Tester skalamodell av batteridrevet hurtigbåt

TRONDHEIM: Oppstartselskapet Flying Foil skal i løpet av våren og sommeren 2019 vise at teknologien deres kan øke rekkevidden for batteridrevne fartøyer.

Når fartøyet løftes opp av vannet og bare har foiler under vann, reduseres nemlig energibehovet drastisk, til om lag en halvering. Dette dobler batterirekkevidden for nullutslippsfartøyer. Teknologien skal demonstreres i en 1:4 skalamodell av en hurtiggående katamaran.

Gründerne John Martin Godø og Jarle Kramer finpusser på detaljene, både rent fysisk på foiler, og mer virtuelt – i programvaren som skal styre de små finnene – tilsvarende flaps på fly – slik at seilasen går jevnt og pent i vannet og styringen blir nøyaktig.

– Vi har de viktigste elementene på plass til å gå i gang. Vi må bare få verifisert teknologien under praktiske forsøk med modellen, sier Kramer.

• Gjør båtene miljøvennlige: Vinger er på full fart tilbake i hurtigbåter (TU Ekstra)

Tre nøkkelfaktorer

Flying Foils teknologi består i korte trekk av tre hoveddeler:

• Optimalisert design og effektiv produksjonsprosess for vinger i karbonfiber
• Egendesignet integrering av framdriftssystem med vannjet
• Kontrollsystem for foiler/flaps. De skal aktivt kompensere for bølger og styre fartøyet

– Kontrollsystemet må godkjennes av klasseselskap og tilfredsstille myndighetskrav til redundans. En feil skal ikke kunne klare å slå ut hele systemet, sier Kramer.

Skjønt kravet til dobbelt system for å styre fartøyet opp og ned av vannet ser han ikke som sikkerhetskritisk.

– Det verste som kan skje er at vingene ikke løfter fartøyet. Om det skjer, siger fartøyet bare ned og fortsetter som en vanlig katamaran. Men vi har selvsagt kalkulert inn redundans i sensorer og øvrig system i alle prisestimater, sier Kramer.

På grunn av prinsippet med at båten flyr over bølgene, løftet av en vinge som er under bølgene, vil en hydrofoilbåt ha bedre passasjerkomfort enn en vanlig katamaran. Ifølge gründerne er en viktig oppgave i prototypetestingen å kvantifisere den økte komforten, samt å sette fornuftige grenser for største bølgehøyde ved fullt flyvende operasjon.

– I veldig grov sjø vil man ønske å lande båten på skrogene og operere den som en vanlig katamaran. Komfort og hastighet vil da være sammenlignbar med det man har i dag. En hydrofoilbåt vil kunne operere i like høye bølger som dagens hurtigbåter, sier Godø.

• Fem kandidater: Skal utvikle fremtidens hurtigbåter (TU Ekstra)

Skala og vekt

Skalamodellen av en Flying Foil-katamaran ferdigstilles i mai. Skroget er bygget i karbonfiberkompositt hos partner Brødrene Aa. Når båten kommer på vannet, begynner en intensiv testperiode der spesielt flykontrollsystemet skal gjennomgå mange grundige tester.

Skalamodellen har en begrensning: Vekt kan ikke skaleres på samme måte som lengde og bredde. Med 1:4 i lengdeforhold får man 1:64 i vektforhold. Mange systemer om bord, som batterier, er vanskelig å få ned i en sekstifiredel av opprinnelig fullskalavekt.

– Brødrene Aa har gjort en fenomenal jobb med å lage et lett skrog, og nede på nesten riktig skalavekt. Utvendig laminattykkelse er ca 1 mm. Noe tynnere enn dette har vi ikke turt å gå for, sier Godø.

Å skalere mannskapet ned til 1/64 av normal vekt, er naturlig nok vanskelig. Dermed må mannskapet begrenses til tre eller fire personer om bord under testing.

Endelig vekt av prototypen med folk om bord er 1,5 tonn.

• Prestisjekontrakt: Norled bestiller hybrid hurtigbåt (TU Ekstra)

Hovedvinge bærer vekt

Foilkonseptet baserer seg på en stor vinge om lag midt under skroget der det er mest vekt, og en mindre halevinge akterut. Dette er en vingelayout som ikke har vært forsøkt på store hydrofoilfartøyer tidligere, men som er i tråd med det man bruker i flyindustrien.

– Alle tror at det kreves masse ekstra effekt for å løfte skroget opp av vannet. Det stemmer ikke. Vi kan styre løftet pent og rolig med flaps, akkurat som på fly. Vingedesign vil også være med og avgjøre og tilpasses ulike hastighetsprofiler, sier Kramer.

Akterut har man to vanninntakskanaler for vannjeter som dytter fartøyet fremover. Vanninntaket er spesialdesignet og patentsøkt. I skalamodellen blir det brukt to mindre vannjeter, mens i fullskalamodellen blir det standard vannjet fra Kongsberg (tidligere Rolls-Royce).

– Vi har også vurdert propell til framdrift, men det finnes ikke en ferdig løsning for hydrofoilbåt som er robust og lett nok. Ved å bruke vannjet, er det få bevegelige deler og vi kan benytte standardmodeller, sier Godø.

