Vrachtschepen vangen steeds meer de wind

De scheepvaart moet minder vervuilend worden en zelfs emissievrij, door terug te vallen op de wind. Onderzoekers voeren tests uit om de beste plaats voor rotorzeilen te bepalen.

“Niets is zo groen als minder knopen”, zegt Albert Rijkens (Werktuigbouwkunde), een maritiem onderzoeker. Voor degenen die niets van zeilen weten: dit betekent langzamer varen, want de snelheid op het water wordt uitgedrukt in knopen. En langzamer varen betekent minder uitstoot, legt dr. Albert Rijkens uit. Zijn WASP-onderzoek valt zowel onder Werktuigbouwkunde als Lucht- en Ruimtevaarttechniek.

Dit klinkt misschien vreemd, omdat je waarschijnlijk niet meteen de link legt tussen scheepvaart en lucht- en ruimtevaarttechnologie, maar toch is dit precies wat er op deze decemberdag in de windtunnel van de TU Delft wordt onderzocht – de rol van luchtstromen op vrachtschepen. Wind kan de scheepvaart namelijk milieuvriendelijker maken door zeilen te gebruiken, zoals dat al eeuwen gebeurt. Dit zou echter een speciaal soort zeil zijn: mechanische zeilen.

De windtunnel beslaat meerdere verdiepingen

We zijn in het Low-Speed Laboratory van de TU Delft. Rijkens zegt dat het een unieke faciliteit is, omdat het hele gebouw is ontworpen rond de Lage Turbulentie Tunnel (LTT). De windtunnel beslaat meerdere verdiepingen en is gemaakt van beton.

Dr. Alberto Felipe Rius-Vidales, Aerodynamics Research Lead bij het Wind Thrust Research Program legt uit: “De constructie maakt de luchtstromingskwaliteit van de tunnel zeer geschikt voor aerodynamisch onderzoek en we zijn blij dat we deze faciliteit in huis hebben bij de TU Delft.” Hij wijst om zich heen. “De ventilator staat op de begane grond. De lucht stroomt drie verdiepingen omhoog, passeert een paar antiturbulentieschermen, gaat dan door een smaller kanaal en komt in de testruimte terecht. Dit creëert een uniforme luchtstroom waar we dingen kunnen testen zoals de aerodynamica van vrachtschepen of een zeilsysteem.”

Neveldruppels meten de luchtstroom

Vandaag staat er een vrachtschip op het programma. Hendrik Fischer, een promovendus, draait aan een schroef en de opstelling om de aerodynamica van het model vrachtschip te testen is klaar voor gebruik. “Activeer het luchtstroomzaaisysteem,” zegt Fischer. Hij drukt op een knop en mist waait de windtunnel in. Rijkens maakt een vergelijking: “Het is net als de rook uit een rookmachine in een disco.”

Lichten uit, veiligheidsbril op, laser aan. De laser geeft twee korte opeenvolgende pulsen die de mistdruppels oplichten in een verticaal vlak. Twee camera’s maken foto’s. “Zo kunnen we de gemiddelde beweging van de druppels vaststellen,” legt Rius-Vidales uit. “En omdat de kleine microscopische druppeltjes met de luchtstroom meebewegen, kunnen we de snelheid van de luchtstroom heel nauwkeurig beoordelen.”

De gegevens stromen naar de computerschermen. Het linkerscherm toont de druk op de zijwanden van de windtunnel. Ze moeten hiervoor corrigeren omdat er eigenlijk geen zijwanden zijn. Het rechterscherm toont een afbeelding met het ‘snelheidsveld’. De deeltjes worden niet beïnvloed in het rode gebied en kunnen ongestoord stromen. Blauw betekent een lagere of zelfs negatieve snelheid – beweging tegen de stroom in. “Niet slecht,” zegt Fischer als hij de gegevens voor het eerst bekijkt. “Het gaat tot nu toe heel soepel.”

Moderne versie van zeilen

Het doel van de test is om de aerodynamica van het schip goed te begrijpen, zodat ze weten waar de rotoren moeten worden geplaatst. De rotorzeilen zijn hoge roterende pilaren die ronddraaien in de wind en aerodynamische kracht opwekken volgens het Magnuseffect. Dit effect geeft het schip meer vaart. Het is de moderne versie van de gewone zeilen van een zeilboot. Waarom niet gewoon normale zeilen? “Dit zijn zulke zware schepen dat je enorme zeilen nodig zou hebben,” legt Rijkens uit. “Het zou heel omslachtig zijn om te zeilen.”

Windassist sponsor

De eerste ronde van het meten van 50 snelheidsvelden is achter de rug. Kan Fischer op basis van de metingen al iets zeggen over waar de rotoren op het dek moeten komen? “We hebben veel metingen nodig. Uiteindelijk zullen we een kaart hebben met de beste positie. Ik kan er nu niet veel over zeggen, behalve dat je uit de buurt wilt blijven van de plekken waar de luchtstroom zich scheidt.” Hij wijst naar de witte en blauwe gebieden in het beeld.

Snelheden schalen

Wat zijn de volgende stappen? “Meten met rotorzeilen. Dat brengt allerlei uitdagingen met zich mee”, zegt Fischer. Hij geeft een minicollege over snelheidsschalen. De rotoren op het schip moeten draaien, ongeveer 200 omwentelingen per minuut, maar in deze miniatuurversie worden dat er 8000. “Wanneer de snelheid richting de geluidssnelheid gaat, wordt de lucht enigszins samengedrukt, wat tot allerlei ongewenste effecten kan leiden.” Om hier goed mee om te gaan, zullen de onderzoekers moeten uitwijken naar een ander soort windtunnel waar ze de luchtdruk kunnen regelen om hun metingen uit te voeren.

Zodra de vrachtschepen met rotorzeilen getest zijn, is het tijd voor een nieuwe meetronde. “Op dit moment werken we met bestaande schepen, die als enorme blokken zijn waar absoluut geen rekening is gehouden met de aerodynamica,” zegt Rius-Vidales. “Binnenkort gaan we aerodynamische schepen testen die speciaal ontworpen zijn om rotors aan toe te voegen. Ik kijk hier erg naar uit. Er zullen zeker verrassingen zijn.”

De toekomst van de maritieme industrie

Hoe ziet de scheepvaart er in de toekomst uit als wind een grotere rol gaat spelen? “Niet alleen de vorm van schepen zal veranderen, maar ook de vaarroutes,” zegt Rijkens. “Ze gaan nu voor de kortste route, maar straks voor de meest gunstige route qua wind. Dit verandert voortdurend. Door betere weermodellen kunnen ze dit beter voorspellen.”

En dit is niet het enige aspect. Rijkens legt uit dat de prestaties van verschillende soorten zeilen afhangen van de hoek waaruit de wind komt. “De polen hebben andere heersende winden dan de evenaar. Schepen varen vaak een vaste route. Dus afhankelijk van de route die een schip neemt, worden verschillende zeilsystemen gebruikt.”

“We bereiken nu ongeveer 15% besparing bij het gebruik van zeilen. Als we alle bijbehorende systemen verbeteren, halen we tot 50% en misschien zelfs meer. Honderd procent is natuurlijk mogelijk,” zegt Rijkens voorzichtig. “Maar dat betekent wel dat het langer duurt voordat je je bestelling ontvangt.”

Bron: Edda Heinsman op Delta, het onafhankelijke journalistieke platform van de TU Delft.
Beeld: Onderzoekers Hendrik Fischer (links) en Alberto Felipe Rius-Vidales bij de windtunnel. (Foto: Thijs van Reeuwijk)

Windassist sponsor