Vrachtschepen krijgen steeds vaker de wind in de (mechanische) zeilen
Source: https://delta.tudelft.nl/article/vrachtschepen-krijgen-steeds-vaker-de-wind-in-de-mechanische-zeilen Parent: https://delta.tudelft.nl/wetenschap
Share
LinkedIn Bluesky Email Kopieer link
Dit artikel in 1 minuut
- De zeescheepvaart moet drastisch verduurzamen; langzamer varen en gebruikmaken van wind kan de uitstoot flink verminderen.
- Delta was erbij toen onderzoekers van de TU Delft in een speciale windtunnel testten hoe luchtstromen rond vrachtschepen lopen, om zo windvoortstuwing optimaal te benutten.
- Met mistdeeltjes, lasers en camera’s meten ze nauwkeurig de aerodynamica van een scheepsmodel en bepalen ze waar de mechanische zeilen het best geplaatst kunnen worden.
- Ze onderzoeken vooral rotorzeilen: draaiende zuilen die via het Magnus-effect extra voortstuwing leveren.
- Naast rotorzeilen bestaan er ook rigid wings, suction sails en vliegers, elk met eigen voor- en nadelen afhankelijk van schip en route.
- In de toekomst zullen schepen en vaarroutes meer op wind worden ontworpen; wind kan nu al zo’n 15% brandstof besparen en mogelijk oplopen tot 50%. Mits langere vaartijden geen probleem zijn, is volledig varen op de wind natuurlijk ook mogelijk.
“Niets is zo groen als een knoopje eraf”, begint scheepvaartonderzoeker Albert Rijkens (Mechanical Engineering) met een nautische term. Voor wie geen achtergrond heeft in de scheepvaart: dit betekent langzamer varen, want de snelheid op het water wordt uitgedrukt in knopen. En minder hard varen betekent minder uitstoot, legt dr.ir. Albert Rijkens uit. Zijn WASP-onderzoek valt onder mechanical engineering én aerospace engineering.
Dat klinkt misschien gek, bij luchtvaart- en ruimtevaarttechniek denk je wellicht niet meteen aan scheepvaart, maar toch is dat precies wat er op deze dag in december in de Delftse windtunnel onderzocht zal worden: de rol van de luchtstromen op een vrachtschip. Want de wind kan uitkomst bieden om de scheepvaart milieuvriendelijker te maken door, zoals al eeuwen gedaan wordt, gebruik te maken van zeilen. Maar dan wel heel bijzondere, namelijk mechanische zeilen.
Windtunnel van meerdere verdiepingen
We zijn bij het Low-Speed Laboratorium van de TU Delft. Een unieke faciliteit volgens Rijkens, omdat het hele gebouw ontworpen is rondom de Low Turbulence Tunnel (LTT). Deze windtunnel bestrijkt meerdere verdiepingen en is gemaakt van beton.
Dr.ir. Alberto Felipe Rius-Vidales, hoofd aerodynamica bij het Wind Thrust Research Program: “Door zijn constructie is de luchtstroomkwaliteit van de tunnel uitstekend geschikt voor aerodynamisch onderzoek en we zijn blij dat we zo’n faciliteit in huis hebben.” Hij gebaart om zich heen: “De ventilator bevindt zich op de begane grond. De lucht stroomt drie verdiepingen omhoog, passeert een aantal anti-turbulentieschermen, gaat vervolgens door een vernauwing en komt hier deze testruimte binnen. Dat geeft een uniforme luchtstroom waar we bijvoorbeeld de aerodynamica van een vrachtschip of een zeilsysteem kunnen testen.”
Het vrachtschip-model hangt ondersteboven in de windtunnel. Uit de verplaatsing van de individuele mistdruppeltjes zijn de luchtstromingen rond het schip in kaart te brengen. (Foto: Thijs van Reeuwijk)
Met mistdeeltjes de luchtstroom meten
Vandaag staat er een vrachtschip op het programma. Promovendus Hendrik Fischer draait een schroefje aan en dan is de opstelling om de aerodynamica van het vrachtschip-model te meten, klaar voor gebruik. “Activate airflow seeding system”, zegt Fischer. Hij drukt op een knop, en er blaast mist in de windtunnel. “Net als de rook van een rookmachine in de disco”, vergelijkt Rijkens.