Flying Foil-teamet har kjørt modeller, simuleringer og CFD-beregninger (Computational Fluid Dynamics). Tunge datasimuleringer viser at vingedesignet vil gi store energibesparelser - mellom 30% og 60%, sammenlignet med dagens beste fartøyer. Prototypen som nå skal testes blir den første fysiske verifiseringen av simuleringsresultatene.

• EU bevilger 110 millioner: Sponser utvikling av norsk el-hurtigbåt

Fra flapp til vannjet

Flying Foil er fortsatt en gründerbedrift. Opprinnelig het selskapet Flapping Foil. Ideen var å bruke foiler som beveges opp og ned, som halefinner på hvaler, til framdrift. Godø og Kramer har fortsatt tro på teknologien, men fikk tilbakemelding fra markedet om at det ble for komplisert og sårbart. Hurtigbåtmarkedet var ikke klar for så dramatisk ny teknologi.

– Ved å benytte foiler slik vi gjør nå sammen med vannjet, kan vi klare en strekning på opp mot 100 kilometer og 1,5 timers seilingstid i 35 knop med batterier. Det åpner muligheten for mange hurtigbåtsrekninger, sier Godø.

Han viser til eksemplet Trondheim-Vanvikan. I dag bruker en katamaran ca. 25 minutter på strekningen med 26 knops fart, og fem minutter til å snu.

– Vi vil øke hastigheten til 35 knop og gjøre turen på 20 minutter. Da har vi 10 minutter til lading, sier Godø.

Han forklarer logikken: Effektbehovet går opp når hastighet økes, men overfartstida går ned. Da blir det bedre tid til å lade batteriet. Batteristørrelsen må tilpasses. Det må være så lite som mulig, men gi nok effekt og kunne lades på den tilgjengelige tida.

– For en hydrofoilbåt kan man designe vinger som gir lik energimengde på en overfart i 35 knop som en overfart i 26 knop. Effektbehovet blir større - samme energimengde på kortere tid - men total mengde strøm som må lades på batteriet når man er framme er altså

lik. Dette er noe som gjør hydrofoilbåter fantastisk når man snakker om nullutslippsdrift, sier Godø.

Med et konvensjonelt skrog ville energimengden ved en overfart i 35 knop være vesentlig høyere enn ved en overfart i 26 knop, selv om man også i det tilfellet endret designet for å tilpasse det til den høyere hastigheten.

– Foiler og batteristørrelse må designes og tilpasses for hvert enkelt trafikkområde for å få optimale løsninger, sier Godø.

• Verftet må betale 20 millioner: Katamaranen skremte mannskap og passasjerer

Erfaren forretningsutvikler i ryggen

Kristian Rathe er nylig hentet inn i rollen som administrerende direktør i Flying Foil. Han har lang erfaring fra NTNU Technology Transfer og kommer nå fra stillingen som sjef i et annet selskap med utspring fra NTNU, Initial Force.

– Det er veldig inspirerende å jobbe med unge og engasjerte gründere, sier Rathe.

Han forlater Initial Force, et programvareselskap etablert i 2006, etter å ha fått det over i en fase med internasjonal vekst.

Flying Foil har foreløpig vært drevet av offentlige støttemidler og med hjelp fra NTNU TTO. Rathe jobber nå med en forretningsplan og strategi som skal sikre framtida til selskapet og teknologien.

– Det er vanvittig moro å føle at hele virkemiddelapparatet heier på oss. Nå må vi sørge for å sikre finansiering og en solid inntektsmodell, sier Rathe.

Han sier at det blir viktig å få flere bein å stå på, ikke bare store enkeltsalg.

• Skal få fram ny teknologi: Fire maritime teknologiprosjekter får statstøtte (TU Ekstra)

Flere markedsområder

Kramer utdyper: – Det kan tenkes en modell der vi selger standardpakker med foildesign og styringssystem. I tillegg kan man velge å gå for en fintunet versjon der vingedesign og styringssystem er spesialtilpasset hastighet og operasjonsprofil. Med dette produktet kan man hente ut de siste potensielle prosentene med besparelse, sier Kramer.

Rathe ser også store muligheter ut over hurtigbåtmarkedet.

– Det brukes hurtiggående fartøyer både i oppdrettsbransjen, losbåtnæringen, vindserviceindustrien og i mange andre maritime industrier. Med små tilpasninger kan Flying Foils teknologi bidra til å halvere drivstoffregninga eller muliggjøre batteridrift også for disse fartøyene, sier Rathe.

– Nå er oppgaven å få Flying Foil ut av startblokkene og over til kommersiell suksess, sier Rathe.

• Utviklingskontrakt: Skal få fart på utslippsfri hurtigbåt (TU Ekstra)

Oppskalering til fullskala

Rett før nyttår fikk Flying Foil og partnerne støtte fra Pilot-E-programmet. Støtten skal gå til arbeid med dokumentasjon og klassegodkjenning av foilsystemet.

Målet nå er å få fram et fullskalafartøy i løpet av 2022.

Sogn og Fjordane fylke skal lyse ut 18 hurtigbåtanbud med oppstart i 2022. Her kommer det sterke miljøkrav. Flying Foil håper å være en sentral del av løsningen på disse kravene.

– Målet vårt er å vinne minst ett av hurtigbåtanbudene, sier Godø.

• Batteri og brenselcelle: Kan kutte utslipp fra hurtigbåter