Noors onderzoek naar WASP
Moderne zeilen op grote schepen worden steeds gebruikelijker om brandstof te besparen – en ook het klimaat. Een Noors onderzoeksteam bekijkt nu hoe de voordelen gemaximaliseerd kunnen worden en dat blijkt ingewikkelder dan verwacht.
Grote schepen, zoals containerschepen, bulkcarriers en tankers, verbruiken grote hoeveelheden energie en zijn verantwoordelijk voor de bijbehorende klimaatuitstoot. Maar nieuwe brandstoffen, zoals waterstof en ammoniak, zijn nog niet zo gemakkelijk toe te passen. Zero-emissie oplossingen zoals elektrificatie zijn ook niet direct beschikbaar voor de grootste schepen. Daarom beschouwen veel reders ’s werelds oudste “brandstof” – zeilen – als de eenvoudigste oplossing.
Vleugel of rotor?
Er zijn veel verschillende soorten zeilsystemen. De meest voorkomende zijn tegenwoordig rotorzeilen, vleugelzeilen en zuigzeilen. Een rotorzeil is een grote cilinder die door een motor wordt rondgedraaid. Wanneer de wind inwerkt op het rotorzeil, verhoogt hij de snelheid aan de ene kant en verlaagt hij die aan de andere kant. Hierdoor ontstaat een drukverschil, wat resulteert in een kracht (het Magnuseffect) die bijdraagt aan de voortstuwing van het schip.
Een vleugelzeil is in principe vergelijkbaar met een vliegtuigvleugel. De vorm van zowel de vliegtuigvleugel als het vleugelzeil is zo ontworpen dat de windsnelheid aan de ene kant groter is dan aan de andere kant. Dit creëert op zijn beurt een drukverschil, waardoor de vliegtuigen lift krijgen. Op een schip zijn de vleugels echter verticaal gemonteerd, zodat de druk de boot in plaats daarvan voortstuwt. Vleugelzeilen kunnen ook worden gecombineerd met een ventilator die lucht aan de achterkant aanzuigt. Dit creëert een nog groter drukverschil in het zeil of de vleugel. Dit wordt een zuigzeil genoemd. Het reSail project richt zich voornamelijk op vleugelzeilen en zuigzeilen.
Noorse onderzoekers aan het werk
“Nu de brandstofprijzen voortdurend stijgen en de gevolgen van klimaatverandering steeds duidelijker worden, zouden moderne zeilen een goed alternatief kunnen zijn,” zegt SINTEF-onderzoeker Yannick Jooss. Jooss leidt het reSail project, met als doel het optimaliseren van het effect van de nieuwe zeilsystemen, die in technische termen windondersteunde voortstuwingssystemen (WAPS) worden genoemd.
De grote variaties in brandstofbesparing en verminderde uitstoot van moderne scheepszeilen vormen de achtergrond van het project. De onderzoekers denken dat de brandstofvariaties deels te wijten zijn aan vereenvoudigde aannames over de windomstandigheden op schepen.
Steeds meer grote schepen gebruiken moderne zeilen. Begin 2020 gebruikten slechts negen grote schepen zeilen. Nu zijn dat er 64 en volgens SINTEF bereiden veel schepen zich voor om de oplossingen in gebruik te nemen. “We zien dat de vraag naar deze oplossingen al is toegenomen. De systemen kunnen eenvoudig worden geïnstalleerd op bestaande schepen en hebben het potentieel om aanzienlijk bij te dragen aan de vermindering van de uitstoot van de maritieme sector,” zegt Jooss.
Kloof tussen theorie en praktijk
Er spelen veel factoren mee om de geavanceerde zeilsystemen en de wind optimaal te laten presteren. Om te beginnen is een zo goed mogelijk begrip van realistische windomstandigheden nodig, evenals hoeveel energie de wind bevat. “Dit levert informatie op die we kunnen gebruiken om te begrijpen waar de zeilen op het schip moeten worden geplaatst, hoe ze kunnen worden geregeld om optimaal gebruik te maken van de wind en hoe dit alles de werking van het schip beïnvloedt,” zegt Jooss.
Windassist sponsor
Feiten over grote schepen en brandstofverbruik
Grote schepen (meer dan 5000 brutoton), zoals containerschepen, bulkcarriers en tankers, zijn verantwoordelijk voor ongeveer 90 procent van de CO₂-uitstoot van de maritieme sector. Het doel, volgens FuelEU Maritime, is om de uitstoot met zes procent te verminderen voor 2030 en met 80 procent voor 2050. Het vinden van emissievrije oplossingen voor dergelijke schepen is een bijzondere uitdaging. Moderne zeilsystemen bieden een mogelijke oplossing die de uitstoot aanzienlijk kan verminderen. Brandstof- en emissiebesparingen worden momenteel gerapporteerd tussen twee en 25 procent in schepen met geïnstalleerde zeilen. Deze cijfers illustreren duidelijk de behoefte aan meer onderzoek naar dergelijke zeilsystemen.
Het project heeft tot nu toe aangetoond dat de interactie tussen moderne zeiloplossingen en de wind gecompliceerder is dan eerder werd gedacht. “We hebben de windomstandigheden realistischer bekeken en ze wijken aanzienlijk af van de windtheorie,” zegt Jooss. De onderzoekers hebben ook eerder onderzocht hoe complexe windomstandigheden windturbines beïnvloeden, en deze kennis wordt nu gebruikt. “Moderne zeilsystemen hebben te maken met windomstandigheden die net zo complex zijn. We kunnen dus veel winnen door ze goed te begrijpen,” zegt Jooss.
Meten is weten
Als onderdeel van het project heeft het reSail-onderzoeksteam ook windmetingen gedaan op het schip Bow Olympus van rederij Odfjell. Op het schip zijn onlangs bound4blue zeilen geïnstalleerd. De metingen zijn uitgevoerd met Fugro’s LiDAR systeem. LiDAR meet de windsnelheid en -richting door laserstralen uit te zenden die worden weerkaatst door stof en deeltjes in de lucht. Het gereflecteerde licht komt met een andere frequentie terug en dit geeft inzicht in de windsnelheid ten opzichte van het schip (het dopplereffect).
De onderzoekers ontdekten dat de wind veel meer varieert dan eerder werd gedacht en dat het schip en het zeilsysteem zelf de wind aanzienlijk beïnvloeden. “Als je alleen het standaard windprofiel gebruikt, zoals tegenwoordig vaak wordt gedaan, zullen je metingen onnauwkeurig zijn. Vereenvoudigde aannames en simulaties zijn niet goed genoeg, omdat ze geen rekening houden met de complexiteit en variatie in de wind. “We merken dat emissies aanzienlijk kunnen worden verminderd met de juiste kennis van de windomstandigheden, het ontwerp van het zeilsysteem, de locatie, de regeling en de optimale werking van het schip.” zegt Jooss.
foto: Odfjell Bow Olympus
Bron: Sintef
Windassist sponsor