Tekst Jos Wassink
Kan de commerciële scheepvaart profiteren van windvoortstuwing? Het multidisciplinaire onderzoeksprogramma Wind assisted ship propulsion (Wasp) zoekt de komende vier jaar uit hoeveel brandstof te besparen is door optimaal gebruik te maken van de wind.
De vroegste 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 spullen 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.
Daar komt Wasp om de hoek kijken. Er zijn twee faculteiten bij het onderzoek betrokken: Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek (LR) vanwege kennis van aerodynamica en metingen in de windtunnel en Mechanical Engineering (ME, voorheen 3mE genoemd) voor ontwerpkennis van schepen, hydromechanica en de mogelijkheid van het doen van proeven in de sleeptank.
Een andere steunzeiltechnologie, de eConowind, won in 2020 de maritieme innovatieprijs. Met twee masten in een 40-voets container lijkt de eConowind de ultieme retrofit.
© Conoship
Praktische inslag
Maar wie een warmtenet wil aanleggen, komt terecht in een web van ingewikkeldheden. Daar weet Thijs de Booij, TU-alumnus industrieel ontwerpen en directeur van adviesbureau De WarmteTransitieMakers alles van. Zijn bedrijf is gespecialiseerd in het begeleiden van de overstap naar aardgasvrije warmte. Grofweg zijn er twee smaken: een collectief warmtenet of individuele verduurzaming. In het advies, vaak aan gemeenten, neemt De WarmteTransitieMakers ‘alles’ mee, zegt De Booij. “Als een warmtenet de beste oplossing blijkt, kijken we hoe we dat gaan aanpakken. Dat betekent veel praten met bewoners, plannen schetsen, eventueel oprichten van een warmtebedrijf of organiseren van aanbestedingen en de technische uitvoering.”
Lex Keuning 1950 – 2023
Lex Keuning overleed op 28 november 2023. Hij stond aan de basis van belangrijke innovaties in de scheepsbouw. Bij zijn afscheid (pensionering) van de TU Delft in 2015 werd hij benoemd tot Ridder in de Orde van de Nederlandse Leeuw. In 2021 kreeg hij de Maritime Designer Award uitgereikt voor zijn idee voor additionele voorstuwing met behulp van windenergie.
“We willen geen zeilen van doek meer”, zegt prof.dr.ir. Bendiks Jan Boersma, leider van het Wasp-programma binnen de groep maritieme transporttechniek (ME) gedecideerd. 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 (Magnuseffect) 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. 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 van de eerdergenoemde Lex Keuning.
‘Tientallen procenten brandstofbesparing’
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 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.
In de sleeptank meet onderzoeker Gunnar Jacobi het effect van kielen en kimmen op de romp.
© Sam Rentmeester
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.”
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”, legt hij uit.
“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.”
‘Zo’n rotor kan dat dus perfect overnemen’
Flettner-rotor op de kade. Deze meest industriële vorm van zeilen is bijna honderd jaar oud.
© Norsepower
Flettner-rotormodel in de windtunnel van de Technische Universiteit in Milaan.
© Giovanni Bordogna
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 worden omgezet in een voorwaartse beweging. Zeiljachten hebben een kiel of zwaard om de zijwaartse druk 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.
Op de vraag wat hij van het onderzoek verwacht, heeft Keuning het in zijn antwoord niet alleen over rendementen of CO2-emissies, maar ook 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.”
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 beide wordt gecontinueerd.”
De olietanker Maersk Pelican testte twee rotors gedurende een jaar en rapporteerde 8,2 procent brandstofbesparing.
© Norsepower
‘Als je iets wilt doen om de scheepvaart te verduurzamen is nu het moment’
Meer lezen over Delfts onderzoek naar windondersteunende scheepsvoortstuwing? Lees het artikel ‘Maken stalen zeilen schepen duurzamer?’