Jättefartyg seglar med vinden

Skeppens urgamla motor vinden gör storstilad comeback inom de närmaste åren. Med flexibla metallsegel och stora drakar kommer även gigantiska fraktfartyg kunna korsa världshaven med ren vindkraft och låta de oljeslukande motorer på pension.

Skeppens urgamla motor vinden gör storstilad comeback inom de närmaste åren. Med flexibla metallsegel och stora drakar kommer även gigantiska fraktfartyg kunna korsa världshaven med ren vindkraft och låta de oljeslukande motorer på pension.

Oceanbirdwallenius.com

För 5 000 år sedan lämnade det lilla folket austronesierna sitt hem på ön Taiwan. Tack vare sina vinddrivna farkoster var de först med att färdas tusentals kilometer från sina hemtrakter och kolonisera stora delar av Asien.

Nu ska vinden återigen förändra sjöfarten.

Under de senaste århundradena har världens fartyg huvudsakligen drivits med fossila bränslen, först kol och sedan olja, som har en skadlig inverkan på både miljön och klimatet. Varje år släpper fartygstransporterna ut 940 miljoner ton koldioxid.

Därför har ingenjörer runtom i världen börjat utveckla en ny generation fartyg som återigen seglar med hjälp av vindens kraft. Och lyckligtvis finns det pengar att investera med. Inom ramen för projektet Wind Assisted Ship Propulsion har exempelvis EU bidragit med motsvarande 54 miljoner kronor för utveckling av vindkraft till fartyg.

De linnesegel som i århundraden har tjänat sjöfarare väl ska dock ersättas av bland annat upprättstående flygplansvingar, drakar och roterande cylindrar. På vissa fartyg är faktiskt hela skrovet format som en flygplansvinge, allt för att utnyttja vindens kraft.

90 procent av alla varor har vid någon tidpunkt befunnit sig ombord på ett fartyg.

Redan i dag monteras dessa olika tekniska lösningar på dieseldrivna fraktfartyg och om fem år kommer de första stora transportfartygen att korsa Atlanten med hjälp av miljövänlig vindkraft.

Ett fraktfartyg slukar 200 000 liter olja om dagen

Containerfartyg transporterar allt från Ipads till bananer runtom i världen. Nio av tio varor som vi köper i butikerna har vid någon tidpunkt befunnit sig ombord på ett fraktfartyg. Propellrarna på dessa hundratals meter långa fartyg snurrar med hjälp av enorma motorer som drivs av fossila bränslen.

Ett av världens längsta containerfartyg, 397 meter långa Emma Maersk, har till exempel en 2 300 ton tung motor med 14 cylindrar och en maximal effekt på 108 640 hästkrafter. Denna jättemotor slukar 14 000 liter olja i timmen.

Trögflytande, förorenande tjockolja utgör i dag fraktfartygens huvudsakliga bränsle, eftersom inget annat bränsle har tillräckligt hög energitäthet för att kunna föra de stora containerfartygen tvärs över världshaven.

Varje dag slukar fraktfartygen olja motsvarande en tredjedel av Saudiarabiens dagliga produktion. Uttryckt på ett annat sätt använder ett normalstort containerfartyg omkring 200 000 liter olja om dagen, tillräckligt för att täcka 50 000 hushålls energiförbrukning.

Fraktfartyg är visserligen både billigare och mer klimatsmarta än exempelvis flygtransporter, men rederibranschen står ändå för 2,5 procent av världens koldioxidutsläpp.

© Ken Ikeda Madsen

Fartygen släpper ut dödliga föroreningar

Fraktfartygen står för 2,5 procent av världens årliga utsläpp av växthusgaser. Enligt en beräkning från år 2019 orsakar luftföroreningar från fartygen årligen cirka 60 000 dödsfall runtom i världen. Det motsvarar 16 procent av de totalt 3 370 000 dödsfall som orsakas av transporter med bilar, tåg och fartyg varje år.

FN-organisationen International Maritime Organization (IMO) har därför som mål att utsläppen av växthusgaser från rederibranschen ska åtminstone halveras till år 2050 jämfört med utsläppsnivån år 2008.

Om vi inte vidtar åtgärder riskerar vi enligt extrapoleringar att utsläppen ökar med hela 50–250 procent till år 2050, eftersom världshandeln växer så snabbt.

Flygplansvingar sätter fart på fartygen

För att stora fartyg ska kunna segla på världshaven utan fossila bränslen behöver ingenjörerna utveckla något som kan ersätta dieselmotorn, som i dag dominerar sjöfarten. Batterier har redan fått stort genomslag inom bilbranschen, och det finns exempel på 100-procentigt batteridrivna fartyg.

För rederibranschen räcker dock batterierna inte riktigt till. Dagens batterier når inte upp till det höga energiinnehåll per kilo som de gigantiska fartygens oljebaserade bränsle har.

2,5 procent av världens utsläpp av växthusgaser kommer från sjöfarten.

