Kjempeskip seiler som vinden blåser

Skipenes eldgamle motor, vinden, gjør nå et storstilt comeback. Med fleksible metallseil og kjempedrager vil selv gigantiske lasteskip kunne krysse verdenshavene på ren vindkraft og la de oljeslukende motorene gå av med pensjon.

Skipenes eldgamle motor, vinden, gjør nå et storstilt comeback. Med fleksible metallseil og kjempedrager vil selv gigantiske lasteskip kunne krysse verdenshavene på ren vindkraft og la de oljeslukende motorene gå av med pensjon.

Oceanbirdwallenius.com

For 5000 år siden forlot et lite folk, astroneserne, Taiwan. Takket være skip drevet av vinden kunne de reise mange tusen kilometer fra hjemstedet sitt og kolonisere store deler av Asia.

Nå skal vinden igjen endre sjøfarten.

I de siste århundrene har verdens skip først og fremst blitt drevet av fossile drivstoff – først kull og senere olje. Det fører til store miljøskader. Hvert eneste år slipper skipstransport ut 940 millioner tonn karbondioksid.

Derfor er ingeniører verden over i gang med å utvikle en ny generasjon av skip som igjen blir drevet fram av vinden. Heldigvis følger pengene med. EU har for eksempel investert 40 millioner kroner i utviklingen av vindkraft til skip under prosjektet Wind Assisted Ship Propulsion.

Seilene av lerret som har tjent sjøfarere godt i århundre, blir nå skiftet ut med blant annet loddrette flyvinger, drager og roterende sylindre. Noen skip får faktisk hele skrog utformet som flyvinger som utnytter vindens kraft.

90 prosent av alle varer har på et tidspunkt vært på et skip.

Teknologien blir allerede montert på dieseldrevne lasteskip, og om bare fem år vil de første store transportskipene krysse Atlanterhavet på ren vindkraft.

Et lasteskip sluker 200 tonn olje om dagen

Containerskip frakter alt fra nettbrett til bananer rundt på kloden, og ni av ti varer vi kjøper i butikkene, har på et tidspunkt befunnet seg om bord på et lasteskip. Propellene til de flere hundre meter lange skipene snurrer ved hjelp av kraft fra enorme motorer som er drevet av fossile drivstoff.

For eksempel er et av verdens lengste containerskip, det 397 meter lange Emma Maersk, utstyrt med en motor som veier 2300 tonn, med 14 sylindre og en maksimal yteevne på 108 640 hestekrefter. Kjempemotoren sluker 14 000 liter olje i timen.

Tyktflytende og forurensende bunkerolje er i dag lasteskipenes primære drivstoff. Det er energitett nok til å skyve de store containerskipene på tvers av verdenshavene.

Hver dag bruker lasteskip olje som svarer til en tredjedel av den daglige oljeproduksjonen i Saudi-Arabia. Sagt på en annen måte: Et typisk stort containerskip bruker omkring 200 000 liter olje daglig, noe som er nok til å dekke energiforbruket i 50 000 hjem.

Lasteskip er fortsatt både billigere og mer klimavennlige enn for eksempel flytransport. Men shippingbransjen står likevel for 2,5-3 prosent av CO2-utslippene i verden.

© Ken Ikeda Madsen

Skipsforurensning er dødelig

Lasteskip står for 2,5 prosent av verdens utslipp av drivhusgasser. Og ifølge en oversikt fra 2019 medfører luftforurensning fra skip hvert eneste år om lag 60 000 dødsfall. Det er 16 prosent av de i alt 3 370 000 dødsfallene som transport med biler, tog og skip årlig forårsaker.

FN-organisasjonen International Maritime Organization (IMO) har derfor satt som mål at utslippene av drivhusgasser fra shippingbransjen skal reduseres med minst 50 prosent i 2050 sammenlignet med 2008.

Hvis vi ikke gjør noe, risikerer vi ifølge framskrivninger at utslippene vokser med hele 50–250 prosent fram mot 2050 fordi handelen på kryss og tvers av verden stiger kraftig.

Flyvinger skyver skip

Hvis store skip skal skyves på tvers av verdenshavene uten fossile drivstoff, må ingeniørene utvikle avløseren til dieselmotoren, som dominerer skipsfarten i dag. Batterier har allerede slått igjennom på bilmarkedet, og de første 100 prosent batteridrevne skip er allerede på vannet.

Men batterier kommer likevel til kort i shippingbransjen fordi de i dag ikke kan lagre like mye energi per kilo batteri som man finner i de gigantiske skipenes oljebaserte drivstoff.

2,5 prosent av verdens utslipp av drivhusgasser stammer fra skip.

For eksempel ville det i dag kreve batterikapasiteten fra om lag 10 000 Tesla S 85-elbiler å drive et gjennomsnittlig containerskip over verdenshavene i bare én dag.