Lichten uit, veiligheidsbrillen op, laser aan. De laser geeft steeds twee korte pulsjes net na elkaar die een in een verticaal vlak de mistdeeltjes laat oplichten, twee camera’s nemen foto’s. “Hiermee bepalen we de gemiddelde verplaatsing van de mistdeeltjes”, legt Rius-Vidales uit. “En omdat de microscopisch kleine mistdeeltjes de luchtstroom volgen, kunnen we zo heel nauwkeuring de snelheid van de luchtstroom zelf bepalen.”
‘Meten mét rotorzeilen. Dat brengt weer andere uitdagingen met zich mee’
Op de computerschermen stromen de data binnen. Op het linkerscherm verschijnt de druk op de zijwanden van de windtunnel. Daarvoor moeten ze corrigeren, want in het echt zijn er geen wanden. Op het rechterscherm ontstaat een plaatje met het ‘snelheidsveld’. In de rode regio worden de deeltjes niet beïnvloed en kunnen ze ongehinderd doorstromen. Blauw betekent lagere of zelfs negatieve snelheid, tegen de stroming in. “Niet gek”, zegt Fischer als hij de eerste data bekijkt. “Tot nu toe verloopt het heel soepel.”
Moderne variant van gewone zeilen
Doel van de test is precies de aerodynamica van het schip begrijpen, zodat ze weten waar de rotors moeten komen. Deze rotorzeilen zijn hoge ronddraaiende zuilen, die wanneer het waait dankzij hun ronddraaiende beweging een aerodynamische kracht genereren volgens het Magnus-effect. Dit effect zorgt voor een extra voortstuwende kracht op het schip. Het is de moderne variant van zeilen van een zeilboot. Waarom niet de gewone zeilen toevoegen? Rijkens: “Het gaat om zulke logge schepen, je hebt dan enorme zeilen nodig. Heel bewerkelijk om mee te varen.”
Op de computerschermen druppelen de data uit de windtunnel binnen. (Foto: Thijs van Reeuwijk)
De eerste meetronde van vijftig snelheidsvelden zit erop. Kan Fischer op basis van deze metingen al iets zeggen over waar op het dek de rotors moeten komen? “We hebben vele metingen nodig. Uiteindelijk ontstaat er een kaart met de optimale positie. Ik kan daar nu nog niet veel over zeggen, behalve dat je weg wil blijven van de plekken waar de luchtstroom loslaat”, wijst hij op de witte en blauwe gebieden in de afbeelding.
Snelheden schalen
Wat zijn de volgende stappen? “Meten mét rotorzeilen. Dat brengt weer andere uitdagingen met zich mee”, vertelt Fischer, waarna hij een minicollege begint over het schalen van snelheden. De rotors op het schip moeten draaien, zo’n tweehonderd rondjes per minuut. Dat worden er in deze miniatuurversie dus wel achtduizend. “Zodra de snelheid richting de geluidssnelheid gaat, wordt de lucht een beetje samengedrukt, wat tot allerlei ongewenste effecten kan leiden.” Om daar goed mee om te gaan, zullen de onderzoekers voor deze metingen uitwijken naar een ander type windtunnel, waar ze de luchtdruk kunnen controleren.
Zodra de vrachtschepen met rotorzeilen getest zijn, is het tijd voor een nieuwe ronde metingen. “We werken nu met bestaande schepen, behoorlijke blokkendozen, waarbij bij de bouw totaal geen rekening is gehouden met de aerodynamica”, aldus Rius-Vidales. “Binnenkort zullen we aerodynamische schepen testen die speciaal ontworpen zijn voor toevoeging van rotors. Dat zal zeker tot verrassingen leiden, ik kijk er naar uit.”
