De zeilvaart van de toekomst

Lezingen gehouden ter gelégenheid

van de opening van dé

Tentooñste1-ling:

"DE ZEILVAART VAN DE TOEKOMST"

bij de stichting "Energie Anders"

op ii Augustus 1986 te Hoek van:

Holland,door:

prof..jr. J. Gerritsma, Drs. P. Ne1issen en

Air Commodore

Nance

Rapportno.. 721-P

Doift UnIversity of Technology Ship Hydromechaniaborateiy Mekelweg 2 2628 CD Deift The Netherlands. PhoneOl5-786852 '-4

TOESPRAA1( PROF IR J. GERRITSMA,TU-DELFT

ZEILVAART VAN DE TOEKOMST, ii AUGUSTUS 1986

WINDVOORTSTIJW1NC VOOR KOOPVAARDIJSCHEPEN.

De belangstelling voor windvoortstuwing van moderne koopvaardijschepen is ongeveer tien jaar geleden ontstaan. Er zijn sinds die tijd drie grote internationale symposia over dit onderwerp gehouden en in de technisch-wetenschappeiijke lit'eratuur verschijnen de laatste jaren vrij regelmatig publikaties op dit gebied.

Het besef dat de voorraad fossiele brandstoffen op deze wereld eindig is en, meer nog, de enorme stijging van de brandstofkosten, tot zéèr kort geleden, was de oorzaak van die .interesse: de wind kost niets en is onuitputtelijk.

Technisch ontwikkelingswerk in Japan met overheidssteun leidde al in 1980 tot praktische toepassing van hulpzeilvoortstuwing op een 1600 tons tanker en eigenlijk is alleen in dat land met voldoende systematiek verder gewerkt aan het gebruik van windenergie ten behoeve van koopvaardijschepen.

Het direkte belang van deze ontwikkeling voor de scheepvaart in 't algemeen moet overigens niet overschat worden,, want reders Mk in Nederiand hebben in de afgeiopen jaren in hoofdzaak op een andere manier met sukses

gereageerd op de stijging van de exploitatiekosten van hun schepen:

langzamer varen, met meer efficiente voortstuwingsinstallaties resulteerden soms in brandstofbesparingen van 50%. Zeer grote investeringen zijn gedaan om dit te bereiken.

Het Japanse onderzoek leidde tot hulpzeilvermogen, (Sail assisted ships) dus niet tot zeilschepen met huipmotor.

Dit belangrijke uitganspunt hangt samen met de eisen ten aanzien van reisduur en verwachte aankomsttijden die biijkbaar in de meeste gevallen wat dueze keuze betreft een dominante rol spelen.

In dit verband is op te merken dat de overgang van zeil naar stoom meer dan een eeuw geleden, door twee faktoren sterk werd bevorderd: ten eerste de uoodzaak om minder van weer en wind afhankelijk te zijn en ten tweede de beperking van het aantal bemanningsleden.

Er zijn uiteraard meer voorwaarden voor een suksesvolle toepassing van windvoortstuwing op moderne schepen: veiligheid., stabiliteit en

manoeuvreerbaarheid moeten niet aangetast worden door toepassing van windenergie.

Er waren tot voor kort nog steeds voorstanders van een moderne versie van het 19e eeuws dwarsgetuigde vrachtschip, gebruik makend van modern

materiaal voor zeilen, touwwerk lieren enz. technisch is dat uiteraard geen probleem maar het toch nog grote aantai bemanningsieden dat voor zo'n schip nodig is zou kornmercile toepassing in deze tijd onmogelijk maken.

Er zijn ook meer geavanceerde ontwerpen voor een dergelijk zeilschip gelanceerd, met name door Duitse technici, waarbij vergaande mechanisatie van de zeilbehandeling is voorzien.

Maar een dergelijk vrachtschip is nog niet gebouwd.

Nieuwe ontwikkelingen van soms oude vindingen om wind in stuwkracht om te zetten moeten hier genoemd worden. In de literatuur zijn daar vele

theoretische beschouwingen aan gewijd.

Flettner rotoren, vertikaal opgestelde draaiende cylinders, zijn en worden gebruikt in piaats van meer konventionele zeilvormen. Nieuw is het iêdee van de "aspirated wing", ook "turbosail" genoemd, dat door Cousteau op de

30 meter lange "Aicyone" is toegepast..

He-t "Wal-ker--wngsa-i-1" is eeneffekti-- . - '. 'e 1 aa opges elde starre vieugels met een hoge lift produktie. Op het In 1985 gehouden

"WindTech symposium in Southampton is 66k het voorttrekken van vaartuigen door vliegers aan de orde geweest.

De praktijkgegevens van vnl. Japanse koopvaardijschepen met

huip-zeilvoortstuwlng hebben tot dusver aangetoond dat een gemiddelde brandstof besparing van ongeveer 15% haalbaar is. Dat zou bij een olieprijs van $ 30 per vat opwegen tegen de meerderekosten veroorzaakt door het zeiltuig en

de automatische bedi'ening daarvan.

Tot dusver zijn 14 Japanse schepen met hulp-zeiivoortstuwing uitgerust waaronder een Bulk-carrier van 26000 tdw: de tisuki Pioneer en een bulkcarrier Aqua City van 31000 ton onder Liberiaanse viag.

Intussen , zoals u bekent zal zijn, zakte de olieprijs met een faktor 3

en wat is daarmee op het nivo van vr 1973 terecht gekomen. Sinds 2 weken geleden is de prijs weer gestegen.

Het is moeilijk te zeggen wat daarvan de Jinvloed zal zijn op deze technische ontwikkeiing, die nu echter op langere termijn bezien moet

worden.

Zoals 1k al zel wordt in de meeste gevalien gekozen voor huipzei1vermogen, dwz., de scheepsmachine levert het grootste deel van de stuwkracht.

