Klimaat Innovaties die de scheepvaart duurzamer kunnen maken bestaan al meer dan honderd jaar. Toch blijft de uitstoot groeien. Hoe kan dat?
Demonstratie in een sleeptank van de TU Delft.
’Dit zijn geen rocket launchers, het zijn zeilen.” Alberto Felipe Rius-Vidales, onderzoeker aerodynamica aan de TU Delft, wijst op een foto van een modern vrachtschip met twee grote witte cilinders op het dek, ieder 35 meter hoog en vijf meter in doorsnede.
De cilinders lijken op groot uitgevallen schoorstenen op een stoomschip. Of, als je zoals Rius-Vidales een achtergrond hebt in ruimtevaarttechniek: raketinstallaties. Dankzij de cilinders vaart het schip gedeeltelijk op wind en bespaart het brandstof.
Rius-Vidales staat naast de „sleeptank” van de TU Delft, een langgerekt bad met golfslag waar onderzoekers schaalmodellen van schepen testen. De universiteit presenteert daar lopende onderzoeken, waaronder het onderzoeksproject waar Rius-Vidales aan werkt: Wind Assisted Ship Propulsion.
De aandacht voor brandstofbesparende windaandrijving is de afgelopen jaren gegroeid. Om klimaatverandering tegen te gaan, zal ook de scheepvaart moeten verduurzamen, begrijpt inmiddels iedereen. Dat blijkt ook uit de andere onderzoeken die de TU Delft die dag presenteert: nieuwe brandstofcellen voor schepen die op waterstof varen, lichtere scheepsbouw om materiaal en brandstof te besparen en autonoom varende schepen voor het installeren van windturbines. De internationale scheepvaart streeft naar netto nul uitstoot „rond” 2050.
„Maar het gaat de verkeerde kant op”, zegt Rius-Vidales. „Want we zien een toename van CO2, terwijl het zou moeten afnemen als we onze doelen willen behalen.” De opgetelde CO2-uitstoot van alle vrachtschepen op zee is gestegen van 889 miljoen ton in 2019, tot 974 miljoen ton in 2024. Ter vergelijking: dat is ruim zes keer zo veel als de totale jaarlijkse uitstoot van Nederland.
Ook qua brandstoffen is het nog niet gelukt om de spreekwoordelijke tanker bij te sturen. Vrijwel alle vrachtschepen varen op stookolie of diesel, fossiele brandstoffen dus, minder dan 1 procent gebruikt duurzame alternatieven.
Waarom is het tot nu toe niet gelukt om de scheepvaart te verduurzamen? Dat ligt voor een belangrijk deel aan de techniek, zeggen de onderzoekers aan de TU Delft.
Neem bijvoorbeeld de cilinders uit de presentatie van Rius-Vidales. Die futuristisch uitziende zeilen zijn al meer dan honderd jaar geleden uitgevonden door de Duitse luchtvaartingenieur Anton Flettner. Hij stak in 1926 als eerste de Atlantische Oceaan over op een schip uitgerust met de zogenoemde Flettner-rotors en ontdekte dat ze veel eenvoudiger te gebruiken zijn dan ouderwetse zeilen. De rotors vereisen geen uitgebreide bemanning en bij het laden en lossen zitten er geen zeilen of touwen in de weg.
Rotorzeilen stuwen schepen voort dankzij het Magnus-effect: een natuurkundig principe dat te maken heeft met verschillen in luchtdruk. Doordat de rotors om hun as draaien, beweegt het oppervlak van de cilinder aan één kant tegen de wind in waarbij frictie ontstaat. Die frictie zorgt voor een hogere luchtdruk vergeleken met de andere kant van de cilinder waar het oppervlak juist met de wind mee beweegt. Zo ontstaat een verticale kracht die het schip voortstuwt.
Rius-Vidales vergelijkt het effect met een voetbal die je met de juiste trap kan laten draaien om zijn as, waardoor de bal effect krijgt. „De bal gaat niet rechtdoor omdat er bij het draaien een drukverschil ontstaat, wat een kracht in een bepaalde richting oplevert.” Een schip kan die kracht gebruiken om in bijna iedere gewenste richting te varen, net zoals bij ouderwets zeilen het geval is.
Maar net als bij ouderwets zeilen is die kracht niet zuiver recht vooruit. Vrachtschepen uitgerust met rotorzeilen hellen over in de richting van de wind en bewegen schuin door het water: het schip ligt in een hoek ten opzichte van de vaarrichting. Daar zijn de logge vrachtschepen niet op gebouwd, zegt Gunnar Jacobi, die bij de TU Delft onderzoek doet naar hydrodynamica, het gedrag van water. „Het lijkt misschien een kleine aanpassing, maar het zorgt voor allerlei uitdagingen.”
