Comeback for seil gir renere skipsfart

Målene fra FNs sjøfartsorganisasjon, IMO, er klare: Skipsfarten skal kutte klimagassutslipp med 40 prosent innen 2030 og være nede i null i 2050. Kan gammel kunnskap bidra?

Hurtigruten har ambisjoner om å seile utslippsfritt mellom Bergen og Kirkenes fra 2030. Det vil de ikke klare med seil alene. Men sammen med andre energibesparende teknologier, materialer og styringssystem skal vind gi et solid bidrag.

Det seiler nå om lag 50 større handelsskip rundt med en eller annen form for vindassistert framdrift, Wind Assisted Propulsion (WAP). Pilene peker bratt oppover. Ukentlig annonseres nye kontrakter på seilinstallasjoner til både nybygg og ettermontering.

Hvor mye seil kan bidra med, er avhengig av både seilstørrelsen, skipsdesign og operasjonsprofil. Typiske installasjoner kan bidra med fra 5 til 25 prosent.

Betydelig høyere bidrag er mulig dersom seilene er store nok. Wallenius Marine jobber med et konsept kalt Oceanbird, med 50 til 90 prosent framdrift fra seil.

I Norge er det foreløpig bare Seatrans som har hjelp av vind på lastefartøyet SC Connector, samt sementskipet Cemcommander som seiler jevnlig på norskekysten for Heidelberg Materials.

Konsepter

I hovedsak er det tre typer vindassisterte systemer som råder: Rotorseil (Flettner-teknologi), vingeseil og sugeseil.

Forsøk med drager («kite») har også pågått over flere år, men har så langt ikke blitt like populært.

Rotorseil, eller Flettner-rotor, utnytter Magnus-effekten. En elektrisk motor dreier en sylinder rundt. Hastigheten på én side av sylinderen blir akselerert på grunn av rotasjonen, mens hastigheten på den andre siden blir redusert. Ifølge grunnleggende fluidmekanikk leder endring i hastighet også til endring i trykk. Avhengig av vindretning skaper trykkforskjellen et sug på forsiden som «drar» skipet framover.

Vingeseil er som regel faste installasjoner formet som en flyvinge. Det finnes varianter både med og uten flaps. De skaper også et undertrykk på forsiden, og dermed et sug framover, ved hjelp av både angrepsvinkel og flap-vinkler.

Sugeseil fungerer på samme måte som vingeseil, men har i tillegg en kompressor på innsiden av seilet som suger små mengder luft gjennom åpninger i vingeoverflaten. Denne sugingen bidrar til å stabilisere strømningen langsmed vingen, som videre gjør at det kan oppnå større angrepsvinkler og ha tykkere vingeprofil uten at strømningen separerer, og dermed også større undertrykk.

Mye ny teknologi

I motsetning til i annen grønn maritim teknologi har ikke Norge tatt noen ledende posisjon i WAP. Men Sintef og NTNU prøver å gjøre noe med det. Nye løsninger for skrog, propell og kontrollsystemer tilpasset WAP er på agendaen, blant annet i forskningsprosjektet KSP WIND. Målet er ikke å komme frem til nye revolusjonerende seiltyper, men kunnskap, analysemetodikk og verktøy for å forstå kompleksiteten ved å introdusere seil som enda en faktor i skipsdrift.

Anders Alterskjær, som er forskningsleder for skipshydrodynamikk ved skip og havkonstruksjoner i Sintef Ocean, leder prosjektet sammen med seniorforsker Vahid Hassani.

– Vårt fokus er på å kunne forutsi og forbedre ytelsen til handelsskip som bruker vind som en betydelig kilde til fremdriftskraft, og dykke dypt inn i hvordan dynamiske effekter og komplekse skipssysteminteraksjoner påvirker ytelse, drivstoffeffektivitet, sjøegenskaper og manøvreringsevner, sier han.

– Det innebærer å fordype seg i aerodynamikk, hydrodynamikk, framdrift, maskineri, kontrollsystemer og operasjonelle strategier for å tette dagens kunnskaps- og teknologihull. I prosjektet vil vi videreutvikle og bruke både avansert modelltesting og simuleringsmetoder, forteller Alterskjær.

Teori og praksis

KSP WIND har 14 deltakere og støttes av Forskningsrådet. Prosjektet utvikler nye simuleringsverktøy for nøyaktig analyse av vinddrevne og vindassisterte skip. Prosjektet bruker lastefartøyet SC Connector og en åpen skipsgeometri utviklet av Sintef Ocean, kalt Sintef Ocean Bulk Carrier 1 (SOBC-1), som studieobjekt.

