DOSSIER

 

INVLOED WIND OP BRANDSTOFVERBRUIK


Student Technische Natuurkunde Nynke van Wamel onderzocht of de wind invloed heeft op het brandstofverbruik van schepen en zo ja, wat de invloed dan is. Daarnaast keek ze of er een advies kan worden gegeven over de optimale trim van het schip of ballast bij een bepaalde windsoort.


iet alleen h et wegverkeer, maar ook de scheepvaart heeft te ma ken met stijg end e brandstofprijzen. Het is daarom, vanuit economisch oogpunt, interessant voor rederijen om brandstofverbruik te verminderen. Naast dat het economisch voordelen biedt, betekent brandstofbesparing ook minder CO2- uitstoot.

In de minor “Advanced Engineering Tools for ShipX” zit als afsluiting een klein onderzoek van ongeveer vijf weken. Het onderwerp mag van alles zijn, zolang het iets maritiems is en er aspecten vanuit de minor in terugkomen. Als student Technische Natuurkunde aan de Haagse Hogeschool is het interessant om het onderzoek ook een natuurkundige draai te geven. Daar past bijvoorbeeld bij: het zoeken naar verbanden tussen grootheden. Dit komt ook terug in dit onderzoek.

Voor dit onderzoek zijn er twee verschillende datasets. Het gaat om een schip dat regelmatig tussen haven A en haven B vaart. De eerste dataset bevat weerdata. Deze data zijn afkomstig van meetplatformen die zich op dat moment in de buurt van het schip bevonden.

Hierin staan onder andere de datum, tijd, windsnelheid en windrichting. De tweede dataset bevat scheepsdata. Hierin staan bijvoorbeeld gegevens over vertrek/aankomst en scheepseigenschappen, zoals trim en ballast. Voor de scheepsdata zijn er dus twee datapunten per trip: een vertrek en een aankomst. Daartussen vallen enkele weerdata. Er zijn per trip ongeveer vier datapunten te vinden.


Data filteren en visualiseren

Door middel van Python (een general-purpose programmeertaal) is de data gefilterd en gevisualiseerd. Er is dus gekeken welke weerdata bij welke trip horen. Dit kon gedaan worden omdat er bij vertrek en aankomst een tijd en datum beschikbaar was en ook bij de metingen van de wind. Wanneer weerdata tussen de vertrek- en aankomsttijd vielen, hoorden deze bij die trip. Een trip duurt minder dan een etmaal. Er is daarom gekeken naar wat de gemiddelde windsnelheid en -richting waren tijdens de trip om een beeld te krijgen of daar een verband in zit met het brandstofverbruik. Na het filteren blijven er ongeveer 400 trips over die kunnen worden gebruikt.

    

Om een beeld te krijgen van de data, is in figuur 1 een visualisatie gemaakt. Deze bestaat uit twee grafieken. De eerste grafiek visualiseert de windrichting in de tijd. De tweede grafiek laat het brandstofverbruik en de windsnelheid zien over dezelfde tijdsperiode als de grafiek erboven. De windrichting geeft aan uit welke richting ten opzichte van het noorden de wind gemiddeld kwam per trip. Wanneer de windrichting 270° is, stond er dus een westenwind.


Brandstofverbruik

De bemanning schrijft het brandstofverbruik en het type brandstof per trip bij aankomst op in het logboek. Dit verbruik wordt gegeven in metrische tonnen en er wordt aangenomen dat het per trip is. In figuur 1 staat dit weergegeven met staafdiagrammen. Een staaf- diagram stelt een trip voor. De lengte (y-as) van de staaf geeft het brandstofverbruik weer en de breedte (x-as) van de staaf is afhankelijk van de duur van de trip. Met punten is aangegeven wat de gemiddelde windsnelheid per trip was. Hiervoor is de rechter y-as gebruikt.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Zo op het eerste oog is het lastig een verband te zien tussen het brandstofverbruik, de windsnelheid en de windrichting. Daarnaast is de windrichting ten opzichte van het noorden. Het is ook interessant om te kijken of de windrichting ten opzichte van het schip van invloed is op het brandstofverbruik.

In figuur 3 is er door middel van pijlen de wind- richting ten opzichte van het schip gevisualiseerd voor twee tijdsperiodes. Er is gekeken naar welke koers het schip ongeveer vaart van A naar B en van B naar A. Bij deze twee koersen is er gekeken wanneer het schip in de wind, aan de wind, halve wind, ruime wind en voor de wind vaart. Elk windtype bestaat uit een hoek van in totaal 45°. In figuur 2 staat een schematische weergave van wat de pijlen betekenen.

