E ship en Gruno 5 van Bijma BV

Een tentoonstelling in het Techniekmuseum te Berlijn over een vreemdsoortige wijze van voortstuwing was voor onze redacteur Freerk Eggens aanleiding om de geschiedenis van dit wel zeer bijzondere ontwerp en de huidige ontwikkelingen op dit gebied aan een onderzoek te onderwerpen.

Geschiedenis

Het was op de zevende november van 1924 toen men voor het eerst in Kiel het rotorschip de ‘Buckau’ zag varen.

‘Buckau’ op proefvaart

Het was een voormalige elegante driemast topzeilschoener die jaren de wateren tussen Duitsland en Finland bevoer voor de Hamburg-Amerika-Linien. Echter nu waren haar voorste en achterste masten en alle zeilen bij de Friedrich Krupp Germania Werf in Kiel verwijderd. Het schip was verbouwd tot een experimenteel schip, een wonderlijk schip met twee grote stalen draaibare zuilen op het dek. Elke cilinder was ongeveer vijftien meter hoog en had een diameter van een kleine drie meter. De bovenzijde  van de rotoren werden afgesloten door een kap. Onderdeks waren twee 11 kW, 220 Volt omkeerbare gelijkstroom elektromotoren geïnstalleerd welke hun stroom verkregen van een 45 PK diesel aggregaat, om zodoende de rotoren te laten draaien. Op topsnelheid haalden de rotoren 125 toeren per minuut. De rotoren hadden elk een eigen gewicht van ongeveer drie ton. De uitvinder van deze nieuwe technologie was Anton Flettner (1885-1961), een leraar wiskunde en technische autodidact. De cilindervormige buizen werden naar hem vernoemd. Rond Kiel werden 62 proefvaarten gemaakt met een lading van 350 ton kolen waarbij bleek dat het schip voldeed aan de verwachtingen van de windtunnelproeven. Voor de normale voortstuwing was op de ‘Buckau’ een dieselmotor geïnstalleerd van 120 kW waarmee een maximum snelheid van 14 knopen gehaald kon worden. Onder gunstige omstandigheden gaven de rotoren een extra snelheid van circa 4 knopen.

1e kapitein van de Buckau

In februari 1925 maakte de ‘Buckau’ haar eerste echte commerciële reis onder het gezag van kapitein Gerhards. Op de reis van het Poolse Gdansk over de Noordzee naar Leith in Schotland was haar ruim beladen met hout. Op de Noordzee ondervond men stormachtig weer waarbij bleek dat het schip voortgestuwd door de rotoren een koers van 20 tot 30 graden “aan de wind” kon vasthouden. Snel van koers veranderen gaf bovendien geen enkel probleem. De bediening van de beide rotoren werkte feilloos. De daarop volgende jaren voer de ‘Buckau’  als ‘Baden Baden’ veelal in Amerikaanse wateren. Uiteindelijk bleek dat het rotorsysteem minder efficiënt was dan motoren, waarna de rotoren werden ontmanteld en het schip haar reizen vervolgde als motorvrachtschip. Ze zonk in 1931 tijdens een storm in de Caribische Zee. Daar de ‘Baden Baden’ veelvuldig in Amerikaanse havens opdook,  werden in navolging enkele zeilschepen van ca. 40 voet omgebouwd tot rotorschip, maar de projecten werden al snel beëindigd.

‘Barbara’ verlaat Hamburg

Het succes van de ‘Buckau’ gaf aanleiding om een tweede, maar aanzienlijk groter, schip te bouwen, de ‘Barbara’. In 1925 gaf de Duitse marine de Weser Werf in Bremen hiertoe de opdracht. De ‘Barbara’  werd in 1926 te water gelaten. Ze kreeg een draagvermogen van 2840 ton en twee 6-cilinder dieselmotoren welke gezamenlijk 745 kW genereerden. Op beide motoren haalde de ze een snelheid van 19 knopen. In tegenstelling tot de ‘Buckau’ had dit schip drie rotoren welke niet van staal maar van aluminium waren gemaakt en dus aanzienlijk minder in gewicht. De draaisnelheid van deze rotoren kon oplopen tot maximaal 160 toeren per minuut.