Optimale routering, waarbij de voorde].igste route wordt bepaald i.v.m. het

verwacht weer en golfbeeld, geeft voor schepen met huip-zeilvermogen ekstra voordelen, zoals bleek uit een recente studie uitgevoerd door de vakgroep hydronautica van de TU-Deift.

De Japanse.toepassingen van hulpzeilvermogen hebben betrekking op nieuw gebouwde vrachtschepen en tankers, maar er zijn flu ook plannen om schepen die vracht- en passagiers vervoeren tussen de eilanden in Indonesie en tussen de Fiji-eilanden met zeilen uit te rusten. Met overheidssteun zijn daar twee projekten op dit gebiedaangepakt.

Aan de hand van een aantal konkrete uitgevoerde projekten wil 1k. nagaan wat er nu in de praktijk gerealiseerd is. Japan startte het onderzoek met een schaalmodel (1:15) van een 480.000 tons tanker, dat toevallig beschikbaar was (L=26, A=160 ton). Er zijn verschillende typen zeilen op beproefd. De resultaten waren zo bemoedigend dat in 1980 een 1600 T tanker, uitgerust met 2 zeilen van elk 100 m2, de "Shin Aitoku Maru", in de vaart werd gebracht sneiheid 12 knopen, 7 bemanningsleden, geautomatiseerd zeituig,

zie figuur 1.

Het is nu een bekend parade paardje, waarmee intussen 5 jäar praktijk

ervaring is opgedaan..

Het schip vaart van Japan naar China en Korea en gebruikt in 60% van de vaartijd hulpzeilvermogen. De beoogde 15% brandstofbesparing wordt in de praktijk ruimschoots gehaald en bovendien bleek een aanzienlijke reduktie van de slingerbeweging van h'et schip door de dempende werking van de zeilen (vergelijk de overgang zeil-stoom!). Ook dat bespaart brandstof, waarop niet gerekend was. Stabilitelt, manoevreerbaarheid en veiligheid bleken ruim voldoende en er zijn geen extra bemanningsleden nodig om de zéilen te bedienen: dat gaat automatisch, zie figuur 1. De konstruktie van de zeilen bestaat ult plaatstaal, stalen konstruktle en zeildoek; die bleek goed te voldoen in de afgelopen 5 jaar. Met name het zeild:oek bleek beter bestand

tegen de invloed van zeelucht en atmosferische invloeden d:an verwacht was.

Figuur 2 Iaat zien dat de motor zodanig geregeld wordt dat de totale output van motor en zeilen konstant is, waarbij het minimum motor vermogen op 50% gehandhaafd blijft. Dat geeft een sneiheid van 12 knopen voor

windsnelheden 20 rn/s.

Voor zover mij bekend vaart er nu een tiental schepen met dit systeem. De

!'kqncity"

: :' - ' 1kcrricr van

verwacht 10-30% brandstofbesparthg. Maar op de eerste reis was het

resultaat te].eurstellend omdat de zeilen maar 20% van de vaartijd gebruikt konden worden. Op de 2e reis (japan - Vancouver) werden de verwachtingen

echter overtroffen (p..' 30%).

Er is, in Japan ook een viertal schepen uitgerust met siappe zeilen, maar daarover is mij geen techni'sche informatie bekend. Waarschijnlijk betreft het hier hulpzeilvermogen op bestaande schepen.

Het Indosail projekt is een recent Indonesisch-Duits onderzoek naar zeilvoortstuwing met hulpmotor voor schepen die vracht en passagiers

vervoeren tussen de indonesische eilanden. De hulpmotor dient voor het manoevréren in haven e.d., als v.00rtstuwing bij te weinig wind en nood

situaties zie algemeen plan figuur 3.

Blijkbaar is in die streken een strak tijdschema van lets minder belang en ligt het accent op zeilvoortstuwing.

Er is een proefschip gebouwd met L=50 rn, 500 TDW, zeilopperviak 1200 m2, dieselelektrische voortstuwing 130 kW, geschikt voor vracht en passagiers Het prototype zou flu klaar moeten zijn en zal een jaa.r lang praktijk

gegevens leveren.

Men plant een vloot van deze schepen met lengten tot 80m door modulen toe te voegen zie figuur 4.

De zellen zijn van polyacril-nitril dat blijkbaar goed bestand is tegen ultra violet licht. Konstruktie zêil lijk.t weinig geavanceerd maar is dat wel. Dit is een interessant projekt met een goede technische voorbereiding waarover o a vorig jaar op het windtech symposium in Southampton uitvoerig werd gerapporteerd.

Een ander projekt van meer bescheiden omvang is het aanbrengen van hulpzellvermogen op bestaande motorschepen die vrachtpassagiers en yee tussen de Fiji-eilanden vervoeren, gesteund door de regering aidaar en uitgevoerd door een engels ingenieursburo met behuip van de universiteit van Southampton.. Het proefschip was 27 meter lang met 274brt. De zeilen zijn mechanisch oprolbaar en het strijken van 225 m2 zeil vergde siechts

4.5 minuut.

Men claimt 20-30% brandstofbesparing en minder zeeziekte van passagiers en dieren aan boord. Een nàdeel zou zijn dat niet zeezieke passagiers meer rulmte in beslag nemen. Het turbosail of apsirated wing wordt thans door de groep Cousteau in de pratijk beproefd. Er zijn blijkbaar piannen om dit systeem op een vrachtschip toe te passen, maar daar is geen technische informatie over bekend. Naar mijn mening is dit een veelbelovende innovatie die praktisch toepasbaar is.

Het principe wordt verduidelljkt in figuur 5: het heeft enige geiijkenis met een Flettner rotor.