Het is ook relevant te kijken wat het gemiddelde brandstofverbruik is bij de verschillende windtypes ten opzichte van het schip. Dit staat weergegeven in figuur 4. Het hoogste brandstofverbruik is 10,9 ton. Dit is bij een koers voor de wind. Het laagste brandstof- verbruik is bij ruime wind, waar het verbruik 10,3 ton is. Dat is dus een verschil van 0,6 ton per trip.

Verband met windsnelheid en scheepseigenschappen Daarnaast is het ook interessant te kijken of er een direct verband is met de windsnelheid en bepaalde scheepseigenschappen en het brandstofverbruik. Dit is in figuur 5 geplot. Ook voor deze windsnelheden is er een gemiddelde per trip gebruikt. In alle grafieken in de figuur wordt gesteld dat het brandstofverbruik de afhankelijke factor is. Om te zien of er inderdaad een verband is tussen de twee grootheden, is door middel van Python door de puntenwolk een derdegraads polynoom getrokken, deze is te zien in het rood.

    
In de eerste grafiek in figuur 5 is te zien dat wanneer de windsnelheid hoger wordt, de brandstofconsumptie ook omhoog gaat. Echter zijn minder datapunten beschikbaar wanneer de snelheid hoger is. Vanaf 10 knopen naar 30 knopen is er een stijging te zien tot ongeveer 2 ton brandstofconsumptie per trip. Bij een trim van ongeveer 0,5 meter is er een lichte daling te zien in het brandstofverbruik. Uiteindelijk daalt de brandstofconsumptie met ongeveer 0,8 ton.

Als laatste is er gekeken naar het ballastgewicht. Hiervan ontbraken enkele data in de dataset. De meeste datapunten bevinden zich rond de 2.1 · 106 en 2.3 · 106 ton. Er is daar een lichte stijging te zien van 0,3 ton.


Windsnelheid meeste invloed

Uit deze data blijkt dat de wind invloed heeft op het brandstof- verbruik. De windsnelheid heeft de meeste invloed. Wanneer de windsnelheid stijgt, loopt ook het brandstofverbruik op. Bij de trim en het windtype is er ook een verandering te zien, maar deze verandering is kleiner ten opzichte van de windsnelheid. Wat opvallend is aan het brandstofverbruik per windtype, is dat bij een koers voor de wind meer brandstof wordt gebruikt dan bij tegenwind. De verande­ring in brandstofconsumptie bij de totale ballast is nog kleiner. Het is erg lastig hier een concreet advies te kunnen geven en er een conclusie uit te trekken, want er spelen ook andere factoren mee waar in dit onderzoek niet op in is gegaan. Wat voor invloed heeft de wind op de weerstand? Des te meer weerstand, des te meer ver­mogen er geleverd moet worden om deze kracht te compenseren. Dit is ook afhankelijk van het schip, bijvoorbeeld de vorm, trim en de lading. Daarnaast is er nog weinig bekend over de nauwkeurigheid van de windmetingen en of dit wellicht effect heeft op de resultaten. Om een duidelijker beeld te krijgen van de invloed van de wind, kun­nen er in een vervolgonderzoek Computational Fluid Dynamics- (CFD-)berekeningen worden gemaakt. Hierbij wordt gekeken naar de invloed van de luchtweerstand per windrichting en -snelheid. Daarnaast is er niet gekeken naar de gemiddelde snelheid van het schip per trip en of er wellicht een optimale vaarsnelheid is om het brandstofverbruik te minimaliseren bij een bepaalde windsnelheid en windrichting ten opzichte van het schip.

Als laatste hebben golven waarschijnlijk ook invloed op het brand­stofverbruik, dus met deze factor zou dan ook rekening gehouden moeten worden. Vanwege de tijd is dit niet meegenomen in dit on­derzoek, maar het is erg interessant hier verder op in te gaan in een vervolgonderzoek.

Brandstofgebruik van schepen is een actueel onderwerp dat nog erg in ontwikkeling is en waar nog meer onderzoek naar gedaan kan worden om uiteindelijk zuiniger en milieuvriendelijker te varen. Voor toekomstige schepen, maar ook voor de schepen van nu.

 

 

 

 

  LMB-BML 2007 Webmaster & designer: Cmdt. André Jehaes - email andre.jehaes@lmb-bml.be