Een aantal jaren heeft de ‘Barbara’ voor de Hamburgse reder Robert M. Sloman dienst gedaan. Ze vervoerde voornamelijk bederfelijke consumptiegoederen tussen Hamburg en havens in de Middellandse Zee. De charter werd in 1929 beëindigd, waarna het schip aan de eigenaar, de Duitse Admiraliteit, werd teruggeleverd. De Duitse marine verkocht het schip aan een nieuwe eigenaar die de rotoren verwijderde, waarna de ‘Barbara’ onder diverse namen als gewoon motorvrachtschip is blijven varen. Uiteindelijk zonk ze in 1978 als ‘Star of Ryad’ bij Jeddah. Ondanks het goed functioneren van de rotoren en de te behalen winst op minder brandstof – brandstof was in die jaren zeer goedkoop – werden er verder geen opdrachten voor soortgelijke schepen gegeven. Een mislukte innovatie?

Vervolg

Gedurende lange tijd lag het ontwerp in de lade. Echter, toen in 1973 door de oliecrisis de brandstofprijzen de pan uit liepen ging men weer op zoek naar alternatieven. Het idee van Flettner werd afgestoft en de bekende Hamburgse scheepswerf Blohm & Voss ontwikkelde in de tachtiger jaren weer nieuwe plannen. Een chemicaliëntanker zou worden voorzien van een aantal rotoren. Dit vooruitstrevende plan verdween weer in de ijskast toen in 1986 de brandstofprijzen weer aanzienlijk daalden. Een mislukte innovatie?

‘Tracker’ op proefvaart bij Martha’s Vineyard

In de zeventiger jaren van de vorige eeuw zeilde de Amerikaanse ingenieur Henry Bergeson met de ‘Cockatoo II’ in 31 dagen van Amerika naar Noorwegen. Na dit succes met een Flettner zeilboot richtte hij de Wind Ship Development Corporation op, met als doel het Flettner-idee verder uit te bouwen. Wind Ship liet een klein scheepje, de ‘Tracker’, bouwen in Massachusetss. Henry Bergeson verwachtte, aan de hand van berekeningen, een besparing van 20 tot 30 % op brandstof te verkrijgen. Helaas beschikte hij niet over nauwkeurige meetinstrumenten en hulp werd ingeroepen van autotestexperts. Vele proeven werden ondernomen vanuit Edgartown Harbor op het eilandje Martha’s Vineyard. Aanvankelijk vibreerde het scheepje aanzienlijk, vooral wanneer de rotor op grote snelheid ronddraaide, maar dat werd ondervangen. De proeven toonden aan dat minimaal 30% bespaard kon worden op brandstof. Ondanks dat Bergeson alles in het werk stelde om lokale vissers te overtuigen van de voordelen hapte niemand toe. De Amerikaanse marine gaf hem nog een aantal studieopdrachten, maar tot werkelijke bouw van een marineschip kwam het niet. In de loop der jaren liep in Amerika nog een aantal jachten en kleine scheepjes van stapel, maar daarna werd het stil rondom deze op het Magnus-effect stoelende gedachte. Een mislukte innovatie?

Cousteau’s ‘Alkyone’

In 1984 ontwikkelde het Engelse ingenieursbureau Gifford Technology uit Southampton een schip met een Flettner rotor van 11 meter hoog. Deze rotor werd geïnstalleerd op het ruim 400 ton metende zeilschip ‘Clipper Patricia’. Bovendien werden door hetzelfde bedrijf 20 catamarans gebouwd voor en geleverd aan Sri Lanka. Deze catamarans waren bedoeld als testexemplaren voor de vissersvloot. Succes of navolging? Een mislukte innovatie?

Toch zijn er in de voorbije jaren pogingen ondernomen om het Flettner principe gestalte te geven met enig succes. Bijvoorbeeld de beroemde natuurvorser en kapitein Jaques-Ives Cousteau ontwikkelde een zeilschip genaamd de ‘Alkyone’, genaamd naar de Griekse god van de wind. Dit fraaie zeilschip werd bij Ateliers et Chantiers de La Rochelle-Palice in 1984 gebouwd. Het schip werd voorzien van twee gemoderniseerde Flettner rotoren of Turbosails. De hoofdvoortstuwing bestond uit twee dieselmotoren van elk 156 bHp. De lengte van de ‘Alkyone’ bedroeg 31 meter. Haar eerste zeiltocht in het jaar daarop was naar New York, waar ze onder grote belangstelling arriveerde. De ‘Alkyone’ ondernam vele tochten rond de Kaap Hoorn, bezocht de wateren rond Californië, voer naar Nieuw-Guinea, Australië, Madagaskar, Canada en vele andere landen. In 2001 werden haar motoren vervangen en de Turbosails volledig geautomatiseerd, waarna ze tot 2009 als thuisbasis de Bretonse havenplaats Concarneau had. Vanaf dat jaar werd haar thuishaven Caen. Er waren nog plannen om de ‘Calypso II’ te laten bouwen, maar dat is bij plannen gebleven. Een mislukte innovatie?