Het turbosail draait niet kontinue rond, zoals de Flettner rotor, maar aan de lijzijde wordt door openingen in de mast lucht weggezogen waard'oor het onsymmetrische stromingsbeeid lijkt op dat van de Flettner rotor.

Toepassing van een Flettner rotor op de Clipper Patricia, zie figuur 6. (vracht tussen Florida en de Bahama's) Effèktiviteit: geproj. opp. is 1/5 van vergelijkbaar konventioneel zeil.

Windturbines of windmolens als voortstuwing op schepen zijn uitvoerig besproken, vooral in de éngelse vakpers. In theorie zou dit veel voordelen bieden: men kan ook recht tegen de wind varen.

'Er is een praktische proef uitgevoerd met een 8 m catamaran, zie figuur 7. men kan met 4 knooptegen een wind van 20 knopen in varen. met de wind mee was dat 7 knopen.

Toepassing op koopvaardij schepen lijkt moeilijk vanwege de aanzientiijke afmetingen van de rotorbiaden en 'de dynamische effekten bij het varen in zeegan.

4

windvoorstuw.ing van koopvaardij-schepen vrijwel niet.s gepresteerd-. Op

theoretisch gebied is er wel het een en ander gebeurd. De .vakgroep hydronautica van de TU-Delft heeft methoden ontwikkeld om prestatie

berekeningen.voor koopvaardij-schepen met :zeilên ult te kunnen voeren. Die zij:n onder meer gebaseerd ,p experimenteel modeionderzoek dat nodig is om de hydrodynamische reakties van het schip als gevoig van de zeil'krachten te bepalen. Zeer recent is er de mogelijkheid om optimale routering van dit soort schepen uit te voeren, zoals ik al meidde.

Het huidige niveau van de olieprijs is geen stimulans voor reders om een praktische experiment ult te voeren, maar aan de andere kant iijkt bet niet verstandig om de ontwikkeiing van huipwindvoorstuwing geheel aan anderen (99% Japan) over te laten. Wat techniek betreft: stilstand- achteruitgang.

Misschien moet de rnogelijkheid om met. overheidssteun net als in japan, een

proefprojekt op bet gebied van de hulpwindvoortstuwing aan te pakken Onderzocht worden om in samenwerking met een geinteresseerde reder te profiteren van de ervaringen die elders zijn opgedaan. Wij zouden op die manier.misschien een beetje de ontwikkeiingen in de toekomst wat aktiever kunnen volgen, praktische erv.aring kunnen opdoen en technisch beterbij blijven op dit gebied.

De theoretische kennis die op de TU Deift en eldcrs in ons land aanwezig is staat ter beschikking.

Ingeklapie zeilen ...

mast

draaitafei

motor

windsnelheid

en -fiChtingsmeter

hef boom voor het

uitvouwen en

inklappen van

hydraulische

cilinder

verticale stang

bovendek

MOroQ ZEILE Q

4VN

AI Tok l) HIU

canvas

scharnier

8taal

sta!en frame

Ships Speed

:Constant

Acceleratiôn

Total Output

T

/

/

REGELr

N

I V M STU W k R CftT DCO Q ZE/ LE

50%

MCO

0

/

/

/

/

/

/

/

I

__0

/

/

/

Wind Speed.,,.

20 rn/s

oI %A4

Q5

..-

-..

'-....1-'

.

...

I

II

LOCAL AEROOYN.PRESS.DIFF.

LOCAL RAD.OF SAIL PROFILE

HORIZ. SAIL-CLOTH TENSION

RADIUS OF LEECH ROPE CURVE

LEECH ROPE TENSION FORCE

LUFF ROL1ER TENSION FORCE

p

F zrp

0 10 30 hO 30 60 70 00 90m

directioh of air flow

PRticiP

frf'GNV5IFFECT

_CFLETTHER

I?oTo)

CL1PPR ' PATRICI,

FWQIDA .BAHA?IAS

L

13

p=35

3.2o

hi

foYor

iU

HAC 4SORPt"7

General arrangement.

of ReveIation

WJ4DfrzoL4vooØ5rUaYN4

VAt4

86/537, 6./MLS2 PM/nv 1

Dr-s. P. Melissen, medewerker van het Maritiem Economisch Research In&tituut

ECONOMISCHE ASPECTEN WINDVOORTSTUWING

Inleiding

U-itgangspunt van connne-rciële scheepvaart is dat er lading vervoerd wordt tussen A en B, .tegen een zo iaag mogelijke kostprij,s (wie daar-van het meest profiteert doet hier niet ter zake) en binnen een daar-van

te voren afgesproken termijn.

V66r de uitvinding -van de stoommachine en later de verbrandingsmótOr vond iedere scheepvaart plaa-ts met behuip van ofwel windkracht ofwel menskracht.

Bij de opkomst van de stoommach-ine dienden deze in eerste instantie ais hulpvoortstuwing voor de zeiivaart (sic) om later het zell geheel naar de plezlervaart en de nostalgie te verd-ringen. Hierdoor werd de

stoommachine en later de dieselmotor gemeengoed.

In de tijden dat bunkErolie een residu produkt was, de raffinade-rtjen blij wa-ren dat ze van het spul verlost waren en in reders

rede-lijk tevreden a-fnemers- vonden was- de vermogensinbouw in schepen geen

probleem. Stoomturbines to.t 60.000 SlIP en dieselmotoren met meer dan 40.000 BHP waren de voorstuwers van tankers, bulkcarriers- en- grote

containerschepen. -

-BiJ de ee-rste golf van olieprijsverhogingen in js973

scheepvaart met een zekere vertraging, de slechte

bracht een aantal reders er toe hun schepen langzamer t

-maa-r struktureel veranderde er niet veel, -temeer ook om bouw orderportefeuille tot 1977 geheel gev-uld- was.

