Kæmpeskibe sejler som vinden blæser

Skibenes ældgamle motor, vinden, gør i disse år et storstilet comeback. Med fleksible metalsejl og kæmpedrager vil selv gigantiske fragtskibe kunne krydse verdenshavene på ren vindkraft og sende de olieslugende motorer på pension.

Skibenes ældgamle motor, vinden, gør i disse år et storstilet comeback. Med fleksible metalsejl og kæmpedrager vil selv gigantiske fragtskibe kunne krydse verdenshavene på ren vindkraft og sende de olieslugende motorer på pension.

Oceanbirdwallenius.com

For 5000 år siden forlod et lille folk, astroneserne, sit hjemsted, Taiwan. Takket være skibe drevet af vinden nåede de som de første mange tusind kilometer væk fra deres hjemstavn og koloniserede store dele af Asien.

Nu skal vinden igen ændre søfarten.

I de seneste århundreder er verdens skibe primært blevet drevet af fossile brændstoffer – først kul og siden olie. Det koster på miljøet. Hvert eneste år udleder skibstransport 940 millioner tons kuldioxid.

Derfor er ingeniører verden over i gang med at udvikle en ny generation af skibe, der igen sejler med vindens kraft. Heldigvis følger pengene med. Den Europæiske Union, EU, har for eksempel skudt 40 millioner kroner i udviklingen af vindkraft til skibe under projektet Wind Assisted Ship Propulsion.

Sejlene af lærred, der har tjent søfarere godt i århundreder, bliver nu skiftet ud med bl.a. lodrette flyvinger, drager og roterende cylindre. Nogle skibe får endda hele skrog udformet som flyvinger, der udnytter vindens kraft.

90 pct. af alle varer har på et tidspunkt været på et skib.

Allerede i dag bliver teknologierne monteret på dieseldrevne fragtskibe, og om blot fem år vil de første store transportskibe krydse Atlanten på ren vindkraft.

Et fragtskib sluger dagligt 200 tons olie

Containerskibe fragter alt fra iPads til bananer rundt på kloden, og ni ud af ti varer, vi køber i butikkerne, har på et tidspunkt befundet sig ombord på et fragtskib. De flere hundrede meter lange skibe snurrer deres skruer rundt i vandet ved hjælp af enorme motorer, der er drevet af fossile brændstoffer.

For eksempel er et af verdens længste containerskibe, det 397 meter lange Emma Maersk, udstyret med en 2300 tons tung motor med 14 cylindre og en maksimal ydeevne på 108.640 hestekræfter. Kæmpemotoren sluger 14.000 liter olie i timen.

Tyktflydende og forurenende såkaldt bunkerolie er i dag fragtskibenes primære brændstof, fordi kun dét er energitæt nok til at skubbe de store containerskibe på tværs af verdenshavene.

Hver dag slubrer fragtskibe olie svarende til en tredjedel af den daglige olieproduktion i Saudi-Arabien. Sagt på en anden måde bruger et typisk stort containerskib omkring 200.000 liter olie dagligt, hvilket er nok til at dække energiforbruget i 50.000 hjem.

Fragtskibe er stadig både billigere og mere klimavenlige end for eksempel flytransport. Men shippingbranchen står alligevel for 2,5-3 procent af CO2-udledningen på verdensplan.

© Ken Ikeda Madsen

Skibsforurening er dødelig

Fragtskibe står for 2,5 procent af verdens årlige udledning af drivhusgasser. Og ifølge en opgørelse fra 2019 medfører luftforurening fra skibe hvert eneste år ca. 60.000 dødsfald på verdensplan. Det er 16 procent af de i alt 3.370.000 dødsfald, som transport med biler, tog og skibe årligt forårsager.

FN-organisationen International Maritime Organization (IMO) har derfor sat som mål, at udledningen af drivhusgasser fra shippingbranchen skal reduceres med mindst 50 procent i 2050 sammenlignet med 2008.

Hvis vi ikke sætter ind, risikerer vi ifølge fremskrivninger, at udledningen vokser med hele 50-250 procent frem mod 2050, fordi handlen på kryds og tværs af verden er kraftigt stigende.

Flyvinger skubber skibe frem

Hvis store skibe skal skubbes på tværs af verdenshavene uden fossile brændstoffer, skal ingeniørerne udvikle afløseren til dieselmotoren, som dominerer skibsfarten i dag. Batterier er allerede slået igennem på bilmarkedet, og de første 100 procent batteridrevne skibe er også stævnet ud.

Men batterier kommer alligevel til kort i shippingbranchen, fordi de i dag slet ikke kan opnå det høje energiindhold pr. kilogram batteri, som man finder i de gigantiske skibes oliebaserede brændstof.

2,5 pct. af verdens udledning af drivhusgasser stammer fra skibe.

Eksempelvis ville det i dag kræve batterikapaciteten fra ca. 10.000 Tesla S 85-elbiler at drive et gennemsnitligt containerskib over verdenshavene i bare én dag.