Derfor har ingeniørene i stedet begynt å se mot vindkraft. Tiden er nemlig moden til at vinden igjen kan bli skipsfartens primære motor, og det skyldes særlig bedre data og kraftigere datamaskiner. Mer presise data om vindforhold samt nye aerodynamiske former laget ved hjelp av 3D-modeller på datamaskiner gjør det nå mulig å drive store skip med vindkraft.

Den nye generasjonen av vindskip blir altså designet ved hjelp av kraftige datamaskiner som regner ut hvordan væsker eller gasser som for eksempel luft flyter over ulike overflater og vinkler og blir bremset og akselerert. Feltet kalles også computational fluid dynamics (CFD).

Dessuten bruker ingeniørene algoritmer som blir mer og mer presise jo mer data de fôres med – såkalte maskinlæringsalgoritmer.

Ved hjelp av disse algoritmene kan forskere utvikle den nødvendige presisjonen i styringsmekanismene til den nye generasjonen av seil og andre vindkraftteknologier som blir installert på lasteskip.

Et tydelig eksempel på utviklingen er den såkalte SeaWing, en drage på 1000 kvadratmeter som blir spent fast til baugen av et lasteskip og dermed drar skipet framover. SeaWing blir utviklet av firmaet Airseas, som har sitt opphav i luftfartsgiganten Airbus.

Dragen er avhengig av en kontinuerlig strøm av værdata som blir sendt fra sensorer på skipet via en 500 meter lang kabel til dragens kontrollenhet som løpende justerer posisjonen og bevegelsene ved å trekke i og slippe ut liner. Bare ved konstante små justeringer av dragens posisjon kan vindens kraft utnyttes i stedet for å bringe dragen ut av posisjon.

Dragen SeaWing har et areal på 1000 kvadratmeter og skal etter planen monteres i baugen på store lasteskip. Det vil kutte om lag 20 prosent av drivstofforbruket.

© Ken Ikeda Madsen

1. Dragen folder seg ut

Når vindretning og hastighet ligger til rette for det, aktiverer skipets kaptein dragen, som sitter i en mast på 35 meter. Dermed foldes den ut og stiger til værs.

© Ken Ikeda Madsen

2. Liner regulerer dragens posisjon

Oppe i luften regulerer en kontrollenhet dragens posisjon ved å løsne og trekke i en rekke liner. Det skjer ved hjelp av data fra skipet.

© Ken Ikeda Madsen

3. Bevegelse øker hastigheten

Dragen øker trekkraften ved hele tiden å bremse og akselerere farten. Derfor flyr den skiftevis med og mot vinden i et mønster som et liggende åttetall.

SeaWing er bare ett eksempel på en ny teknologi som låner fra flyvningens verden. Et annet eksempel er Oceanwings utviklet av franske Ayro. Oceanwings være et motor- og datastyrt seil satt sammen av to loddrette seil av metall som minner om flyvinger i formen.

Sensorer i seilet registrerer hele tiden vindens hastighet og retning, slik at en datamaskin kan beregne seilets optimale vinkel og justerer det ved hjelp av en motor.

Oceanwings skal etter planen redusere skipets brenselforbruk med opptil 42 prosent og blir testet på et 121 meter langt skip som skal frakte deler av en Ariane 6-romrakett fra Europa til Fransk Guyana i Sør-Amerika, der raketten skal sendes opp.

I Nederland arbeider ingeniører også med vertikale konstruksjoner som minner om flyvinger. Firmaet Econowind har bygget en loddrett vinge som kan svinges alt etter vindretningen, slik at den skaper den høyst mulige trykkforskjell som kan skyve skipet framover.

Firmaet Econowinds loddrette vinger skyver lasteskip fram ved hjelp av trykkforskjellen mellom sidene på vingen – samme prinsipp som flyvinger utnytter til å skape oppdrift.

© Econowind

Inne i vingen sitter en pumpe som suger litt av luften fra bakkanten av vingen inn i selve vingestrukturen og leder den ut i toppen. Det skaper et undertrykk bak vingen, noe som «suger» luften raskere forbi den, og dermed blir den samlede framdriften økt.

Vingen kan blant annet brukes på containerskip og fås i en versjon der to vinger er installert i en standarcontainer forsynt med en foldemekanisme. Dermed kan vingene klappes sammen i containeren når vinden blåser for lite eller fra feil retning – eller i tilfelle av for voldsomt vær.

Skip skrur ned motorer

Skipsingeniørene låner ikke bare fra flyvningens verden, men også fra gammel teknologi som for eksempel Flettner-rotoren, som ble funnet opp av den tyske ingeniøren Anton Flettner for om lag 100 år siden.

Selv om teknologien aldri slo igjennom den gangen, var han faktisk inne på noe: I dag gjør de såkalte Flettner-rotorene comeback som en del av den nye generasjonen av vindskip.

En Flettner-rotor utnytter et fysisk fenomen som kalles magnuseffekten. Effekten oppstår når luften treffer en sylinder eller kule som roterer om sin egen akse. På den siden der sylinderen beveger seg i samme retning som vinden, vil vinden akselerere. På den motsatte siden vil vinden bremse opp.

