Scheepsvoortstuwing

Uit Wikipedia, de vrije encyclopedie
Ga naar: navigatie, zoeken

Scheepsvoortstuwing is de "aandrijving" van een schip. Hiervoor kunnen veel methodes voor gekozen worden. De populairste manier van voortstuwen is op dit moment de dieselmotor. We kunnen onderscheid maken tussen mechanische of natuurlijke voortstuwing.

Natuurlijke voortstuwing[bewerken]

De natuurlijke voortstuwing is gecombineerd met spierkracht de oudste manier van het voortbewegen van een schip of boot. Natuurlijke voortstuwing is bijvoorbeeld wind en stroming. Spierkracht is niet alleen roeien, maar er zijn ook methodes zoals wrikken, bomen, peddelen en truilen.

Wind voortstuwing[bewerken]

1rightarrow blue.svg Zie Zeilen (varen) voor het hoofdartikel over dit onderwerp.

Nieuw is de toepassing van SkySails op grote containerschepen en vissersschepen, dit systeem heeft het meeste weg van een soort grote kite die het schip met windkracht voorttrekt. Hiermee kan een brandstofbesparing van 10 tot 35% worden gerealiseerd.

Mechanische voortstuwing[bewerken]

Mechanische voortstuwing houdt in dat de energie die nodig is om het een schip voort te stuwen wordt opgewekt door een machine. Er zijn vele verschillende vormen. Van stoom tot elektrisch en van diesel tot nucleair. Een voortstuwing van een schip berust niet altijd op een enkele methode of machine, maar kan ook een combinatie van systemen zijn, om zo de optimale manier van voortstuwen voor een specifiek schip en zijn doel te vinden.

Over het algemeen moet er eerst energie worden opgewekt, die vervolgens om wordt gezet in arbeid, die op zijn beurt weer wordt omgezet in de uiteindelijke voortstuwing.

Simpele flowchart basiselementen voortstuwing

Opwekken van energie[bewerken]

Energie is de basis om een bepaalde machine arbeid te laten verrichten. Stoom is nodig om een stoommachine of stoomturbine arbeid op te laten wekken, elektriciteit om een elektromotor te laten draaien.

Stoom[bewerken]

1rightarrow blue.svg Zie stoomketel voor het hoofdartikel over dit onderwerp.

Er zijn verschillende methodes om stoom op druk te brengen. De basis voor deze druk is een bepaalde temperatuur. Deze wordt verkregen uit een warmtebron. Voor deze warmtebron zijn er door de jaren heen verschillende methodes gevonden. De meest bekende is met kolen. Dit is echter een zeer arbeidsintensief proces. Een volgende ontwikkeling was stookolie. Deze werd met een pomp toegevoerd aan de ketels. Het was zelfs mogelijk kolengestookte ketels om te bouwen naar oliegestookte ketels. Met deze stoom werd vroeger een stoommachine aangedreven, later werden dit stoomturbines.

In de lpg- en lng-gastankers wordt de eigen lading gebruikt om de energie voor de voortstuwing op te wekken. Normaal gesproken werd een deel van de lading afgeblazen om zo te voorkomen dat er een te grote druk in de tanks ontstaat.

Tegenwoordig is het stoombedrijf grotendeels vervangen door het dieselbedrijf, waardoor stoom als ouderwets wordt gezien. Door het lage rendement is opwekking door steenkool en stookolie achterhaald, maar bij de eerder genoemde tankvaart is het desondanks toch (tot voor kort) rendabeler geweest om stoom toe te passen. Maar ook nucleair aangedreven schepen maken gebruik van stoom. Hierbij wordt de warmte opgewekt door de kernsplitsing gebruikt om stoom te vormen.

Elektriciteit[bewerken]

1rightarrow blue.svg Zie dieselelektrisch en turbo-elektrisch voor de hoofdartikelen over dit onderwerp.

Elektriciteit wordt opgewekt door generatoren en is tegenwoordig meestal in de vorm van wisselspanning. Een generator wordt aangedreven door een machine en wordt later weer omgezet door een elektromotor in arbeid. Elektriciteit kan daarom in dit geval gezien worden als een tussenvorm van energie. Elektriciteit kan echter als hoofdvorm van energie worden gezien als men gebruik maakt van een brandstofcel. Dit is echter nog geen toegepaste vorm in de scheepvaart, maar iets wat er vermoedelijk wel aan zit te komen. Sommige bedrijven beweren zelfs dat binnen een korte tijd (per KW) brandstofcellen goedkoper worden dan dieselmotoren in de aanschaf.

