Reuzenschepen varen weer op de wind

De eeuwenoude scheepsmotor, de wind, maakt deze jaren een comeback in stijl. Met flexibele metalen zeilen en reuzenvliegers zullen zelfs gigantische vrachtschepen de zeeën bevaren op puur windkracht. De olieverslindende motoren gaan eruit.

De eeuwenoude scheepsmotor, de wind, maakt deze jaren een comeback in stijl. Met flexibele metalen zeilen en reuzenvliegers zullen zelfs gigantische vrachtschepen de zeeën bevaren op puur windkracht. De olieverslindende motoren gaan eruit.

Oceanbirdwallenius.com

5000 jaar geleden trokken een paar Austronesiërs weg uit Taiwan. Dankzij schepen die door de wind werden aangedreven, kwamen ze als eersten duizenden kilometers ver van hun thuisland en koloniseerden ze grote delen van Azië.

En nu inspireert de wind de scheepvaart opnieuw.

De afgelopen eeuwen werden schepen voornamelijk aangedreven door fossiele brandstoffen: eerst steenkool en daarna olie. Dat gaat ten koste van het milieu. Elk jaar stoot de scheepvaart 940 miljoen ton kooldioxide uit.

Daarom ontwikkelen ingenieurs wereldwijd nieuwe schepen die weer varen op windkracht. En daar is veel geld voor. Zo heeft de EU 5 miljoen euro geïnvesteerd in de ontwikkeling van windenergie voor schepen in het kader van het project Wind Assisted Ship Propulsion.

De stoffen zeilen die zeelieden eeuwenlang gebruikten, worden nu vervangen door verticale vleugels, vliegers en roterende cilinders. Sommige schepen hebben zelfs een romp als een vliegtuigvleugel, die de kracht van de wind benut.

90 procent van alle goederen is ooit aan boord van een schip geweest.

De technologieën worden al op dieselschepen aangebracht, en over vijf jaar zullen de eerste grote transportschepen de Atlantische Oceaan oversteken op schone windenergie.

Vrachtschip slurpt 200 ton olie per dag op

Vrachtschepen vervoeren van alles, van iPads tot bananen, over de hele wereld, en negen van de tien artikelen die we kopen, waren ooit aan boord van zo’n schip. De schroef van de honderden meters lange boten draait met behulp van enorme motoren, die worden aangedreven door fossiele brandstoffen.

Zo is een van ’s werelds langste containerschepen, de 397 meter lange Emma Maersk, uitgerust met een 2300 ton zware motor met 14 cilinders en een vermogen van 108.640 pk. De gigantische motor slurpt 14.000 liter olie per uur op.

De brandstof van vrachtschepen is een stroperige, vervuilende bunkerolie, omdat alleen die voldoende energierijk is om de grote containerschepen de oceanen over te krijgen.

Elke dag verstoken vrachtschepen een lading olie die overeenkomt met een derde van de dagelijkse olieproductie van Saoedi-Arabië. Een groot containerschip verbruikt dus algauw 200.000 liter olie per dag, of het energieverbruik van 50.000 huishoudens.

Vrachtschepen zijn nog altijd goedkoper en groener dan bijvoorbeeld het luchtvervoer. Maar de scheepvaart blijft verantwoordelijk voor 2,5 à 3 procent van de wereldwijde CO2-uitstoot.

© Ken Ikeda Madsen

Vervuiling door schepen is dodelijk

Vrachtschepen zijn verantwoordelijk voor 2,5 procent van de jaarlijkse uitstoot van broeikasgassen wereldwijd. En volgens een verklaring uit 2019 veroorzaakt luchtverontreiniging door schepen circa 60.000 doden. Dat is 16 procent van de 3.370.000 doden die jaarlijks vallen door vervoer per auto, trein en schip.

De Internationale Maritieme Organisatie van de VN (IMO) heeft daarom als doel gesteld dat de uitstoot van broeikasgassen door de scheepvaart in 2050 met minimaal 50 procent moet zijn verminderd ten opzichte van 2008.

Als we geen actie ondernemen, lopen we volgens prognoses het risico dat de uitstoot in 2050 met 50 tot 250 procent zal zijn toegenomen, omdat de wereldhandel sterk toeneemt.

Vliegtuigvleugels stuwen schepen voort

Willen grote schepen de oceanen kunnen oversteken zonder fossiele brandstoffen, dan zal er een alternatief moeten komen voor de dieselmotor die nu de scheepvaart domineert. Elektrisch rijden is al normaal, en er zijn ook al schepen met elektrische accu’s.

Maar die accu’s schieten voorlopig tekort in de scheepvaart, omdat ze nog lang niet de hoge energiedichtheid per kilo accu kunnen halen die de fossiele brandstof voor de gigantische schepen levert.

2,5 procent van de wereldwijde uitstoot van broeikasgassen is afkomstig van schepen.

Zo is er een accucapaciteit van 10.000 Tesla S 85’s (elektrische auto’s) voor nodig om een gemiddeld containerschip slechts één dag te laten varen.