I dag skulle det till exempel krävas en batterikapacitet motsvarande cirka 10 000 elbilar av typen Tesla S 85 för att driva ett genomsnittligt containerfartyg över världshaven en enda dag.

Eftersom batterierna inte räcker till har ingenjörerna i stället börjat titta på vindkraft. Tiden är nu mogen för att vinden återigen ska bli sjöfartens huvudsakliga drivkraft, vilket framför allt beror på bättre data och kraftfullare datorer. Fler och mer exakta data om vindförhållanden samt nya aerodynamiska utformningar framtagna med hjälp av digitala 3D-modeller gör det nu möjligt att driva stora fartyg med vindkraft.

Den nya generationen vindskepp utformas med hjälp av kraftfulla datorer som beräknar hur vätskor eller gaser, till exempel luft, flyter över olika ytor och vinklar och bromsas och accelereras. Detta fält kallas computational fluid dynamics (CFD).

Dessutom använder ingenjörerna algoritmer som gör alltmer exakta beräkningar ju mer data de matas med, så kallad maskininlärning.

Med hjälp av dessa kan forskarna utveckla den precision i styrmekanismerna som krävs för den nya generationen segel och övriga vindkraftstekniker som installeras på fraktfartyg.

Ett tydligt exempel på utvecklingen är SeaWing, en 1 000 kvadratmeter stor drake som spänns fast framtill på ett fraktfartyg och drar med sig fartyget. SeaWing utvecklas av företaget Airseas, en avknoppning från trafikflygplansjätten Airbus.

Draken är beroende av en kontinuerlig ström av väderdata som via en 500 meter lång kabel skickas från sensorer på fartyget till drakens kontrollenhet, som ständigt anpassar drakens position och rörelser genom att dra in och släppa efter på linorna. Genom denna finjustering av drakens position kan vindens kraft utnyttjas i stället för att föra draken ur position.

Draken SeaWing, som har en areal på 1 000 kvadratmeter, ska enligt planen monteras i fören på stora fraktfartyg. Den beräknas minska bränsleförbrukningen med cirka 20 procent.

© Ken Ikeda Madsen

1. Draken vecklar ut sig

När vindens riktning och hastighet är den rätta aktiverar fartygets kapten draken, som sitter i en 35 meter hög mast. Då vecklas den ut och stiger till väders.

© Ken Ikeda Madsen

2. Linor justerar drakens position

Uppe i luften justerar en kontrollenhet drakens position genom att dra in och släppa efter på ett antal linor. Det sker med hjälp av data från fartyget.

© Ken Ikeda Madsen

3. Rörelser ökar hastigheten

Draken ökar sin dragkraft genom att hela tiden minska och öka sin hastighet. Den flyger växelvis med och mot vinden i ett mönster som en liggande åtta.

SeaWing är bara ett exempel på en ny teknik som har lånat element från flygvärlden. Ett annat exempel på det är Oceanwings, som har utvecklats av franska Ayro. Oceanwings är ett motor- och datorstyrt segel som består av två lodräta metallkonstruktioner vars form påminner om flygplansvingar.

Sensorer i seglet registrerar vindens hastighet och riktning, varefter en dator beräknar seglets optimala vinkel och anpassar den med hjälp av en motor.

Oceanwings, som beräknas minska fartygets bränsleförbrukning med upp till 42 procent, ska testas på ett 121 meter långt fartyg som ska frakta delar av rymdraketen Ariane 6 från Europa till Franska Guyana i Sydamerika, varifrån raketen sänds upp.

Även i Holland arbetar ingenjörer med upprättstående konstruktioner som påminner om flygplansvingar. Företaget Econowind har byggt en lodrät vinge som kan vridas efter vindriktningen, så att vingen skapar högsta möjliga tryckskillnad, som sedan för fartyget framåt.

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

© Econowind

I vingen sitter en pump som suger in en del av luften vid vingens bakre del i själva vingkonstruktionen och leder ut den längst upp. Därmed skapas ett undertryck bakom vingen som ”suger” luften snabbare förbi den och ökar framdrivningen.

Vingen, som bland annat kan användas på containerfartyg, finns i ett utförande där två vingar installeras i en 40-fotscontainer försedd med en vikmekanism som gör att vingarna kan fällas ihop i containern när det blåser för lite eller åt fel håll – eller i händelse av alltför starka vindar.

Fartyg sparar motorkraft

Fartygsingenjörerna lånar inte bara från flygvärlden, utan har även använt gamla tekniker som Flettnerrotorn, som uppfanns av den tyske ingenjören Anton Flettner för cirka 100 år sedan.

Tekniken slog aldrig igenom när den var ny, men den hade sina fördelar. I dag har Flettnerrotorerna gjort comeback som en del av den nya generationen vindskepp.

En Flettnerrotor utnyttjar det fysikaliska fenomenet Magnuseffekten, som uppstår när luften träffar en cylinder eller en sfär som roterar runt sin egen axel. På den sida där cylindern roterar i samma riktning som vinden accelereras vinden, medan vinden bromsas upp på motsatta sidan.