Boven de sleeptank hangt een metalen brug die piepend in beweging komt. Op de brug staan twee medewerkers van de universiteit, eronder hangt een schaalmodel van een vrachtschip dat wordt voortgetrokken door het water. „We kunnen het schip precies zo positioneren als we willen en dan de krachten op het schip meten”, zegt Jacobi. Het knalgele schip draait langzaam in een hoek ten opzichte van de vaarrichting en trekt een lange streep door het water. Camera’s leggen elke hoek van het vaartuig minutieus vast.
Zeilschepen hebben een kiel onder de romp die het schip overeind houdt. „Maar onder de grote vrachtschepen die in ondiepe havens moeten varen, kunnen we geen vijf of tien meter lange kiel plaatsen”, legt Jacobi uit. Ook de romp zelf is niet ontworpen om constant onder een hoek te varen. „Drie promovendi werken bij ons aan oplossingen”, zegt Jacobi. „We moeten volledig nieuwe scheepsrompen ontwerpen.”
Voorlopig worden Flettner-rotors vaak op bestaande schepen geïnstalleerd. Daardoor zijn ze niet zo efficiënt als ze zouden kunnen zijn. Ook het enthousiasme vanuit de sector is vooralsnog beperkt, ook al voorspellen de betrokken onderzoekers een gouden toekomst. Wereldwijd varen welgeteld 71 vrachtschepen met windaandrijving rond, op een totale vloot van bijna zeventigduizend.
Dat efficiëntie heilig is voor de rederijen, die op de wereldmarkt onder moordende concurrentie opereren, weet ook Lindert van Biert, universitair hoofddocent aan de TU Delft. Hij doet onderzoek naar de brandstofcel: een alternatief voor de verbrandingsmotor. Een brandstofcel haalt net als een batterij energie uit twee verschillend geladen delen, maar wordt in tegenstelling tot een batterij voortdurend opgeladen door een toevoer van brandstof. Dat kan bijvoorbeeld aardgas, methanol of waterstof zijn.
Een scheepsmodel in de sleeptank van de TU Delft.
Van Biert toont een video van een brandstofcel die op een elektrische schommel heen en weer beweegt, alsof het gevaarte zich op hoge golven in open zee bevindt. „We ontdekten dat de brandstoftoevoer op bepaalde frequenties niet meer goed werkte”, zegt Van Biert. „Daardoor verloor het systeem langzaam vermogen.”
Als de brandstofcel eenmaal goed werkt, is het een volledig uitstootvrij alternatief voor de verbrandingsmotor. Bij verbranding van waterstof ontstaat milieubelastende uitstoot in de vorm van stikstofoxiden. Waterstof in een brandstofcel produceert behalve energie enkel zuiver water.
De brandstofcel werkt bovendien efficiënter dan een verbrandingsmotor, zegt van Biert. „In een verbrandingsmotor verbrand je, dat is alleen bij hoge druk en temperatuur efficiënt.” De kleine verbrandingsmotoren in auto’s kunnen zelden aan die voorwaarden voldoen en verspillen daarom meer energie dan brandstofcellen.
Maar in de scheepvaart valt dat voordeel grotendeels weg. „De grote motoren in moderne schepen kunnen die hoge druk en temperatuur wél bereiken”, zegt Van Biert. „Die zijn al hartstikke efficiënt.” De reusachtige zuinige dieselmotor in moderne schepen is één van de redenen waarom de overstap op waterstof nog zelden loont.
„Ik zie dat het initiatief voor onderzoek naar brandstofcellen vooral van proactieve scheepseigenaren komt, die zeggen: we willen het gewoon uitstootloos doen”, zegt Van Biert. „Nike doet het transport vanuit Rotterdam naar binnenhavens bijvoorbeeld op een binnenvaartschip dat op waterstof vaart. Zij denken: dat kost ons omgerekend een paar cent per schoen, dat vinden we oké om te betalen.”
De sleeptank van de TU Delft.
Op de hoogte van kleine ontdekkingen, wilde theorieën, onverwachte inzichten en alles daar tussenin
NIEUW: Geef dit artikel cadeauAls NRC-abonnee kun je elke maand 10 artikelen cadeau geven aan iemand zonder NRC-abonnement. De ontvanger kan het artikel direct lezen, zonder betaalmuur.
Source: NRC