Dat veranderde in 1978/79 waar bunkerprijzen het vijftienvoudige

-niveau van- 1973 bereikten. Bovendien verslechterde de kwaliteit van residu olie om een aantal redenen aanzienlljk, zodat er toen over een

bunkercrisis gesproken kon worden-.

-En die periode werd brandstofbesparing wel een strukturele aangelegen-reageerde de

vrachtenmarkt e laten varen, da-t de

86/537, 6./MLS2 PM/nv

door dieselmotoren vervangen, en ook dieselmotoren zeif maakten qua verbruiksontwikkeling een stormachtige ontvikkeling. door die in een

enkel geval zeif a tot diesel naar diesel conversie geleid beef t.

Ook het onderzoek van de acheepsvorm beef t aanzienhijke .brandstofbe-sparingen kunnen bewerkstelligen, terwijl verbeterde. schroeven en zelfs speciale verfsoorten een forse steen hebben bijgedragen.

Grosso modo zijn besparingen van 100% voor vergelijkbare scheepstypen over een periode van Ca. 10 jaar gerealiseerd.

De beide oliecrises hebben uiteraard ook de belangstelling voor struk-tureêi andere voortstuwing veer nieuw leven ingeblazen. Het onderwerp

van hedenmorgen is daar het meest sprekende. voorbeeld van.

Economische criteria

Wat zijn flu de meest kritische factoren die invoering van

zeilsyste-men bepalen. Aangezien bet onderwerp de econotnische aspecten van zeil-voortatuwing in beschouwing neemt, dienen we ons bier te beperken tot de economische factoren, waarbij het eindresultaat altijd het verband tussen kosten en opbrengsten is.

Teneinde de economische effecten van zeilvoortstuwing zichtbaar te maken heeft het MERC .een zeer simpel model gemaakt waarin middels één formule bet verband tussen een aantal factoren is vastgelegd (uitge-gaan is van een bestaand schip).

Opgenomen zijn:

Be brandstofprijs

Ret brandstofverbruik op zee zonder huipvoortstuwing.

c.. De te realiseren besparingen in brandstofgebruik (volume per-centen)

Het aantal zeedagen

De investeringskosten van zeilsystemen Be terugverdientijd van de investering

Ret model geeft inzicht in de samenliang van de verschillende factoren en bepaalt in wezen de waarde van. de overige variabelen als er n of twee taakstellend beschouwd worden.

86/537, 6./MLS2.PM/nv 3

Over de keuze van de variabelen kanhet volgende warden opgemerkt:

De brandstofpriis (gulden per ton)

Bij deze evidente variabele is de laatste tijd een scherpe

daling opgetreden waardoor uiteraard de procentuele besparingen gelijk kunnen biijven maar deze in geld uitgedrukt aanzieniijk minder zijn.

Het brandstofverbrUik op zee (ton per dag)

Besparingefl bij zeilvoortstuwing treden uiteraard alleen op bij varen, zodat alleen het brandstofverbruik van de hoof dvoorstuwing

installatie van belang Is.

Besparingen in verbruik (volume %)

Deze zjn ontleend aan de claims die door de producenten gelegd warden en afhankelijk van de route en de aard van bet hulpzell. Hierover kan op economische grondén alleen uitspraak worden

ge-daan in termen als: Bij een geclaimde besparing van X % in volume térmen Is de financiële besparing bij een gegeven brandstofprij$ gelijk aan Y.

Het aantal zeedagen

De geclaiinde besparingen zijn uiteraard het grootst bij een zo groat mogelijk aantaI zeedagen, m.a.w. hoe langer de route., hoe grater de besparingen in absolute termen.

De investeringskosten

In dit eenvoudige model is uitsluitend met de eenmalige kapi-taalsuitgave gerékend, rente en financieringskOSten zijn buiten beschouwiTkg gelaten omdat die aan bet principe van het model niets afdoen.

f. De terugverdientjd

Het gangbare beslissingsCriterium voor een investering als boven. Tot voor kort gold 4 jaar als aanvaardbaar, maar de neiging be-staat thans am naar kortere perioden te streven. In feite is dit de spil waar de beslissing am tot commerciële invoering van huip-zeilvoortstuwing over te gaan om draat.

86/537, 6. /MLS2 PM/nv 4

Ter illustratie dient bet volgende voorbeeld:

Een gegeven schip met een brandatofverbruik op zee van 8 ton per dag en 245 vaardagen verdient een investering van 400.000 gulden terug in tvee jaar indien de bunkerprijs 680 gulden per ton bedraagt. Voor een terugverdientiJd van 4 jaar geldt een bunkerprijs die 50% lager is, ni. 340 gulden.

Ret huidige niveau bedraagt Ca. 130 gulden per ton (IFO 180).

Voor hetzelfde schip zou bij een terugverdientij,d van vijf jaar en een bunkerprijs van 132 guidén per ton een besparing van 31% onder dezelfde voorwaarden gerealiseerd moeten vorden.

De firma Walker Wingsails claimt voor dc Ashington een besparing van

10% en lijkt deze ook te realiseren. Dit schip is uitgerust met een

hoof dmotor van 4800 BHP welk bij een specifiek verbruik van ca.

160 g/BHP/u ruim achttien ton per dag moe.t verbruiken.

Ala investeringskosten zijn £ 100.000 genoemd (ca. f 350.000). Bij de huidige brandstofprij:s betekent dit een tvt van 6 jaar (op basis van 245 zeedagen). Op zichzelf nog niet eens zo'n gek resuitaat, vat voor-al veroorzaakt wordt døor de lagere investeringsprijs.

Weike conclusies zijn hier flu aan te verbinden?

Met de snelle technoiogische ontvikkeling op het gebied van

romp-vorm, dieselmotortechniek en schroeven is al een aanzienlijke

brandstofbesparing bexekt. Rierdoor neemt het absolute voordeel

dat zeilvoorstuwing ongetwijfeid kan opleveren in termen van brandstofbesparing af..