Vindens acceleration och uppbromsning på respektive sida skapar ett övertryck på den sida där vinden bromsas, vilket gör att sfären eller cylindern pressas i riktning mot den sida där vinden accelererar.

Detta övertryck kan man dra nytta av på fartyg när ingenjörer installerar lodräta, roterande cylindrar som skapar framdrivning när vinden träffar dem från sidan.

© Scandlines

Vindpelare driver fartyget framåt

Färjan M/F Copenhagen har försetts med en roterande cylinder, en så kallad Flettnerrotor. Den driver fartyget framåt när vinden träffar den från sidan.

© Ken Ikeda Madsen

1. Vinden träffar rotorn

Vinden träffar rotorn vinkelrätt i förhållande till färdriktningen. Rotorns främre del roterar med vinden, medan den bakre roterar mot vinden.

© Ken Ikeda Madsen

2. Rotation skapar tryckskillnad

Cylinderns rotation får vinden att accelerera förbi den främre delen och bromsas upp vid den bakre delen. Eftersom vinden rör sig långsammare bakom rotorn uppstår där ett övertryck.

© Ken Ikeda Madsen

3. Vindpelare skapar framdrivning

Övertrycket bakom rotorn sätter fart på cylindern och ökar fartygets framdrivning. Kaptenen kan därmed dra ner på motorkraften och spara bränsle utan att hastigheten sänks.

Det tyska företaget Enercon, som tillverkar vindkraftverk, har installerat fyra rotorer på sitt transportfartyg E-Ship 1. Världens största rederi Maersk har installerat två rotorer på fartyget Maersk Pelican.

Magnuseffekten uppstår även när en tennisboll flyger genom luften och samtidigt roterar. Bollens rotation accelererar luften som passerar ena sidan och bromsar luften på den andra sidan. Skillnaden i luftens hastighet skapar ett övertryck på bollens ena sida och ett undertryck på den andra sidan.

Därmed dras bollen i riktning mot sidan med undertryck. Resultatet är till exempel att en boll som, sedd ovanifrån, roterar baklänges i förhållande till färdriktningen rör sig uppåt genom luften. Magnuseffekten uppstår i både gaser och vätskor.

Vindkraften tar över

Den gemensamma nämnaren för de flesta vindtekniker som i dag används på stora fraktfartyg är att de sparar oljedrivna fartyg bränsle. De gör dock inte fartygen 100 procent vinddrivna. Det kommer emellertid att förändras under de närmaste fem åren.

Framför allt i Norden arbetar ingenjörer med att konstruera nya fartygstyper som är helt och hållet baserade på vindkraft. Ett exempel på detta är norska Vindskip, där en enda stor, lodrät flygplansvinge använder tryckskillnaden mellan sina båda sidor för att skapa framdrivning, även när vinden kommer från ett håll där den normalt skulle bromsa fartyget.

🎬 Vindskip är utformat som en jättelik flygplansvinge

Vindskip kommer att kunna segla med kraftigt reducerad motorkraft en stor del av tiden. Det innebär att det förbrukar uppemot 60 procent mindre bränsle än oljedrivna fraktfartyg.

Vindskip tar ett stort steg mot klimatneutral fartygstransport, men med sitt fartyg Oceanbird kommer svenska Wallenius Marine att gå nästan hela vägen.

Detta 200 meter långa och 40 meter breda fraktfartyg ska enligt planen korsa Atlanten på tolv dagar, enbart med hjälp av vindkraft. Fartyget, som beräknas att tas i bruk år 2024, kommer att kunna frakta upp till 7 000 personbilar.

Fartyget har teleskopsegel, som fullt utvecklade är 80 meter höga, vilket gör fartyget 105 meter högt. Seglen är tillverkade av stål och kompositmaterial, som normalt är baserade på glasfiber.

För att optimera framdrivningen i förhållande till vindriktningen kan de roteras 360 grader. Tack vare konstruktionen med fyra motorstyrda teleskopsegel kan de i händelse av hårt väder – eller när fartyget behöver segla under en bro – dras ihop till 45 meters höjd.

Oceanbird har en hjälpmotor som kan assistera fartyget vid bland annat utsegling från hamn, men även den ska enligt Wallenius Marine vara baserad på miljövänlig teknik, exakt vilken är dock inte klart.

🎬 Se världens största segelfartyg i aktion

Fartygets ingenjörer beräknar att Oceanbird kommer att ha 90 procent lägre koldioxidutsläpp än ett fossildrivet fartyg av motsvarande storlek. I slutet av år 2020 sa Sveriges finansmarknadsminister Per Bolund att han gärna ser en ”armada” av fartyg i stil med Oceanbird ta över transporterna på världshaven.

Det finns tecken på att hans önskan börjar gå i uppfyllelse.

En rapport gjord på uppdrag av det brittiska transportministeriet har visat att upp till 45 procent av den globala flottan – 40 000 fartyg – kommer att segla med hjälp av vindkraft år 2050.