Verschillende types zeilen: rotorzeil, rigid wing, suction sail en vlieger. (Schets: Albert Rijkens, gebaseerd op Schenzle,P, ‘Wind Propulsion for solar Ship Operation’, 25th International Conference on Offshore Mechanics and Arctic Engineering, Hamburg. 2006)
Verschillende types mechanische zeilen
Momenteel varen er wereldwijd al zo’n tachtig schepen met windvoortstuwing. “Ik schat dat daarvan 40 procent een rotor heeft, 40 procent gebruik maakt van suction sails en de overige 20 procent met andere type zeilsystemen varen”, aldus Rijkens. Dat vraagt om wat uitleg:
- Rotorzeilen. Rechtopstaande zuilen die ronddraaien. Als de wind rondom de rotors stroomt, ontstaat er door de rotatie een drukverschil aan beide zijden van de rotor. Dit zorgt voor een aerodynamische kracht die het schip naar voren duwt. “De rotors waar wij aan werken zijn vaak wel 28 meter hoog met een doorsnede van 5 meter.”
- Rigid wings. Vaste vleugels, vergelijkbaar met een vliegtuigvleugel. De vorm van de dwarsdoorsnede van de vleugel, het vleugelprofiel, zorgt voor drukverschil waardoor het schip naar voren stuwt. Nadeel: de vleugels zijn enorm, nog veel hoger dan een rotorzeil, en qua oppervlak vele malen groter. “Dat brengt extra uitdagingen met zich mee tijdens de operatie.”
- Suction sails. Geventileerde vleugels. Er wordt een dik vleugelprofiel toegepast om grote aerodynamische krachten te genereren. Vanwege het dikkere profiel moeten er ventilatoren worden geïnstalleerd in de vleugel die langsstromende lucht afzuigen op het oppervlak van de vleugel, waardoor de grenslaag niet loslaat. Deze combinatie zorgt ervoor dat er meer kracht kan worden gegenereerd per oppervlakte van hun vleugel dan de conventionele rigid wing.
- Vliegers. Enorme vliegers die gecontroleerd opgelaten en ingehaald moeten worden. Voordeel: flexibel en minder materiaalkosten. Nadeel: als een vlieger in het water komt, is hij afgeschreven. Dit maakt het wat kwetsbaarder. Bovendien is een vlieger vooral handig als de wind van achter komt, wat weinig voorkomt omdat het schip een eigen voorwaartse snelheid heeft.
Toekomst van de scheepvaart
Hoe gaat de scheepvaart eruitzien als wind in de toekomst een grotere rol gaat spelen? “Niet alleen de vorm van de schepen, ook de scheepvaartroutes zullen veranderen”, aldus Rijkens. “Nu kiezen ze de kortste route, straks zullen ze de meest wind-gunstige route nemen, die steeds aan verandering onderhevig is. Door betere weermodellen kunnen ze dit steeds beter uitkienen.”
‘Nu kiezen ze de kortste route, straks zullen ze de meest wind-gunstige route nemen’
En dat is niet het enige. Rijkens legt uit dat de prestatie van verschillende types zeilen afhangt van de hoek waar de wind vandaan komt. “Bij de polen heb je andere dominante windrichtingen dan bij de evenaar. Vaak varen schepen een vaste route. Dus afhankelijk van op welke route een schip komt te varen, zullen er andere zeilsystemen worden gebruikt.”
“Met een zeil erop, halen we nu zo’n 15 procent besparing. Als we alle systemen er omheen ook aanpakken, komen we tot 50 procent, misschien wel meer. Honderd procent zeilen is natuurlijk mogelijk”, zegt Rijkens voorzichtig. “Maar dan gaat het wel langer duren voor je je pakje ontvangt.”
Wetenschapsredacteur Edda Heinsman
Heb je een vraag of opmerking over dit artikel?
Lees meer
Steeds meer vrachtschepen zetten wind bij
TU werkt aan zeilende vrachtvaart. Zoals vroeger, maar dan anders
Wetenschappelijk vliegeren in de windtunnel
Comments are closed.