Voorstanders van .vindvoortstuwing clairnen terecht dat bij

optima-le routering van de schepen grotere besparingen mogelijk zijn. 0.i. wordt daarbij echter bet cominerciële aspekt van scheepvaart n.l. het vervoeren van goederen van A naar 'B gedurende een vaste periode enigszins geweld aangedaan. Optimale routering is

der-'halve slechts n beperkte mate mogelijk, zeker al's bet oni .schepen

voor de wilde vaart gaat., welke ook in .klimatol'ogisch minder

gunstige, gebiedén moeten opereren. Het is daarom voor leder schip

een individuele kwestle of zeilvoortstuwlng economiach gezien' rendabel is.

86/537, 6./MLS2 PM/nv

Dit brengt ons tenslotte op de andere poot van de zeilvoortstuwing, n.i. de nieuwbouwmarkt, waarbij a priori de inzet van het schip inge-schat kan worden en derhalve voor het vaststellen van een behouden sneiheid met een combinatie van twee voortstuwingselemefltefl rekening gehouden kan worden. Dit kan in principe leiden tot geringere in-vesteringen in machine-installaties. Ook hier dienen echter vraag-tekens bij gezet te worden als het geval zich voordoet dat niet van de windvoortStuWing gebruik gemaakt kan worden en de vereiste

dienst-snelheid middeIs de hoofdmotor gerealiseerd moet worden.

Onlangs verschenen in de pers de plannen voor een nieuwbouw container-schip (3230 TEU) uitgerust met twee Walker Wingsals, waarbij geclaimd werd dat de extra investering in de zeilen $ 2.272.500 vrijwel ge-compenseerd werd door de verminderde investering in de machinekatner

($ 1.800.000). Het verschil a 472.500 dollar zou middels een

verbruiks-besparing van 5000 ton per jaar (280 zeedagen) terugverdiend moeten worden, waardoor een tvt van mirider dan twee jaar mogelijk is.

Omdat we ons voor dit voorbeeld uitsluitend op persberichten moeten baseren is het niet echt zinvol hier verder op door te gaan maar een

aantal kanttekeningefl zljn op zijn plaats.

Een 15-20% besparing ter grootte van max. 5000 ton per jaar betekent een dagverbruik over 280 dagen van 90 ton. Bij een in dit schip ge!nstalleerd vermogen van 27500 kw komt dit neer op een specifiek verbniik van 136 g/kw h. wat aan de zeer lage kant.. Uiterst moderne diesels komen op waarden van net onder de 150 g

en standaard is 160-170.

Een oorspronkelijk geinstalleerd vermogen van 36.500 kw voor

ge-noemd schip is veel te hoog, zodat de vermindering in investering

in feite veel geringer is. Ter vergelijking de praktisch even grote Laust Maersk ult 1984 loopt met 35.000 kw vermogen 24.0

knopen dienstsnelheid, met bovendien' twee meter meer diepgang.

De Evergreen G-klasse, die weliswaar 40 meter korter is loopt met nog geen 16.000 kw ruim twintig knopen.

Derhalve zijn volgens ons de uitganspunten die gehanteerd zijn niet geheel juist waardoor een rentabiliteitsberekefliflg niet echt zinvol

is.

in feite is dit de boodschap die hier meegegeven wordt n.l dat de voorstanders van zeilvoortstuwing zich in hun enthousiasme laten

86/537, 6./MLS2 PM/nv 6

verleiden tot het presenter.en van cljfers en argunienten die weliswaar hun zaak in een gunstig daglicht steilen rnaar die met vrij; eenvoudige

middelén onderuit gehaald kunnen worden, zodat de geioofwaardigheid in bet geding dreigt te raken.

Paper by Air Commodore C.T.Nanoa, Kedina Yacht CoLtd, Cowe8, England,

.Freaented at the Energie Andera Exhibition "Sailing in the Future".

Part I

- Wind Assistance Sy8tenis for Ships

It is a partioular pleasure for me to be invited to speak on wind assistance here

in Holland, for it was in your Country over ten years

ago that I first presented

a paper on this subject at an International Symposium and Exhibition in

under the title "Has the time come for the re-birth of Sail ? "

At that time, the oil price ha4 already risen threefold in three years;

a level

at which it hesitated for a while before resuming its rise at a similar rat, to

a peak in 1981, from which it then declined to a level now, in real term8, not

so very different from that at which its rise commenced.

Sadly, this price reduction, coupled with the reduction in world shipping activity

and in shipbuilding, has meant that certain wind systems - rather like a rowing

eight whose match. race i8 unexpectedly postponed

- "peaked too early";

and we

have seen the excellent work of many, such as Lloyd Bergeson in USA, and

more

recently John Walker in UK, come tO a halt because immediate economic justification

for installation of their rigs on existing ships or current

new building cannot be

demonstrated.

at this is no reason to cease to 8tudl this subject:

the Japanese have shown

us that in certain circumstances wind-as8isted ships in a wide span of sizes. cans

be economical, and indeed it is arguable that now, 'when the pressure for hardware

is at a minimum, is the best time to redouble our efforts to understand the technology

underlying this field;

for here is an excellent opportunity for ahipowners and

operators to study the beat system to meet the real needs of their ships and trades,

as opposed to acceptance of "the first system that comes along", which might be

the temptation in the face of a massive, fuel price rise.

This therefore is not

a tao fOr inaction, but 'for study.

It is my belief that, as a by-product from making such studies, we may well identify

certain types of ship, certain trades, and certain parts of the World. and ship

routes, at which some rigs would be economical even in present circumstances.