Da batterierne ikke rækker, er ingeniørerne i stedet begyndt at kigge mod vindkraft. Tiden er nemlig nu moden til, at vinden igen kan blive skibsfartens primære motor, og det skyldes især bedre data og kraftigere computere. Flere og mere præcise data om vindforhold samt nye aerodynamiske design lavet ved hjælp af 3D-modeller på computere gør det nu muligt at drive store skibe frem ved vindkraft.

Den nye generation af vindskibe bliver således designet ved hjælp af kraftige computere, der udregner, hvordan væsker eller gasser som for eksempel luft flyder hen over forskellige overflader og vinkler og bliver bremset og accelereret. Feltet kaldes også computational fluid dynamics (CFD).

Derudover bruger ingeniørerne algoritmer, som bliver mere og mere præcise, til at lave udregninger, jo flere data de fodres med – de såkaldte machine learning-algoritmer.

Ved hjælp af disse kan forskere udvikle den nødvendige præcision i styringsmekanismerne til den nye generation af sejl og andre vindkraftteknologier, som bliver installeret på fragtskibe.

Et tydeligt eksempel på udviklingen er den såkaldte SeaWing, en drage på 1000 kvadratmeter, der bliver spændt fast til forenden af et fragtskib og dermed hiver skibet fremad. SeaWing bliver udviklet af firmaet Airseas, som er udsprunget af luftfartsgiganten Airbus.

Dragen er afhængig af en kontinuerlig strøm af vejrdata, som bliver sendt fra sensorer på skibet via et 500 meter langt kabel ud til dragens kontrolenhed, der løbende justerer positionen og bevægelserne rundt på himlen ved at trække i og lade linerne løbe. Kun ved konstante, små justeringer af dragens position kan vindens kraft udnyttes i stedet for at bringe dragen ud af position.

Dragen SeaWing har et areal på 1000 kvadratmeter og skal efter planen monteres i stævnen på store fragtskibe. Det vil skære ca. 20 procent af deres brændstofforbrug.

© Ken Ikeda Madsen

1. Dragen folder sig ud

Når vindretning og hastighed er den rette, aktiverer skibets kaptajn dragen, der sidder i en mast på 35 meter. Dermed foldes den ud og stiger til vejrs.

© Ken Ikeda Madsen

2. Liner regulerer dragens position

Oppe i luften regulerer en kontrolenhed dragens position ved at løsne og trække i en række liner. Det sker ved hjælp af data fra skibet.

© Ken Ikeda Madsen

3. Bevægelse øger hastigheden

Dragen øger sin trækkraft ved konstant at bremse og accelerere sin fart. Derfor flyver den skiftevis med og mod vinden i et mønster som et liggende ottetal.

SeaWing er blot ét eksempel på en ny teknologi, der låner fra flyvningens verden. Et andet eksempel er Oceanwings udviklet af franske Ayro. Oceanwings er et motor- og computerstyret sejl sammensat af to lodretstillede sejl af metal, der minder om flyvinger i formen.

Sensorer i sejlet registrerer konstant vindens hastighed og retning, hvorefter en computer beregner sejlets optimale vinkel og justerer det ved hjælp af en motor.

Oceanwings skal efter planen reducere skibets brændstofforbrug med op til 42 procent og bliver testet på et 121 meter langt skib, som skal fragte dele af en Ariane 6-rumraket fra Europa til Fransk Guyana i Sydamerika, hvorfra raketten skal opsendes.

I Holland arbejder ingeniører ligeledes med opretstående konstruktioner, der minder om flyvinger. Firmaet Econowind har bygget en lodret vinge, der kan drejes alt efter vindretningen, så vingen skaber den højest mulige trykforskel, der kan skubbe skibet fremad.

Firmaet Econowinds lodrette vinger skubber fragtskibe frem vha. trykforskellen mellem vingernes sider – samme princip, som flyvinger udnytter til at skabe opdrift.

© Econowind

Inde i vingen sidder en pumpe, som suger noget af luften fra vingebagkanten ind i selve vingestrukturen og leder den ud i toppen. Det skaber et undertryk bag vingen, hvilket “suger” luften hurtigere forbi den, og dermed bliver den samlede fremdrift øget.

Vingen kan bl.a. bruges på containerskibe og fås i en version, hvor to vinger er installeret i en fyrrefodscontainer forsynet med en foldemekanisme. Dermed kan vingerne klappes sammen i containeren, når vinden blæser for lidt eller fra den forkerte retning – eller i tilfælde af for voldsomt vejr.

Skibe skruer ned for motorer

Skibsingeniørerne låner ikke kun fra flyvningens verden, men også fra gamle, kasserede teknologier som for eksempel Flettner-rotoren, som blev opfundet af den tyske ingeniør Anton Flettner for ca. 100 år siden.

Selvom teknologien aldrig slog igennem dengang, havde han faktisk fat i noget: I dag får de såkaldte Flettner-rotorer comeback som en del af den nye generation af vindskibe.

En Flettner-rotor udnytter et fysisk fænomen kaldet magnuseffekten. Effekten opstår, når luften rammer en cylinder eller kugle, der roterer om sin egen akse. På den side, hvor cylinderen drejer i samme retning som vinden, vil vinden accelerere. På den modsatte side vil vinden bremse op.