Vindens akselerasjon og oppbremsing på de to sidene skaper et overtrykk på den siden hvor vinden bremser opp, og kulen eller sylinderen blir derfor skjøvet i retning av den siden der hvor vinden akselererer.

Overtrykket kan utnyttes på skip der ingeniører installerer loddrette, roterende sylindre som skaper framdrift når vinden treffer dem fra siden.

© Scandlines

Vindsøyler driver skipet

Fergen M/F Copenhagen har blitt utstyrt med en roterende sylinder kalt en Flettner-rotor. Rotoren gir skipet framdrift når vinden treffer den fra siden.

© Ken Ikeda Madsen

1. Vinden treffer rotoren

Vinden treffer rotoren vinkelrett i forhold til seilretningen. Rotorens forreste del beveger seg med vinden, mens den bakerste beveger seg mot vinden.

© Ken Ikeda Madsen

2. Rotasjon skaper trykkforskjell

Sylinderens omdreininger akselererer vinden forbi den forreste delen og bremser vinden forbi den bakerste delen. Da vinden beveger seg langsommere bak om rotoren, skapes det et overtrykk her.

© Ken Ikeda Madsen

3. Vindsøyle gir framdrift

Overtrykket bak rotoren skyver til sylinderen og øker skipets framdrift. Kapteinen kan derfor skru ned motorene og dermed spare drivstoff uten å senke hastigheten.

For eksempel har den tyske vindmølleprodusenten Enercon installert fire rotorer på transportskipet E-Ship 1, og det største shippingfirmaet i verden, Maersk, har installert to rotorer på skipet Maersk Pelican.

Magnuseffekten opptrer for eksempel også når en tennisball flyr gjennom luften og roterer underveis. Ballens rotasjon akselererer luften forbi den ene siden og bremser luften på den andre. Forskjellen på luftens hastighet skaper et overtrykk på den ene side av ballen og et undertrykk på den andre siden.

Dermed blir ballen trukket i retning av siden med undertrykk, og resultatet er for eksempel at en ball som sett ovenfra roterer baklengs i forhold til retningen, vil sveve oppover i luften. Magnuseffekten finner sted i både gasser som for eksempel luft og væsker som for eksempel vann.

Vindkraften overtar

Fellesnevneren for de fleste vindteknologiene som i dag blir installert på store lasteskip, er at de sparer oljedrevne skip for drivstoff, men ikke gjør skipene 100 prosent vinddrevne. Det vil endre seg i løpet av de neste fem årene.

Særlig i Norden arbeider ingeniører nemlig for å konstruere nye typer av skip basert kun på vindkraft. Et framtredende eksempel er norske Vindskip, der én stor, loddrett flyvinge bruker trykkforskjellen mellom to sider til å skape framdrift – også når vinden kommer fra en retning der den normalt ville bremse skipet.

🎬 Vindskip er formet som én stor flyvinge

Vindskip vil derfor kunne seile ved kraftig redusert motorkraft mye av tiden og dermed spare opp mot 60 prosent av drivstoffet sammenlignet med oljedrevne lasteskip.

Mens Vindskip går et stort stykke av veien mot klimanøytral skipsfrakt, vil svenske Wallenius Marine gå stort sett hele veien med skipet Oceanbird.

Det 200 meter lange og 40 meter brede lasteskip skal etter planen krysse Atlanterhavet på 12 dager drevet utelukkende av vind. Skipet ventes klart til seilas i 2024 og vil kunne frakte opptil 7000 personbiler.

Skipet er utstyrt med teleskopseil som på 80 meter i full høyde, noe som gir fartøyet en høyde på 105 meter. Seilene er produsert av stål og komposittmaterialer, typisk basert på glassfiber.

De kan rotere 360 grader for å optimere framdriften i forhold til vindretningen, og takket være oppbygningen i fire motorstyrte teleskopledd kan seilene trekkes sammen til en samlet høyde på 45 meter i tilfelle av uvær eller når skipet for eksempel skal passere under en bro.

Oceanbird er utstyrt med en hjelpemotor som blant annet kan assistere fartøyet under utseiling fra havn, men den vil ifølge Wallenius Marine også bli basert på grønn teknologi, men hvilken er foreløpig ikke kjent.

🎬 Se verdens største seilskip i aksjon

Ingeniørene som står bak skipet, mener at Oceanbird vil kunne spare 90 prosent av CO2-utslippene sammenlignet med et fossildrevet skip av tilsvarende størrelse. Sveriges finansminister sa på slutten av 2020 at han gjerne ser en hel «armada» av skip i stil med Oceanbird overta transporten på verdenshavene.

Og det kan se ut til at ønsket hans begynner å gå i oppfyllelse.

I hvert fall viser en rapport laget for det britiske samferdselsdepartementet at helt opptil 45 prosent av den globale flåten – 40 000 skip – vil bli drevet fram ved hjelp av vindkraft i år 2050.