Vind er tilbake i skipsfarten – 100 år siden sist

Takket være vind ble Norge en stormakt på havet for over 150 år siden. Det ble bygget seilskip i enhver vik langs store deler av kysten og kapteiner slo seg opp til store skipsredere med vind som eneste energikilde. Damp tok over i utlandet rundt 1880-åra, mens mange norske redere brukte seilskuter til et stykke ut i mellomkrigstida og gikk rett fra seil til diesel.

Norge er fortsatt blant verdens ti største shippingnasjoner, men stort sett basert på diesel og tungolje. Flytende naturgass, LNG, er riktignok introdusert som mindre forurensende drivstoff med norske rederier i front, og etter hvert også batterier. Men innen vind er Norge langt etter.

Flere retninger

I hovedsak har store skip fire alternativer for å få hjelp av vind til framdrift, om vi ser bort fra tradisjonelle myke seil og ingen motor.

• Drageseil (kite)
• Rotorseil (Flettner-rotor)
• Faste seil (formet som flyvinge)
• Sugeseil (vingeseil med spalter og vifter som suger vekk grensesjiktet)

Drageseil og sugeseil har vært forsøkt i lengre tid, men ikke fått noe stort kommersielt gjennomslag. Rotorseil og faste seil er i ferd med å tas i bruk, men det store gjennombruddet har ikke kommet ennå. Men nå skjer det mye, parallelt og i flere land. Forskningsinnsatsen øker i mange land og miljøer, mens verft, rederier og teknologimiljøer får typegodkjenning av klasseselskap på ulike varianter av vindsystemer.

I Norge har ett rederi allerede ettermontert store rotorseil på et eksisterende skip, et annet planlegger et nybygg med rotorseil med drift fra 2024, mens det svensk-norske Wallenius Wilhelmsen sier de vil bestille et skip med faste seil, også med drift fra 2024. Et teknologiselskap har gått i partnerskap med briter, og DNV har gitt typegodkjenning til ulike typer vindassisterte framdriftssystemer.

Utfordringer med vindfremdrift

På NTNU i Trondheim forskes det på utfordringene knyttet til vindfremdrift. Jarle Kramer, som også har jobbet med foilteknologi for hurtigbåter i Flying Foil, skal avslutte sin doktorgrad i november. Han studerer hvordan vind som ekstra framdrift påvirker skip i størrelsesområdet 100-200 meters lengde.

– Det er i det størrelsessegmentet utfordringene med seil på skip er størst. Der skjer det dramatiske ting. Seil dytter ikke bare framover, men også mye til siden og påfører krengemoment, som går ut over både stabilitet, motstand, sikkerhet, mannskap og last, sier Kramer til TU.

Teoretisk sett skal det ikke være så vanskelig å få drivstoffbesparelse på 50-60 prosent ved utnyttelse av vindkraft. Men over der begynner problemene, forutsatt at skipene skal ha en viss servicehastighet og kunne seile i mer eller mindre faste mønstre og havner og ha krav til ankomsttid.

– Innenfor normal lasteskipshastighet vil 50 prosent besparelser være fullt mulig om man installerer store nok seil. For mindre lasteskip er det enklere å høste mer av vinden enn for de store skipene over 200 meter på grunn av strukturelle hensyn. Men små skip med mye fremdrift fra vinden skaper også noen flere utfordringer, sier Kramer.

Krengning og økt motstand

Skipenes krengning er ett av dem. To andre utfordringer er rorvinkel og avdriftsvinkel på grunn av sidekrefter og girmoment fra seilene. Når de uønskede momentene og kreftene fra seilene blir balansert av hydrodynamiske motkrefter fra skroget vil også skipets motstand øke.

I Kramers doktorgradsarbeid studerer han hvor store de negative konsekvensene er og hvordan de kan håndteres på en god måte. På seilbåter har man ofte en dyp kjøl som skal minimere både krengning og avdriftsvinkel. Det er ikke alltid et mulig alternativ for store fartøy på grunn av for stor økning i dypgangen.

Kontroll på roret og vinkel for å ha god styring er essensielt. Krengevinkel bør heller ikke overgå 10 grader av hensyn til fare for at last forskyves og mannskap skal føle ubehag. Slike hensyn går ut over maksimal potensiell energihøsting.

– Man må passe på at det ikke får for stor vinkel på roret slik at styrekraften blir borte. Det kan man gjøre ved å ta ned krefter fra seilet. Man taper litt av den potensielle seilkraften, men ikke skremmende mye, sier Kramer.

Sikkerhetsmessig er 16 grader en anbefalt maks krengevinkel i «steady state condition» på grunn av vindlaster, ifølge Kramer. Likevel vil mannskap om bord i skip med vindfremdrift ofte foretrekke mye lavere krengevinkel på grunn av komfort, og derfor redusere kreftene fra seilene manuelt.

– Det er nok ubehagelig for mannskapet å gjennomføre hele arbeidsdagen med stor og konstant krengevinkel, sier Kramer.

Glemt vinden

Kramer er forundret over at interessen for vindteknologi foreløpig ikke har vært større i Norge, ettersom den virker å ha vært stor i andre land i lang tid.