Catamaran ‘Uni‐Kat‐Flensburg’

In 2006 werd op de Universiteit van Flensburg de catamaran ‘Uni-Kat Flensburg’ ontwikkeld en ook gebouwd, met als hoofdaandrijving een enkele Flettner rotor. Deze catamaran, met een lengte van slechts zes meter, diende uitsluitend voor studiedoeleinden en als demonstratiemodel. Veel navolging vond het echter niet. Een mislukte innovatie?

Heden en toekomst

In het begin van 2008 ontwikkelde de Universiteit van Edinburgh een futuristisch onbemande trimaran gebruikmakend van Flettner rotoren. Het concept bestaat uit 1500 tot 2000 vaartuigen, aangedreven door de draai-zeil technologie van Flettner. De schepen met een tonnenmaat van circa 300 ton en een lengte van 45 meter zouden worden uitgerust met drie rotoren met een diameter van 2,50 meter en een hoogte van 20 meter. De schepen sproeien kleine druppeltjes, maximaal 1 micron, zeewater in de lucht waardoor er meer wolken ontstaan, er meer regen komt en de aarde afkoelt. Op zich een goed idee, echter zeer kostbaar. Bill Gates (Microsoft) stelde ten behoeve van verder laboratoriumonderzoek dit jaar $ 300,000 ter beschikking aan de Universiteit van Calgary. Ondertussen liet de Universiteit van Edinburgh een prototype bouwen met de naam ‘Cloudia’. Wie steekt verder voor zoiets zijn nek uit? Een mislukte innovatie, wie zal het zeggen!

Trimaran ontwerp door de Universiteit van Edinburgh

In 2009 lanceerde Wärtsilä een concept voor een ferry van circa 58,000 ton voor de Viking Line. Het schip krijgt een voortstuwing op LNG welke een centrale schroef en de twee elektrische POD’s aandrijven en bovendien vier Flettner rotoren. Drie van de rotoren staan op het achterschip en dienen tevens als schoorsteen, de vierde bevindt zich op het voordek. Met dit concept verwacht men aanzienlijk op brandstof te kunnen besparen. De verwachting is dat de opdracht eind 2010 wordt verstrekt.

Enercon is een van de grootste windturbine fabrieken in Europa en gezien de enorme vraag naar windmolens lijkt het alleszins logisch zelf over een supply-schip te kunnen beschikken, om op die wijze niet volledig afhankelijk te zijn van derden. Vanzelfsprekend staat het milieu hoog in het vaandel bij Enercon, een eigen schip zal voordeliger moeten kunnen opereren en aanzienlijk minder CO2 uitstoten. De afdeling New Technologies ontwikkelt het nieuwe schip met de naam ‘E-Ship 1′, dat als belangrijke eyecatcher vier Flettner rotoren zal krijgen. Naast diepgaande studies worden diverse tests met de rotoren uitgevoerd, zowel aan land, op zee als met simulaties in windtunnels. Om het schip zo economisch te laten varen wordt nog een aantal innovaties doorgevoerd. Voor het schip wordt een uiterst innovatief ontwerp bedacht voor het roer en de schroef. De romp krijgt een uitgebalanceerde stroomlijn en ook de bulb wordt speciaal ontworpen.