Pu.rther, the present fall in oil pricea creates a climate where, because it is less

urgent to produce systems which can be available almost immediately,

we can look

further ahead to those systema which seem less obvious, but which could, if successful,

produce substantially greater rewarda.

_{I shall be examining ono of these in the}

second part of this talk.

2.

It haà been my custom for some years now to categorise the possible types of wind.

rig into six categories, seen on this slide

(Fig i)

Square rig,

Fore and aft rig,

Aerofbil rig (as it were, aircraft wings mounted

vertically),

Magnus effect (in which for this purpose I bracket all systems in

which an aerodynamic force ia induced by mechanical means whether by rotation,

blowing or aspiration), Wind turbines,

and. Airborne sails or kites.

And to show the very wide variety of rigs, either within these categories, or

containing elements of more than one of them, from which the shipowner mitt make

his choice, here are a few sketches showing a sanple of actual rigs either now

available or being seriously studied.

(I apologise that these are a year or so out of date,

as there has been insufficient

notice of this occasion to prepare special visual materiel).

rst (Fig 2)

two examples of Square-rig, a rig' likely to be suitable only for

cruise ships where the rig itself is an aspect of its appeal, the one based on the

original German Dynaahip concept of the 1960' a;

Next, (Fig 3), six totally different Fore and Aft soft sail rigs;

Then (fig 4) four quite different aerofoils or wing sails;

and finally, (fig 5), as there are no wind turbine or kite ship designs yet in

an advanced stage, five mechanical systems, three of which are based on the Flettner

rotor concept;

one on an aspirated cylinder (the French development of' which you

have, I understand, much information in this exhibition);;

and a Russian one in

which rotors are combined with soft sails.

Now of course with so great a variety of choice it is vital to select' the best

for each purpose:

and by purpose I mean a blend of the size of the ship, the speed

range within which it must sail to be economic according to its cargo,

_{its needs}

for cargo loading etc,

for accurate timing or otherwise of its schedule,

its

intended route, and so on,

There are many practical aspects of' the different rigs on which those directly

concerned can make their own judgment as to their relative merits,

but the differing

characteristic performance of the various rigs is not immediately apparent to those

who are not versed in aerodynamics,

_{So I think it would be 'helpful to study a}

few graphs to show the characteristic way In which each of these types is likely

to reduce power requirement and hence to benefit fuel consumption:

_{they could}

of course alternativel

be used to mar a;

_{)-ooneumption}

and thus to reduce other coats.

If we plot the fuel power needed to drive a ship at a given speed in _{a given wind} strength, against the angle of the true wind to the ships _{course, a powered ship} without any wind rig gives a power requirement curve like this _{(Fig 6 a) : showing} that it takes more power to drive the ship into a head-wind than down-wind, but not

very much more.

If we add a wind rig _{this difference in fuel power requirement is greatly increased.} For an efficient square rig, for example, the _{power curve might look something}

like this (Fig 6 b) _{, i.e. at small angles to the wind where the rig cannot operate}

and must be furled, _{more power is needed than if there were no wind rig at all,} in order to overcome rig vindage. _{Crosswind and downwind, the rig is working} strongly to save power and thus fuel, or alternatively to inórease speed.

Performance of a fore and aft rig might look something like this (Fig 6 c).

At sailing angles towards the wind, it does better than the _{square rig, but downwind} it is not so good.

If we now superimpose on this an efficient aerofoil rig (fig 6 d), _{it is seen}

that this difference is further increased. _{We have even better power and fuel}

savings towards the wind, but at the probable expense of less power and fuel saving

downwind. _{However it may be possible to devise an aerofoil which opens out for}

downwind sailing, such as the well-known Swedish _{Ljungstr6m rig. Such a rig (rig 6 e,} could be expected to have a power and fuel saving at least _{as good as that of the}

equivalent rig upwind, and ye:t downwind would approach that _{of the good downwind} rigs, such as the square rig.

The fourth catogory, mechanical high-lift devices (fig 6 i') _{typified by the simple}

rotating cylinder mentioned previously, may not be _{as efficient as the aerofoils} and Fore and Aft rigs in the wind forward sector, but _{may well be better than all} rigs other than square rig with the wind aft of the _beam.

Now there are a number of computer programs available capable of forecasting the relative performance of different rigs along the above _{lines. But this is only}

part of what is required. _{What is lacking, and what is vital, as has been emphasised} by previous speakers, is to assess the relative _{economics of each rig. For this,} reliable relative cost estimates for the manufacture _{of each rig, and of their} relative costs of maintenance throughout their life, _{are essential. The problem} is that, although the proponents of each rig _{will themselves normally indicate}

4.

For example, one may be based on heavy engineering practices, and another

be based

on aircraft practice,

and yet another on the yacht industry;

again, the wind

strengths on which different systems may operate before furling

may differ,

as

may their factors of safety,;

again,

one may contain the b enefi t of hidden

subsidies,

where another may not;

_{or one be quoted as a loss-leader to get a}

foot into the trade,

and another 'be a full economic price.

Assessed in such a way,

_{comparative economic forecasts between rigs are simply}

not' worth the paper they are written, on.

_{The need is to put together some of the}

brains of the ahpbuilding,

_{aircraft manufacture and yacht building industries, whic]}

together cover all the technologies involved,

_{to study the several systems in}

general terms and to provide a common base for assessment of the relative costs

_of

manufacture and of maintenance, 'and hence to provide a coherert input

to the study

of windahip economics.

It seems to me that any country or countries,

_{which can put together a team to}

crack this nut,,

_{will not only stand themselves in good stead when the time}

to build systems or windehips "for real", but 'perhaps 'also be able to provide a

service of analysis and assessment to the rest of the world.

Might this perhaps not be a useful project to put before

our respective Governments

5.

Part II

-

The Maoeuvrab1e Kite as a Wind Assistance Device.