SC Connector fikk i 2021 installert to rotorseil fra finske Norsepower. Teoretisk er effekten av vind over 20 prosent. Gjennom fullskalamålinger og modellering av en digital tvilling i Sintef Oceans simuleringsprogram VeSim skal både bidraget til framdrift og påvirkningen på skipsbevegelsene tallfestes mer nøyaktig. SOBC-1 studeres ved hjelp av simuleringer og modelltesting, hvor målet er å undersøke effekten av forskjellige seiltyper og størrelser.

I FoU-prosjektet «Sea Zero» er målet å utvikle nullutslippsskip for Hurtigruten. Framdriften vil i all hovedsak skje med strøm fra store batteripakker, mens vind vil bidra med rundt 10 prosent.

– Seil alene vil ikke erstatte motorisert propulsjon, men kan være et svært viktig bidrag til å redusere drivstofforbruk og få ned utslipp fra deep sea shipping, sier Jarle Vinje Kramer, som er forsker og postdoktor ved Institutt for marin teknikk på NTNU og forsker på Sintef.

Potensial

Om lag 90 prosent av alle varer transporteres på skip. Skipsfarten står for ca. 3 prosent av de globale klimagassutslippene. Av verdens rundt 90.000 store skip bidrar de største havgående med 80 prosent av utslippene. Det vil si at rundt 18.000 skip kan oppnå store utslippsreduksjoner ved å ta i bruk seilteknologi og andre drivstoffbesparende tiltak.

Kramer påpeker at ulike typer seil vil ha varierende effekt, fra ca. 10–20 prosent og helt opp mot 30 prosent på eksisterende skip.

– Seilløsninger har et stort potensial ved ettermontering. Våre studier og modellforsøk viser at det i mange tilfeller er mulig å ha relativt stort bidrag fra seil uten å måtte gjøre drastiske endringer på skrog, ror og propell, sier Kramer.

– Skal man ha seil som hovedframdrift, må det gjøres tilpasninger for å takle de negative effekter fra seilene, som for eksempel store sidekrefter og krengemoment. Skipene må typisk ha større ror, andre propelløsninger tilpasset varierende belastning og kanskje også ekstra kjøl, sier Kramer.

Basert på vindstatistikk og Hurtigrutens operasjonsprofil har «Sea Zero»-prosjektet kjørt en rekke simuleringer. Valget falt på franske Oceanwings.

Oceanwings er laget i lette materialer, og vingen er todelt. Delene kan justeres hver for seg med et avansert kontrollsystem for å hente ut mest mulig effekt. Selskapet mener selv at deres seil kan utnytte naturlige passatvinder og oppnå drivstoff- og utslippsreduksjoner fra 15 til 50 prosent. Hvert seil kan spare drivstoff på over 1,3 tonn per seil. Det betyr en tilbakebetalingstid på fem år.

Vaier og vinsj

Modellforsøk med vind og aerodynamikk er vanskelig. Vifter benyttes til å generere vind i havbasseng, men gir ikke alltid en helt representativ versjon av virkelige aerodynamikk i kombinasjon med hydrodynamiske krefter.

For å teste flytende havvindkonstruksjoner, har Sintef Ocean utviklet et hybrid testsystem der simuleringer kobles med et vinsjbasert modelloppsett i slepetanken i Trondheim.

Ved hjelp av vaiere og vinsjer påføres modellskroget krefter som tilsvarer ulike typer vind og vindretninger. I simuleringsmodellen som kjøres i bakgrunnen i sanntid under modellforsøkene, kan Sintef legge til overbygg for alle typer skip for å beregne hvordan aerodynamikken spiller inn.

Alterskjær mener teknikken gir helt unike muligheter til å se hvordan WAP virker inn på blant annet propulsjon, krenging, rorvinkel, motorbelastning og propellvirkningsgrad.

– Vi er ofte ute etter små variasjoner. Med vårt oppsett kan vi få veldig nøyaktige målinger og sammenligne faktorer som spiller inn. Vi får målt netto besparelser med ulike typer speilsystemer og hvordan resten av skipet responderer på kreftene, sier han.

Jarle Kramer påpeker at vindassistanse kan få negativ innvirkning på blant annet motor, som kanskje ikke kan gå på optimalt turtall.

– Belastning på motor og framdriftssystem og innstrømmingsvinkler på propell og ror endres også. Det må inn i beregningene, sier han.

Alterskjær sier at det er utfordrende nok å modellere hver av disse effektene individuelt.

– Å modellere samspillet mellom alle effekter – hydrodynamisk, aerodynamisk, maskineri med mer, vil nok gi oss mye å gjøre i årene framover, sier han.