In 2008 werd de opdracht verstrekt aan de Lindenau scheepswerf in Kiel. De tewaterlating vond plaats op 2 augustus 2008 waarbij de doopster het schip de fraaie Duitse tekst meegeeft: “Immer eine Handbreit unter dem Kiel”. Oorspronkelijk was ‘E-Ship 1′ slechts een projectnaam, echter bij nader inzien vond men het de geschikte naam voor het schip want de “E” staat voor: Enercon, Environment, Ecology, Experience, Experiment, Endurance en Encouragement. ‘E-Ship 1′ is niet alleen een voorloper op het gebied van energie-efficiënte, maar ook op het gebied van milieubescherming. Het is een onderdeel van een duurzaam totaalconcept dat niet alleen gebaseerd is op het terugdringen van brandstofconsumptie, maar ook de nadruk ligt op een milieuvriendelijke behandeling van uitlaatgassen, afval en ballastwater, en op efficiëntere methoden voor verwijdering van en het vermijden van afval. De normen die toegepast worden op dit schip zijn veel strenger dan de huidige IMO- richtlijnen.

Ontwerp van Wärtsila

De afbouw stokt als de Lindenau werf door de financiële crisis in de problemen komt en surseance van betaling aangevraagd moet worden. Enercon gaat op zoek naar een geschikte scheepswerf om het schip af te bouwen. De Cassens Werft in Emden lijkt de juiste kandidaat te zijn, maar ook deze werf heeft liquiditeitsproblemen. Na een aanzienlijke vertraging wordt het casco uiteindelijk in januari 2009 versleept naar de Cassens werf waar de uiteindelijke afwerking en oplevering plaatsvindt.

E-ship voor de afbouwkade

Bovendien loont het de moeite om naast de brandstofbesparing een eigen speciaal schip in de vaart te hebben dat is aangepast aan de eisen van Enercon. Het schip is zodanig gebouwd dat de grote onderdelen van de te verschepen windmolens niet gesjord behoeven te worden, resulterend in tijdwinst en geen lashingkosten, wat bijdraagt aan een gunstiger exploitatie. Om te vermijden dat het schip in ballast terug moet varen naar Duitsland zijn de ruimen zodanig ingericht dat vele andere soorten lading als retourvracht meegenomen kunnen worden. Om het laden en lossen overal mogelijk te maken is het schip uitgerust met twee aan bakboord geplaatste kranen en bevindt zich aan de achterzijde een laadklep.

In juli 2010 vindt de eerste proefvaart plaats van Emden naar Bremerhafen waarna nog een aantal extra trials uitgevoerd werden. Haar eerste reis maakt ze van Emden naar Dublin met windmolenonderdelen bestemd voor het Castledockrell Wind Farm project nabij Bunclody in County Wexford, Ierland.

Goede toekomst of dure (politieke) hobby

Nederland is als lid van de Europese Unie verplicht in 2020 20% van de elektriciteitsbehoefte uit duurzame bronnen op te wekken. Windenergie speelt hierbij een belangrijke rol. Windenergie is duurzame energie: schoon en onuitputtelijk. Op land is het bovendien de goedkoopste vorm van duurzame energie. Door de grote maatschappelijke tegenstand (horizon- en landschapvervuiling en lawaaioverlast) week de regering uit naar zee: offshore. Goed nieuws voor de maritieme sector, want er zijn vele miljarden mee gemoeid en beschikbaar. Installatie op zee vereist naast research en installatie ook aanvoer van zwaar materieel. De politiek heeft offshore windenergie zo enthousiast omarmd, dat het gevaar bestaat – net als bij de Betuwelijn en Hogesnelheidslijn – dat offshore windenergie ook een groot financieel debacle wordt. Hieronder een overzicht van de stand van zaken op dit moment en de toekomstplannen, maar ook berichten van kritiek.

Europa

De bouw van windturbines op zee laat een sterke groei zien. De EWEA, de Europese Wind Energie Associatie, meldde begin juli dat in de eerste helft van dit jaar 118 nieuwe windturbines zijn aangesloten op het elektriciteitsnet, met een totale capaciteit van 333 megawatt (MW). In heel 2009 was dat 577 MW en volgens de EWEA stevent de offshore windindustrie in Europa dit jaar af op een nieuw record. Er zijn inmiddels ook 151 turbines geïnstalleerd, die nog niet zijn aangesloten op het net. In totaal waren er in de eerste zes maanden zestien windparken op zee in aanbouw, waarvan een bij België, twee bij Denemarken, vijf bij Duitsland en acht bij het Verenigd Koninkrijk. Een woordvoerder van de EWEA tekent bij de cijfers aan dat Nederland een vooraanstaande positie heeft bij het ontwerpen van windparken, maar dat ons land ook een wereldleider zou moeten zijn bij de bouw ervan.