Omdat accu’s niet toereikend zijn, zoeken de ingenieurs het in windenergie. Het is tijd dat de wind weer de belangrijkste motor van de scheepvaart wordt, en betere data en krachtigere computers ondersteunen dat: er zijn steeds meer en nauwkeurigere gegevens over windomstandigheden, en nieuwe aerodynamische ontwerpen worden aan de hand van 3D-modellen op computers gemaakt.

De nieuwe generatie windschepen is dus ontworpen met behulp van krachtige computers die berekenen hoe vloeistoffen of gassen, zoals lucht, langs allerlei oppervlakken en hoeken stromen en worden vertraagd en versneld. Deze tak wordt wel computationele vloeistofdynamica (CFD) genoemd.

Daarnaast gebruiken ingenieurs zogeheten machine learning-algoritmen die, naarmate er meer gegevens ingevoerd worden, steeds nauwkeuriger berekeningen kunnen maken.

Hiermee kunnen wetenschappers de nodige precisie ontwikkelen in de stuurmechanismen voor de nieuwe generatie zeilen en andere windenergietechnologieën die op vrachtschepen worden geïnstalleerd.

Een voorbeeld van deze ontwikkeling is de SeaWing, een vlieger van 1000 vierkante meter, die op de voorsteven van een vrachtschip wordt vastgemaakt en het schip zal voorttrekken. De SeaWing wordt ontwikkeld door het bedrijf Airseas, een loot van de luchtvaartgigant Airbus.

De vlieger is afhankelijk van een continue stroom weergegevens, die door sensoren via een 500 meter lange kabel naar de stuureenheid van de vlieger wordt gestuurd. Die past continu de positie en bewegingen in de lucht aan door de lijnen te laten vieren en aan te trekken. Alleen zo brengt de wind de vlieger niet uit positie maar kan zijn kracht juist worden benut.

De SeaWing is 1000 vierkante meter groot en zal op de voorsteven van grote vrachtschepen worden gemonteerd. Dit bespaart circa 20 procent brandstof.

© Ken Ikeda Madsen

1. Vlieger vouwt zich uit

Als de windrichting en -snelheid goed zijn, activeert de kapitein de vlieger, die in een mast van 35 meter zit. De vlieger ontvouwt zich en gaat de lucht in.

© Ken Ikeda Madsen

2. Lijnen laten de vlieger vieren

In de lucht wordt de positie van de vlieger geregeld door lijnen te laten vieren en aan te trekken. Dit gebeurt met behulp van gegevens van het schip.

© Ken Ikeda Madsen

3. Beweging vergroot de snelheid

De vlieger vergroot zijn trekkracht door constant te remmen en te versnellen. Daarom vliegt hij in achtjes afwisselend met de wind mee en ertegenin.

De SeaWing is slechts één voorbeeld van een technologie die is geleend van de luchtvaart. Een ander voorbeeld is de Oceanwings van het Franse Ayro. Dit is een zeil met motor en computerbesturing dat bestaat uit twee verticale metalen stroken, en dat qua vorm doen denken aan vliegtuigvleugels.

Sensoren in het zeil registreren constant de windsnelheid en -richting, waarna een computer de optimale hoek van het zeil berekent en met een motor instelt.

De Oceanwings kan 42 procent brandstof besparen en wordt getest op een 121 meter lang schip dat delen van een Ariane 6-ruimteraket zal vervoeren van Europa naar Frans-Guyana in Zuid-Amerika, vanwaar de raket gelanceerd zal worden.

In Nederland werken ingenieurs ook met verticale constructies die doen denken aan vliegtuigvleugels. Het bedrijf Econowind heeft zo’n vleugel gebouwd die met de wind mee draait en op die manier een zo groot mogelijk drukverschil creëert, dat het schip voortstuwt.

Firmaet Econowinds lodrette vinger skubber fragtskibe frem vha. trykforskellen mellem vingernes sider – samme princip, som flyvinger udnytter til at skabe opdrift.

© Econowind

In de vleugel zit een pomp die wat lucht aan de achterkant van de vleugel naar binnen zuigt en naar boven leidt. Dit creëert een onderdruk achter de vleugel, waardoor de lucht er sneller langs stroomt, wat de voortstuwing ondersteunt.

De vleugel is onder meer geschikt voor containerschepen en wordt per twee geïnstalleerd in een bak met een opklapmechanisme. Zo kunnen de vleugels in de bak worden opgevouwen als er te weinig wind is of als de wind uit de verkeerde richting waait – of bij te zwaar weer.

Schepen zetten motoren stil

De scheepsbouwkundigen putten niet alleen uit luchtvaarttechnologieën, maar ook uit oude, afgedankte technologieën, zoals de Flettner-rotor, die circa 100 jaar geleden is uitgevonden door de Duitse ingenieur Anton Flettner.

Al is de technologie toen niet doorgebroken, ze is zo goed dat de zogeheten Flettnerrotoren nu een comeback maken in de nieuwe generatie windschepen.

Een Flettnerrotor maakt gebruik van het zogeheten magnuseffect. Dit effect treedt op wanneer de lucht een cilinder of bal raakt die rond zijn eigen as draait. Aan de kant waar de cilinder in dezelfde richting draait als de wind, zal de wind versnellen. Aan de andere kant zal de wind vertragen.

