Hans Buitelaar
Vanaf 2024 wil Wallenius Marine auto’s per zeilschip over de oceaan vervoeren. Samen met het Zweedse KTH Royal Institute of Technology en met gebruik van de kennis en sleeptank van de maritieme wetenschappers van het onafhankelijk onderzoeksinstituut SSPA in Zweden, ontwikkelt het bedrijf de wind Powered Car Carrier (wPCC). Moderne rekenkracht krijgt een belangrijke rol bij het opnieuw ontwikkelen van zeilende vrachtschepen.
Het uiterlijk van het windaangedreven RoRo schip is radicaal anders dan traditionele zeilschepen. De ingewikkelde tuigages, met soms meer dan twintig zeilen op meerdere masten die worden bediend met honderden lijnen, zijn op de wPCC niet te vinden. De ontwerpen voor het schip tonen vier vleugelzeilen, gemaakt van een combinatie van metaal en kunststof, die achter elkaar op een volumineuze, gladde romp staan. De vleugels worden niet door touwen, maar machinaal bediend vanuit de brug.
De bedoeling is wel dat het een echt zeilschip wordt, waarbij de diepte van het profiel in de vleugelzeilen kan worden aangepast aan de windrichting en snelheid. De romp is ontworpen om met zijn vorm bij te dragen aan het genereren van stuwkracht uit de wind. Langs het gladde bovendek blaast de wind ongehinderd naar de zeilen.
De ellipsvorm van de boorden genereert lift in de windrichting bij koersen aan de wind. Daarbij is het de bedoeling dat onderweg op zee de motoren voor de voortstuwing echt uit gaan: dit wordt niet een motorschip met windondersteuning maar een heus zeilschip. Trafikverket, de Zweedse transport autoriteit, financiert de ontwikkeling van het zeilende transportschip met 27 miljoen Zweedse kronen (€2,75 miljoen).
Als het ontwerp over ruim drie jaar wordt gerealiseerd, zat het meteen het grootste zeilende schip ter wereld zijn: met een lengte van 200 m, een breedte van 40 m en een vrijboord – de verticale afstand tussen de waterlijn en het dek waar het water het schip in kan lopen – van 20 m boven het wateroppervlak kan de wPCC 7.000 auto’s meenemen. Met het eigen gewicht van 32.000 ton plus die vracht zeilt het nog altijd met een snelheid van 10 knopen, berekenden de ingenieurs. Als dat klopt, kost het de zeilende autoboot gemiddeld ongeveer twaalf dagen om de Atlantische Oceaan over te steken van Noordwest Europa naar de oostkust van de Verenigde Staten.
De motorschepen die vandaag auto’s tussen deze markten heen en weer varen, doen dat in gemiddeld zeven dagen. Zeilend wordt echter zeker 90 % van de uitstoot bespaard – al helemaal als de scheepsontwerpers de noodzakelijke motoren om havens in en uit te varen zuinig met brandstof of zelfs emissieloos weten te realiseren. De masten van 80 m hoog boven dek kunnen worden gereefd bij harde wind door de hoogte te verminderen tot 50 m.
Hydrodynamische en aerodynamische berekeningen, vloeistofdynamica computermodellen, tank tests en berekeningen van stabiliteit, laadvermogen en resulterende snelheid leiden tot een herziening van het concept ‘zeilschip’. In sommige opzichten lijkt het nieuwe zeilende vrachtschip op een modern zeiljacht: het achterschip onderwater is breed en tamelijk vlak. Onder dat vlak komen twee roeren. Net als racejachten krijgt het zeilschip een ‘negatieve’ scherpe boeg. Op het schip waaiert de boeg naar boven toe uit, om de wind te kanaliseren die lift kan genereren als de wind langs de romp waait.
Geavanceerde racejachten hebben een afgerond boeisel, zodat de wind gladjes langs de boorden naar de zeilen kan waaien. Ook dat is op de wPCC terug te zien. Twee studenten van de KTH in Stockholm deden onderzoek naar de totale milieubelasting die de zeilende autoboot zal veroorzaken: van winning van grondstoffen, energiegebruik en uitstoot tijdens de operationele periode en hergebruik van materialen aan het eind van de levensduur. Hun Lifetime Assessment studie is aangeboden als master thesis aan de technische universiteit.
Het ontwerp van de romp is mede bepaald door een onderzoek naar de veranderingen in wind op grotere hoogte. De toppen van de vleugelzeilen torenen honderd meter de lucht in. Zeilers weten dat er al een verschil is in windsnelheid vlak boven het water en tegen de onderkant van een zeil, en hoger boven de boot. Onderzoekers van KTH plaatsten een instrument dat windsnelheid en -richting meet met behulp van lasers – de Lidar – aan boord van een auto carrier van Wallenius Marine op een tocht langs Noord-Europese havens en over de Atlantische Oceaan naar Halifax, Canada. De windstroom over het schip, vlak boven het dek en hoger in de lucht werd gemeten.
Behalve eeuwenoude ervaring van zeilende zeelui, waren er tot nu toe geen wetenschappelijke gegevens over de verschillen in windrichting en -snelheid boven een schip. De data die uit het onderzoek kwam, bleek erg interessant. Het verschil tussen windsnelheid en -richting in hogere luchtlagen tot ongeveer 200 m boven het wateroppervlak, bleek minder groot dan vooraf werd aangenomen. Wel bleek heel nadrukkelijk de invloed van de rompvorm van het schip op de luchtstroom boven de dekken.
Die kennis heeft nu al geleid tot het aanpassen van de boorden: niet meer een scherpe rand boven het vrijboord, maar een afgeronde vorm die de wind onbelemmerd naar de zeilen laat waaien. ‘Om tot de beste effectiviteit van de zeilen te komen, gaan we meer onderzoek doen naar de invloed die de rompvorm van een schip boven water heeft op de aanstroming van de wind naar de zeilen’, zegt projectleider Mikael Razola van Wallenius Marine.
De romp van het zeilende automobieltransportschip wordt niet voorzien van een kiel zoals licht gebouwde zeiljachten. De romp ontleent de stabiliteit aan gewicht en een vlak onderwaterschip, zoals zeilende platbodems dat al eeuwen doen.
Na al het onderzoek, de data analyse en berekeningen is ook met twee verschillende schaalmodellen een praktijktest gedaan. Studenten van de KTH bouwden een 7 m lang model en lieten dit te water om het zwaartepunt te kunnen bepalen aan de hand van de rompvorm. Ook onderzochten ze de werking van de roeren. Soortgelijk onderzoek werd in de sleeptank van SSPA gedaan. De weerstand in het water leek relatief laag en dus gunstig voor een zeilschip. Doel van de tests was om meer te weten te komen over de ideale afmeting en vorm van de roeren en eventuele zwaarden.
De eerste resultaten lieten zien dat de configuratie van rompvorm en zeiloppervlak nog moet worden verbeterd. Manager strategisch hydrodynamisch onderzoek bij SSPA Sofia Werner concludeert uit de tests: ‘We dachten dat we met een bepaalde hoogte van de zeilen de maximale snelheid konden halen. Maar in de sleeptank blijkt dat we in zo’n geval te veel moeten compenseren met het roer. Het optimum hebben we nog niet bereikt.’