In Part I of this talk I mentioned that as well

_{as giving time for general study}

and analysis, this period of low fuel prices gives

_{us an opportunity to look}

further ahead to those wind systems which seem less obvious,

but which might,

if successful,

_{produce substantially greater rewards.}

There is one such system which seems to

_{me particularly relevant to consider on}

this occasion,

namely airborne sails,

_{or in popular parlance,}

_kites.

reason for this relevance is twofold:

_{firstly the type of kite which is proving}

itself most suitable for this purpose is the Plexifoil,

_{a ram-air inflated aerofoi].}

with a single flexible spar at its leading edge,

_{the world marketing rights of}

which are held in this Country by the company of that

in Aimelo.

Secondly,

_{the other principal constituent of a kite propulsion system is the}

winches.,

_{which are needed not only for launching and recovery,}

_{but also for}

control.

This too is a field familiar both to the Netherlands

_{and to Belgium.}

Meissner International,

of Rotterdam for example,

_{are known to me as makers of}

yacht winches of a standard of excellence possibly

_{not exceeded anywhere in the}

world.

No rdoubt your industry,

_{whether in conjunction with Meissner or otherwise,}

could make an equally imaginative and

_{expert approach to the problem of special}

winches for kite propulsion.

What,

then,

_{ie the particular attraction of the}

_{kite and more especially of the}

Flexifoil,

for ship propulsion?

_{Let us look once more at}

_{our family of graphs}

showing the characteristics of other systems, which form a not very dissimilar

pattern from each other.

_{We note immediately the truth of}

_{a remark,}

_reported

from the most recent wind-ship symposium,

_{the Asian Development Bank Regional}

Conference on Sail-Motor Propulsion,

_{held in Manila last November}

_-

_{and we}

_should

remember that Asia is of course a part of the world where

_{the benefits of modern}

wind_systems migh.t well prove of great economic

_{benefit - namely that,}

_{for all}

systems,

"little benefit is obtained from

_{a following wind".}

_{This means that}

ships will be weathex%-routed

-

_{and here of course is an aspect of wind-assistance}

in which again your Country, the Netherlands,

_{in the person of Professor Spaans,}

has one of the world' a great experts

_-

_{in directions which 80 far}

_{as possible}

bring the wind over the quarter,

_{even when the direct route is further down wind:}

in other words,

_{as a sailing man would put it,}

_{to "tack down wind".}

But if the direction you wish to

_{go is down-wind, it doesn't seem to make}

_sense

to take a source of energy which is already oriente4 in the direction you want to

gu,

and to have to sail deliberately in

_{some other direction over a longer route.}

Surely it is better to have a rig which enables

_{you to route to obtain the maximum}

6.

Suppose that,

instead of tacking the ship down wind, we could simply tack the rig

down wind,

but allow the ship to continue on its direct down-wind course?

This

is one way of looking at the benefits of using a manoeuvrable kite,,

thus separating

the sail plan from the ship.

Another way to look at it would be to say that,

since the pull developed by a moving aerofôil will be proportional to the square

of the speed of the aerof oil itself relative to the wind,

why not fly it around

the sky and thus produce much more pull than a rig constrained to the speed of the

ship by attachment to it?

But whatever way one looks at it, there is now ample evidence that craft powered by

zuanoeuvring kites receive the benefit of a pull across the whole of the down-wind

sector at least as great as that with the wind on the beam or on the quarter.

Theoretical and practical work has been done on kite systems by B P Research

by Cranfield Institute of Technology

',

and by Southampton University

5 & 6

Theory now amply supports the results which have been achieved by the team in England

own as Jacobs Ladder, led by Ian Day,

who at present hold the world sailing

speed record

in their sail area class,

and suggests that one can confidently

predict that they will take the world absolute sailing speed record in the not too

distant future.

The curve for a Flexifoil system would in fact look something like this (fig 6 g);.

unique

_{not only in its down wind performance but also in the fact that there is}

no power loss due to windage in the head-to-wind aector;because in thiscase, again

uniquely, the rig is stowed on,

or under,

the deck. when not in use.

In fact,

as you will see from a leaflet available in this exhibition entitled

"Why Kites for Ships", prepared by Theodor Schmidt of Switzerland who has done

much of the practical work in this field,

simple theory suggests that the down

wind pull exceeds by at least fifty per cent,

the maximum thrust of other equivalent

rigs.

Furthermore,

in the case of the Flexifoil, controlled as it is by only

two lines at its extremity,

it is possible to fly a number of kites one above the

other in a tier,

so that the effective area which can be flown is vastly greater

than that of other rigs, thus increasing the pull obtainable still further.

Furthermore it Should prov e possible to bring them down, one above the other,

and to stow them like a pack of cards.,

in a manner also indicated in Mr Schmidt's

leaflet.

Of course kites are not the answer to every problem.

In_the

ctnr with-wi-nd

forward of the beam they give about the same performance as a square rig,

and

do not approach that of an efficient aerofoil.

We cannot therefore envisage

7.

them as the solution to very fast ships operating in light

_{wind areas.}

_{But for}

slow ships in most winds,

_{and even for fairly fast ships in}

_{strong wind areas,}

they tight conceivably prove to be

supreme.

Popular instinct suggests that, however theoretically

_beneficial,

_{kites would}

be wholly impractical because of inability to control their pull with changing

wind speed and direction.

_{In the case of the Flexitoil, nothing}

_{could be further}

from the truth.

_{Their pull is at a maximum (and stability}

_{at a minimum) the}

further they are from the direction of the

wind,

_{and conversely the nearer they}

are to that direction,

in any plane,,

_{the less is the pull.}

_{One thus has what}

óan be thought of almost as a throttle

_control:

_{close the throttle,}

_{as it were,}

and the kite goes to a parking position

_{at the extremity of its arc,}

_{where it}

exhibits minimum pull,

_{and from which it, can be retracted,}

_{if required,}

_against

minimum load.

