzeilen om een balans tussen het schip vooruitduwen en niet te veel afdrijven. Daarvoor ontfermt Rius-Vidales zich over het windonderzoek en kijkt Jacobi naar de krachten op het schip in het water. De experimenten worden gedaan op de universiteitscampus. In de windtunnel test Rius-Vidales de rotorzeilen en meet hij welke krachten de cilinders opvangen en genereren. Later in de sleeptank past een robotarm diezelfde krachten toe op het varende modelschip. Met een laser verlicht Jacobi kleine plastic deeltjes in het water van de sleeptank en met een camera legt hij vast hoe die zich verplaatsen rondom het model. Zo brengt hij de waterstroming in kaart.
Het onderzoeksproject loopt pas een paar jaar in Delft, maar windaandrijving op schepen begint naam te krijgen in de maritieme industrie. ‘De afgelopen jaren waren een soort exploratiefase’, zegt Jacobi. ‘Nu we zien dat de systemen werken en echt besparingen opleveren, beginnen bedrijven ook op te schalen.’
In Zeewolde, bij het marktleidende Nederlandse bedrijf Econowind, merken ze dat ook. Zij verkopen ‘suction sails’, een andere vorm van windaandrijving, en installeren die op schepen. ‘Doordat de energieprijzen zo omhoog zijn geschoten komen meer klanten naar ons toe’, vertelt Willem Stam, verkoper bij Econowind. ‘Er varen al zo’n 35 schepen rond met onze zeilen, en dat neemt de komende tijd nog verder toe.’
Stam benadrukt dat dit nog maar het begin is. ‘Er zijn ook veel rederijen die twijfelen, want het installeren is een flinke investering qua tijd en geld. Wereldwijd zijn er wel tienduizend schepen, daarvan varen er nu zo’n honderd met windaandrijving. Daar is nog veel winst te halen.’
1. ‘Rigid wings’: Conventionele vaste vleugels, zoals een vliegtuig ook heeft, maar dan staan ze recht omhoog op het dek. Dankzij de geometrische vorm van de vleugels ontstaat een drukverschil, wat een voortstuwende kracht genereert voor het schip. De uitdaging van ‘rigid wings’ is dat ze erg groot moeten zijn om genoeg wind op te vangen, waardoor ze in de weg staan op het dek of de balans op het schip verstoren.
2. ‘Suction sails’: Verbeterde vleugels met ventilatie. Deze vleugels gebruiken dezelfde vorm als ‘rigid wings’, maar dan met een dikker profiel. Bovenin zit een elektrische ventilator, die de wind langs het oppervlak opzuigt. Hierdoor ontstaat een sterkere voortstuwende kracht. Dit is het type zeilen dat het bedrijf Econowind uit Zeewolde verkoopt.
3. Vliegers: Precies zoals het klinkt. Grote vliegers die, eenmaal opgelaten, wind opvangen en het schip vooruitduwen. Deze techniek wordt al decennialang onderzocht, maar loopt toch nog achter op de rest. Als de vlieger in het water valt, is hij niet meer te gebruiken. Dat maakt het systeem kwetsbaar en niet zo praktisch op zee.
Source: Volkskrant