Door het versnellen en afremmen van de wind aan weerszijden ontstaat er een overdruk aan de kant waar de wind remmend werkt, en wordt de bal of cilinder dus naar de kant geduwd waar de wind versnelt.

De overdruk kan worden benut op schepen waarop verticale, roterende cilinders zijn geïnstalleerd, die voortstuwing creëren wanneer de wind er vanaf de zijkant op valt.

© Scandlines

Windkolommen drijven het schip aan

De veerboot M/F Copenhagen is uitgerust met een roterende cilinder: een Flettnerrotor. Deze stuwt het schip voort bij zijwind.

© Ken Ikeda Madsen

1. Wind blaast tegen de rotor

De wind raakt de rotor loodrecht op de vaarrichting. Het voorste deel van de rotor draait met de wind mee, het achterste deel ertegenin.

© Ken Ikeda Madsen

2. Rotatie creëert drukverschil

De omwentelingen van de cilinder versnellen de wind langs het voorste deel en vertragen de wind langs het achterste deel. Doordat de wind achter de rotor langzamer beweegt, ontstaat hier een overdruk.

© Ken Ikeda Madsen

3. Windkolom zorgt voor voortstuwing

De overdruk achter de rotor duwt tegen de cilinder en vergroot de voortstuwing van het schip. De kapitein kan dus de motoren afzetten en zo brandstof besparen zonder te vertragen.

Zo heeft de Duitse windturbinefabrikant Enercon vier rotoren op zijn transportschip E-Ship 1 geïnstalleerd en heeft de grootste rederij ter wereld, Maersk, er twee op het schip Maersk Pelican aangebracht.

Het magnuseffect treedt bijvoorbeeld ook op als een tennisbal door de lucht vliegt en onderweg ronddraait. De rotatie van de bal versnelt de lucht langs de ene kant en vertraagt de lucht aan de andere kant. Het verschil in luchtsnelheid zorgt voor een overdruk aan de ene kant van de bal en een onderdruk aan de andere kant.

Zo buigt de bal af in de richting van de zijkant met onderdruk, en het resultaat is bijvoorbeeld dat een bal die van bovenaf gezien de andere kant op draait dan zijn richting, afwijkt naar boven toe. Het magnuseffect vindt plaats in zowel gassen zoals lucht als in vloeistoffen zoals water.

Windenergie neemt het over

De meeste windtechnologieën die nu op grote vrachtschepen worden geïnstalleerd, hebben met elkaar gemeen dat ze besparen op fossiele brandstoffen, maar de schepen varen nog niet 100 procent op de wind. Dat gaat de komende vijf jaar echter veranderen.

Vooral in Scandinavië ontwerpen ingenieurs nieuwe scheepstypen puur op basis van windenergie. Een prominent voorbeeld is het Noorse Vindskip (windschip), waarbij één grote, verticale vleugel het drukverschil tussen de twee zijden gebruikt om voortstuwing te creëren – zelfs met wind tegen.

🎬 Windschip is één grote vliegtuigvleugel

De Vindskip zal daarom vaak de motor uit kunnen zetten en zo tot 60 procent brandstof kunnen besparen in vergelijking met vrachtschepen op olie.

Waar de Vindskip al een heel eind op weg is richting klimaatneutrale scheepvaart, gaat het Zweedse bedrijf Wallenius Marine nog een stap verder met het schip Oceanbird.

Het 200 meter lange en 40 meter brede vrachtschip moet in 12 dagen de Atlantische Oceaan kunnen oversteken, uitsluitend op de wind. Het schip is naar verwachting in 2024 klaar en kan 7000 personenauto’s vervoeren.

De telescopische zeilen zijn uitgeklapt 80 meter hoog, waarmee de totale hoogte van het schip op 105 meter komt. De zeilen zijn gemaakt van staal en glasvezelmaterialen.

Ze kunnen 360 graden om zichzelf draaien en bewegen dus optimaal met de wind mee. Dankzij hun vier gemotoriseerde telescopische gewrichten kunnen de zeilen bij slecht weer ingeklapt worden tot een totale hoogte van 45 meter, of als het schip bijvoorbeeld onder een brug door moet.

Een hulpmotor kan de Oceanbird onder meer assisteren bij het uitvaren van een haven, maar volgens Wallenius Marine zal ook die gebaseerd worden op groene technologie.

🎬 Zie ’s werelds grootste zeilschip in actie

Volgens de scheepsbouwkundigen kan de Oceanbird 90 procent van de CO2-uitstoot besparen in vergelijking met een vergelijkbaar schip op fossiele brandstof. De Zweedse minister van Economie zei eind 2020 dat hij graag zou zien dat een hele vloot van dergelijke schepen het transport over de oceaan overneemt.

En het lijkt erop dat zijn wens in vervulling gaat.

In elk geval blijkt uit een rapport voor het Britse ministerie van Transport dat in het jaar 2050 mogelijk wel 45 procent van de wereldwijde vloot – 40.000 schepen – zal varen op windenergie.