Open the throttle,

_{and the kite starts to sweep across the sky,}

usually in a figure of eight pattern developing tremendous

_thrust.

We know that,

in human hands,

_{controlled by the human sensors 'and the human brain,}

this form of kite can be controlled

_{extremely accurately.}

_{And in a moment I shall}

show a few slides to illustrale these points.

_{Our task now is to}

_{evise means}

to launch,

to recover,

_{and to control such kites entirely}

_{automatically.}

It is to undertake inveétigat±on of

_{this possibility that I have purchased from}

B.P. the launch on which they did

_{their kite trials,}

_{and have its winches on loan.}

We need now to devise faster_acting winches and other mechanisms to achieve these

_ends

We are aiming eventually for

_{mechanisms which will not only launch,}

_{retrieve and}

retrac.t the kites,

_{but one enabling the captain (or, if he}

_{prefers, the computer)}

to select the number of kite elements to be flown

_{according to the wind conditions,}

the course,

and the intended ship speed:;

_{and where, if an element of a tier in}

flight develops a fault,

_{the stack can be recalled,}

_{the faulty element replaced}

and the tier relaunched,

_{all automatically, within a matter of minutes.}

_Further,

we aim that the whole stack is replaceable as a unit if necessary during the normal

turn-round time of a ship at either end of

_{its major voyages,}

_{and to set up}

overhaul facilities at selected ports for

_{this purpose.}

The mechanisms developed for

_{gun and guided missile loading should surely teach}

us much of value in this area,

_{and enable us to avoid,}

_{in that very expressive}

American phrase,

_{reinventing the wheel.}

Carefully planned,

_{so that we do not proceed beyond the stage at which}

any line of investigation can be shown not

_{to be fruitful, the cost of the initial}

investigation should not be great and should

soon answer. -the question

8.

whether such a system could be in practice one of the moat costeffective of all wind-systems, _{or alternatively whether its theoretical benefits}

are not achievable

in practical terms. What a plendid thing _{t would be if the industry of the} Netherlands and Belgium, and perhaps _{your Governments, encouraged by your shipowners}

and shipbuilders., _{could cooperate with ours, in a joint programme to mon.itOr,} and

to assist to finance, _{the relatively simple and shortdted work}

needed to resolve this question. _{Should the conclusion be affirmative, we would then have in place} an international team ready to 4evelop the hardware. of _{a system which might bring}

work to our industries and economic benefits _{to our shipping.}

-References

Second International Conference on Hovering Craft, Hydrofoils and Advanced

Transit Systems, RAI Exhibition Centre, Amsterdam, 17-20 Nay, ₁₉₇₆ Fiexifoil International B.V., Egbert Gorterstraat 3, Almelo, Netherlands.

Duckworth R, "The application of Elevated Sails (Kites) for Fuel Saving

Auxiliary PrOpulsion of Commercial Vessels", Southampton University,

Windtech

_85,

23 - 25 Apr

_1985.

Publishers B. V., Amsterdam).

Schaefer G.M. & Allsopp K, "Kite Sails for Wind-Assisted Ship Propulsion",

Symposium on Wind Propulion of Commercial Ships, RINA London,

Nov 1980.

WellicomeJ.F. & Wilkinson 8, "Ship Propulsive Kites _{- An initial Study",}

Dept of Ship Science Report No SSSU I

_9,

Dec

_1984.

Burgin N. & Wilson P.A. "The Influence of Cable Forces on the Efficiency

of Kite Devices, as a means of Alternative Propulsion. Windtech 85, as ref ₃ above.

"Jacob's Ladder" )Iodified Tornade catamaran, World C-class sailing speed record at a speed of over ₂₅ knots.

Bi hlioraphy

Nance., Air Commodore C.T. _{"Outlook for Wind Assistance", Southampton University,} Windtech 85, as ref 3 above.

Welljconie J. _{"Some Comments on the Relative Merits of Various Wind Propulsion} Devices". _{Southampton University, as above.}

ii'

1o.

Acro(oil rig Magnuscffcci (Flcuncr rotor).

%VInd tUrbine Airborne sails

FIGURE 1.

ii

,t

a

U U aIR au

I.

-

I.

]R UIU UIU I

I.

UI Ull UI4

'-(s)Cono.ptual sk.tb of modsr .uozu-rs4 ioiui shi

(V.0,ray PIGURE2. SQUAU ala

C.) 100 ft Viohbon. I.tch (U.L)

(a) Vaboao .tch Ri for Oovt of Pt3L

(b) m,..sstsd borqus for psas.sr soul...

(u..)

(a) p.100 dwt C.t aaiiBig(usi)

C.) rimtVingu$.1 RI

!.600 dwt (Jap.is

(a) Pzopoul for VingesU RIg forzo.cco dvtnip. (us.)

Y10U

4.

(a) Rotor t.ttog oa 18 too Lauoób (t.L) (a) Rotor ip 8t11a 8tu4y19O dvt(Sw.deo).

Ce) Rotor for 6.700 dvtProduot ?ok.r (V.Csaoy)

12.

(a)

_{Vinj Rig}

1,600 8it (u.x.)

(g) .Ri.fing VIcg,a for Piuhing ROot, 15 toon.. (u.x.)

(4) Rotor an4 5.11 RIg, 5,000 dvt (Rusaja)

C.) L.plratM RIlip.. for 6-7000 dilt Ch.ioa1 Ttncai (Pr.oc.) P1;uaz 5 8EAB2CM. RIO! LI?? ST8I13

0 13.

-

2I llll.

,

:

7kVE WIr4bN4CLE (EgGE)

rxou

6. iu. Povu a1i?,.rmi.