Verborgen kosten brandstofgebruik bij windenergie

Windmolens besparen geen brandstof, windstroom is alleen goedkoop omdat de rekening bij anderen gelegd wordt. Tussen 14 en 18 uur per dag moeten back-up centrales het overnemen van windproductie omdat er dan onvoldoende wind is. In de jaren ’70-’80 is de ontwikkeling van de moderne windturbine gestart. Die windstroom kun je niet allemaal zelf gebruiken dus wilden de molenaars dat aan het net verkopen. Groot was hun woede jegens de nutsbedrijven, die alleen de brandstofbesparing verminderd met de back-up kosten wilden betalen. En dat waren maar een paar centen per kwh, daar kon je geen molen van exploiteren. In de loop der jaren is niet de verbeelding maar de beeldvorming aan de macht gekomen. En de stroomproductiebedrijven zijn geprivatiseerd. Die willen tegen betaling best wel de back-up functie voor windmolens uitvoeren. Voor het windplan Urk van 430MW is dat ongeveer 30 miljoen per jaar. Dat wordt in de elektriciteittarieven verrekend, dat ziet verder niemand. En zo is iedereen tevreden: de molenboer, de stroomproducent, en alle groene wensdenkers. Het kost een paar centen, maar het geeft een groen gevoel. Erg jammer dat het letterlijk op lucht is gebaseerd, want de brandstofbesparing is nul of negatief. Voor een analyse op de niet bespaarde brandstof, zie clepair.net

Overheid

In de nota Ruimte wordt uitgegaan van 6000 MW windenergievermogen op de Noordzee. Daarbij wordt aangegeven dat realisatie van dit vermogen nodig is om dwingende redenen van groot openbaar belang. Het nut en de noodzaak voor 6000 MW is daarmee dus vastgesteld. Het nationaal continentaal plat of beter de Nederlandse Exclusieve Economische Zone (NEEZ) heeft een oppervlak van 60.000 km². Het Nederlandse deel van de Noordzee biedt daarom genoeg ruimte om 6000 MW windvermogen onder te brengen. De Staat der Nederlanden heeft het exclusief economische gebruiksrecht in dit gebied en daarmee dus ook het exclusieve recht om vergunningen voor de bouw van windparken af te geven. Het ministerie zal alleen bouwvergunningen verlenen voor individuele windparken die een oppervlak beslaan dat niet groter is dan 50 km². Het ministerie verleent geen bouwvergunning voor een installatie in een gebied dat voor andere functies wordt vrijgehouden. Dit zijn bijvoorbeeld militaire gebieden, scheepvaartroutes, stortgebieden, zand- en grindwinningsgebieden en kabelroutes.

Noordzee (Nederlands deel)

In het Nederlandse deel van de Noordzee zijn op dit moment twee windmolenparken. Het offshore windpark Egmond aan Zee (OWEZ) staat voor de kust in vak Q8 bij Egmond aan Zee. Het park heeft 36 windmolens met ieder een vermogen van drie MW. Het park was in augustus 2006 gereed en is gebouwd door Shell en NUON. Opvallend is echter dat Shell zich recent heeft teruggetrokken uit alles wat met offshore windenergie te maken heeft. (Zie kader Serieuze tegenwind)
Het tweede windmolenpark, het Prinses Amaliawindpark, staat in vak Q7 buiten IJmuiden. Het park heeft zestig Vestas V-80 windturbines van elk twee MW. Het windpark werd op 4 juni 2008 geopend.
Een initiatief van het Ierse energiebedrijf Airtricity om een offshore park van in totaal 284 MW te realiseren, wordt waarschijnlijk het derde windpark in de Nederlandse Noordzee. De locatie, West Rijn, ligt zo’n veertig kilometer uit de kust bij Hoek van Holland. Op die afstand zullen de windturbines vanaf de kust met het blote oog nauwelijks te zien zijn. Verder heeft het Ierse energiebedrijf in 2007 exclusiviteit gekregen voor een windmolenpark dat 350 MW moet produceren op locatie Breeveertien 2, zo’n 55 kilometer voor de kust van IJmuiden. Het hoopt in 2012 te beginnen met de bouw van dit park.
In de Leeuwarder Courant van 13 mei 2010 lazen we dat op een afstand van zo’n 55 kilometer uit de kust van Schiermonnikoog twee windmolenparken gerealiseerd worden met behulp van een forse subsidie van Minister van der Hoeven. Beide parken zijn goed voor 600 MW. De molens zijn 125 meter hoog.