Finland har jobbet med både rotorteknologi og luftsmøring med bobler under skipene i mange år, mens Wallenius Marine i Sverige har utviklet et bilskipskonsept med faste, teleskopiske seil. I Europa har det vært flere pilotforsøk med ulike typer drageseil (kite), både av Skysails og Airseas og nederlandske Econowind har gjennomført fullskala tester med sugeseil. De store verftene i Asia har flere prosjekter med ulike typer vindassistert framdrift, i all hovedsak faste seil i varierende høyder og konfigurasjoner. De fleste opererer med drivstoffbesparelser på 8-20 prosent.

Ett norsk unntak til finnes, men basert på britisk teknologi. Yara Marine Technologies inngikk tidligere i år en avtale med BAR Technologies om design og tilpassing av faste vindseil for alle typer kommersielle skip. Sammen skal de markedsføre og selge vindteknologien under merkenavnet WindWings. Selskapene oppgir drivstoffbesparelser på opp mot 30 prosent. Første avtale er inngått om en etterinstallasjon på et Cargill-lasteskip i løpet av 2022.

Lærer av superraske seilbåter

BAR Technologies er et britisk engineering og utviklingsmiljø for bærekraftig teknologi til det maritime markedet. Selskapet ble etablert i 2016 av ingeniører som hadde jobbet med superraske seilbåter for blant annet America's Cup og Volvo Ocean Race. Spekteret er utvidet til hele den maritime sektoren.

Petter Mørland har mange års erfaring som toppseiler. Han jobber nå i selskapet Lift Ocean som utvikler foiler som skal løfte fartøy opp av vannet, men drevet av propell eller vannjet. Han er fortsatt opptatt av hva vind kan bety for energieffektiv og bærekraftig seilas for shipping.

Han mener at de store skipene må utnytte værruting, det vil si planlegge seilingsrute ut fra kjente historiske data om vær, vind, strøm, bølger, værmeldinger og sanntidsdata for å få optimal gevinst.

– De som seiler Volvo Ocean Race sitter og programmerer et værrutingsprogram i månedsvis på forhånd. De lager 100-vis av modeller. Et Polardiagram viser hvor fort båten seiler med gitte vindmønstre. Tar man i bruk seiletankegangen og regner ut optimale ruter og seilføring, begynner vi å snakke besparelser, sier Mørland.

Norge har de to største og mest avanserte værrutingsselskapene i verden ved Navtor og Storm Geo. Deres programvare er ikke skreddersydd for vind som en av faktorene i deep sea shipping.

– Foreløpig har vi ikke det, men på sikt når vindassistert framdrift blir mer vanlig og kunder etterspør det, vil vi absolutt ta det i betraktning, skriver Rafael Cola, senior markedssjef i StormGeo i en e-post til TU.

IMO og forbrukere

Teknisk ukeblad skrev nylig om et enormt bulkskip på 325.000 dødvekttonn med en lengde på 340 meter og 62 meters bredde. Skipet, MS Sea Zhoshan, får fem Flettner-rotorer på 24 meters høyde med en diameter på 4 meter. Beregningene fra den finske leverandører Norsepower tilsier åtte prosent drivstoffbesparelse. Den samme virkningsgraden ble dokumentert av klasseselskapet Lloyd’s Register for tankskipet Timberwolf (tidligere Maersk Pelican), som har to Norsepower-rotorer på 30 meters høyde og diameter på fem meter. Skipet er 245 meter langt og 42 meter bredt.

Vindteknologi for havgående skip har fått et løft i markedet av to grunner: IMOs ambisjoner om 40 prosent drivstoffkutt inne 2030 og minst 50 prosent inne 2050 samt forbrukerkrav om at miljøfotavtrykket på varen vi kjøper skal være så lavt som mulig.

Kramer synes ikke det er rart at biltransportører som Wallenius Wilhelmsen går foran.

– De transporterer etter hvert flere elbiler som skal til forbrukere. Bilindustrien krever at skipene som transporterer deres biler, skal ha så lite utslipp som mulig, påpeker Kramer.

Wallenius Marine har designet et 220 meter langt og 40 meter bredt bilskip med fem faste seil. Teleskopseilene er formet som vinger og kan være opp til 50 meter høye. Ifølge Wallenius Marine skal skipet med plass til 7.000 biler krenge maks fem grader.

Norsk pionerkunde

Seacargo bestemte seg i 2020 for å bygge om og hybridisere frakteskipet SC Connector, som ble satt i drift i januar etter ombygging. Skipet er blitt både vind- og batterihybrid med to tiltbare Norsepower rotorer, batteripakker fra Corvus (Orca Energy 339 kWh) samt styringssystem fra Norwegian Electric Systems (NES).

Seacargo regner med å spare enda mer drivstoff enn Sea Zhousan. Beregningene er gjort av Jarle Kramer og rederiet selv, med data fra Norsepower. Med to rotorseil på 35 meters høyde og 5 meter i diameter, skal skipet kunne spare opp mot 25 prosent drivstoff og i perioder kunne seile kun ved hjelp av rotorene. Foreløpig er det ikke gjort målinger som kan slå fast at målene er nådd.