Vindens acceleration og opbremsning på de to sider skaber et overtryk på dén side, hvor vinden bremser op, og kuglen eller cylinderen bliver derfor skubbet i retning af den side, hvor vinden accelererer.

Overtrykket kan udnyttes på skibe, hvor ingeniører installerer lodrette, roterende cylindre, som skaber fremdrift, når vinden rammer dem fra siden.

© Scandlines

Vindsøjler driver skibet frem

Færgen M/F Copenhagen er blevet udstyret med en roterende cylinder kaldet en Flettner-rotor. Rotoren giver skibet fremdrift, når vinden rammer den fra siden.

© Ken Ikeda Madsen

1. Vinden rammer rotoren

Vinden rammer rotoren vinkelret i forhold til sejlretningen. Rotorens forreste del drejer med vinden, mens den bagerste drejer mod vinden.

© Ken Ikeda Madsen

2. Rotation skaber trykforskel

Cylinderens omdrejninger accelererer vinden forbi den forreste del og bremser vinden forbi den bagerste del. Da vinden bevæger sig langsommere bag om rotoren, skabes der her et overtryk.

© Ken Ikeda Madsen

3. Vindsøjle giver fremdrift

Overtrykket bag rotoren skubber til cylinderen og øger skibets fremdrift. Kaptajnen kan derfor skrue ned for motorerne og dermed spare brændstof uden at sænke hastigheden.

For eksempel har den tyske vindmølleproducent Enercon installeret fire rotorer på deres transportskib E-Ship 1, og det største shppingfirma i verden, Maersk, har installeret to rotorer på skibet Maersk Pelican.

Magnuseffekten optræder for eksempel også, når en tennisbold flyver gennem luften og drejer rundt undervejs. Boldens rotation accelererer luften forbi den ene side og bremser luften på den anden. Forskellen på luftens hastighed skaber et overtryk på den ene side af bolden og et undertryk på den anden side.

Dermed bliver bolden trukket i retning af siden med undertryk, og resultatet er for eksempel, at en bold, der set oppefra drejer baglæns ift. sin retning, vil svæve opad i luften. Magnuseffekten finder sted i både gasser som for eksempel luft og væsker som for eksempel vand.

Vindkraften overtager

Fællesnævneren for de fleste vindteknologier, der i dag bliver installeret på store fragtskibe, er, at de sparer oliedrevne skibe for brændstof, men ikke gør skibene 100 procent vinddrevne. Det vil ændre sig i løbet af de næste fem år.

Især i Norden arbejder ingeniører nemlig på at konstruere nye typer af skibe baseret rent på vindkraft. Et fremtrædende eksempel er norske Vindskip, hvor én stor, lodret flyvinge bruger trykforskellen mellem sine to sider til at skabe fremdrift – også når vinden kommer fra en retning, hvor den normalt ville bremse skibet.

🎬 Vindskip er formet som én stor flyvinge

Vindskip vil derfor kunne sejle ved kraftigt reduceret motorkraft meget af tiden og dermed spare op mod 60 procent af brændstofforbruget sammenlignet med oliedrevne fragtskibe.

Hvor Vindskip går et stort stykke af vejen mod klimaneutral skibsfragt, vil svenske Wallenius Marine gå stort set hele vejen med skibet Oceanbird.

Det 200 meter lange og 40 meter brede fragtskib skal efter planen krydse Atlanterhavet på 12 dage drevet udelukkende af vind. Skibet ventes klar til sejlads i 2024 og vil kunne fragte op til 7000 personbiler.

Skibet er udstyret med teleskopsejl, der i udfoldet tilstand er 80 meter høje og giver fartøjet en højde på 105 meter. Sejlene er fremstillet af stål og blandingsmaterialer, typisk baseret på glasfiber.

De kan rotere 360 grader om sig selv for at optimere fremdriften i forhold til vindretningen, og takket være opbygningen i fire motorstyrede teleskopled kan sejlene trækkes sammen til en samlet højde på 45 meter i tilfælde af hårdt vejr, eller når skibet for eksempel skal sejle under en bro.

Oceanbird er udstyret med en hjælpemotor, som bl.a. kan assistere fartøjet under udsejling fra havn, men den vil ifølge Wallenius Marine også blive baseret på grøn teknologi, hvilken er dog stadig uvist.

🎬 Se verdens største sejlskib i aktion

Ingeniørerne bag skibet mener, at Oceanbird vil kunne spare 90 procent af CO2-udledningen sammenlignet med et fossildrevet skib af tilsvarende størrelse. Sveriges minister for finansielle markeder sagde i slutningen af 2020, at han gerne ser en hel “armada” af skibe i stil med Oceanbird overtage transporten på verdenshavene.

Og noget tyder på, at hans ønske begynder at gå i opfyldelse.

I hvert fald viser en rapport lavet for det britiske transportministerium, at helt op til 45 procent af den globale flåde – 40.000 skibe – vil sejle ved hjælp af vindkraft i år 2050.