Project	Voltooiing	Grootte	Afmeting	Bedrijf	Gebied
Wieringermeerdijk IJsselmeer	2015 - ?	30-40 turbines ~ 100 MW	2m	NUON / WCI	800m
Westermeerdijk, IJsselmeer	2014 - ?	30 - 45 turbines 180-250 MW	4m	Westermeerwind	500m - 1.200m
Noordermeerdijk, IJsselmeer	2014 - ?	26 - 30 turbines 100 - 160MW	4m	Farmers	400m
North Sea 9 licenced projects *	2014 - 2016	~ 2.800 MW	20 -35m	Airtricity (3), Eneco (2), RWE, NUON, Bard, E-Connection (2)	15km - 35km
Bard Offshore I en II *	2014 - ?	600 MW	35m	Bard	55km

Enkele tegenvallers

Problemen bij windmolenpark Egmond aan zee

De windmolens schijnen te verzakken op hun fundatie door fouten bij het grouten (opvullen met cement in het transitiestuk). De meeste molens zijn stopgezet. Opvallend is dat dit probleem zich ook voordoet bij Engelse windmolenparken, waar al rekening gehouden wordt met een mogelijke schadepost van tientallen miljoenen euro’s.

Meer subsidie nodig dan verwacht

Recentelijk werd bekend welke marktpartijen onder het huidige beleid hun windmolenpark mogen bouwen. Twee van de twaalf vergunde parken die aan de tender meededen, kregen subsidie voor totaal 600 MW. Deze twee windparken zijn gepland in het gebied ten noorden van de Waddenzee. Daarna is er nog een restbedrag te vergeven voor ongeveer 100 MW. De minister en de Tweede Kamer hadden gehoopt 950 MW te laten verrijzen. Het tegenvallende resultaat zet de doelstelling van 6.000 MW windenergie op zee in 2020 onder druk.

Shell trekt zich terug uit offshore windenergie

Na het opstarten van het proef-windmolenpark Egmond aan Zee, heeft Shell zich terug getrokken uit de offshore windenergie en stort zich uit economisch belang volledig op gascentrales. (Zie kader: serieuze tegenwind)

Rendement

Windenergie kost al gauw meer dan het oplevert, en niet alleen aan geld, maar ook aan brandstof en in dat geval vergroot het de CO₂-uitstoot. Aldus een van de conclusies uit het rapport van Cees Lepair. (zie Kader Verborgen kosten brandstofgebruik bij windenergie)

Serieuze Tegenwind, Shell  trekt zich terug uit windenergie.

Als een van de eerste investeerders in offshore windenergie (deelname aan proef-windpark Egmond aan Zee) heeft Shell zich recentelijk teruggetrokken uit de offshore windenergie markt en heeft gekozen voor de gascentrale. “Niet uit ongeloof over deze techniek, wel vanuit een verbazing over het gemak waarmee voorstanders economische, technologische en bestuurlijke barrières negeerden en daar door de publieke en politieke arena vrijwel moeiteloos mee wegkwamen. Een zeewindpark van 700 MW normale capaciteit staat in jaarproductie gelijk aan een moderne gasgestookte centrale van zo’n 250 MW. Als je kijkt naar de benodigde investering per MWh-productie, kost een gascentrale 15% van een landwindpark en nog veel minder vergeleken met een zeewindpark. Alleen al het stopcontact op zee, waarop de zeewindmolens dienen aangesloten te worden gaat de overheid tussen de 5 en 11 miljard euro kosten. Dat bedrag zal verrekend worden op de gebruiker, die nu al 40% van zijn energieprijs aan belastingen betaald. Shell prijst daarom wereldwijd aardgas aan als de meest verstandige grondstof voor elektriciteitsproductie: Betaalbaar, betrouwbaar en ook als grondstof nog lang uit grote voorraad leverbaar.”

(Piet de Wind: Hoofdredacteur Shell Venster)