Hydrauliek[bewerken]

Hydrauliek is ook een energie in een tussenvorm. Deze wordt meestal als noodaandrijving gebruikt op (kleine) tankers. Tankers hebben namelijk, vanwege het explosie gevaar in de tanks, een hydraulische aandrijving van ladingpompen. Omdat dit systeem al is uitgerust met krachtige hydraulische pompen, is het geen grote investering om dit systeem ook te gebruiken voor een beperkte voortstuwing. Immers, de pompen worden aangedreven door elektromotoren, die weer worden aangedreven door elektriciteit. Dit wordt weer gevoed door de hulpmotoren. Het rendement is dus lager dan een goed functionerende hoofdmotor. Het nut van dit systeem is dan ook alleen zelf het schip naar een haven varen in het geval van een fatale motorstoring, waardoor een sleepboot of berger wordt uitgespaard.

Omzetten naar arbeid[bewerken]

De energie die is opgewekt, moeten worden omgezet naar arbeid. Bij stoom bestaat de keuze uit een stoomturbine of een stoommachine. Bij elektriciteit moet een elektromotor gebruikt worden en in het geval van een hydraulisch systeem een hydromotor.

Interne verbrandingsmotor[bewerken]

De dieselmotor is, net als de benzinemotor, van het type interne verbrandingsmotor. Dit houdt in dat dit een zeer rendabele machine is, omdat zowel de energie als de arbeid in één proces wordt opgewekt, wat ervoor zorgt dat er geen verlies is door het transport van energie. Ook gasturbines vallen onder interne verbrandingsmotoren.

Uiteindelijke voortstuwing[bewerken]

Naast het opwekken van de arbeid moet deze ook worden overgezet in een beweging van het schip. Dit wordt meestal gedaan door het verplaatsen van water. Ook zijn er voorbeelden bekend dat er gebruik wordt gemaakt van de verplaatsing van lucht, bij bijvoorbeeld hovercrafts of moeras boten. Ook wordt er wel eens gebruikgemaakt van een kabel, bij bijvoorbeeld een kabelpont (zie ook veerpont).

Verplaatsen van water[bewerken]

De meest voorkomende manier van het verplaatsen van water is door middel van een schroef. Ook is er een tijd gebruikgemaakt van een rad. Dit werd toegepast op raderstoomboten. Een wendbaar systeem is de Voith Schneider Propellers. Een middel wat vooral op snelle schepen en boten wordt toegepast is de waterjet.

Rendement[bewerken]

Een drijvend lichaam dat door het water wordt gesleept met snelheid Vs ondervindt een weerstand Rt. Dit komt overeen met het sleepvermogen PE:

 P_E = R_t \cdot V_s

Bij schepen met schroefvoortstuwing is dit vermogen niet gelijk aan het vermogen aan de schroef PD door verlies van de schroef en de invloed van de romp. Het verschil is de voortstuwingscoëfficiënt (quasi-propulsive efficiency) ηD:

 \eta_D = \frac{P_E}{P_D} = \eta_0 \cdot \eta_H \cdot \eta_R

waarbij:

η0 open-waterschroefrendement (propeller efficiency)
ηH invloedscoëfficiënt (hull efficiency)
ηR overgangscoëfficiënt (relative rotative efficiency)

Daarnaast treedt bij de schroefas een vermogensverlies op:

 \eta_S = \frac{P_D}{P_B} asrendement ( shaft efficiency)

waarbij PB het vermogen aan het vliegwiel (brake power) is.

Indien er een overbrenging via een tandwielkast is, is ook hier sprake van vermogensverlies, wat uitgedrukt wordt met het tandwielkastrendement (gearing efficiency) ηG.

Het voortstuwingsrendement (propulsive efficiency) ηP kan dan geschreven worden als:

 \eta_P = \frac{P_E}{P_B} = \eta_0 \cdot \eta_H \cdot \eta_R \cdot \eta_S \cdot \eta_G

Geschiedenis[bewerken]

Gedurende het grootste deel van de geschiedenis is gebruikgemaakt van natuurlijke voortstuwing. Hierbij werd meestal gebruikgemaakt van de wind, door middel van zeilen. Ook werd dit veel gecombineerd door spierkracht. Tijdens de industriële revolutie is de mechanische voortstuwing naar voren gekomen. Gedurende een lange tijd heeft stoom een belangrijke rol gespeeld in de zeevaart. Zelfs na de uitvinding van de dieselmotor bleef men stoom gebruiken. Dit kwam doordat er met dieselmotoren nog niet zoveel vermogen kon worden opgewekt als met een stoom systeem. Nog wordt er tegenwoordig voor zeer grote vermogens stoom gebruikt, zoals in gascentrales.

Door de jaren heen is echter toch de dieselmotor de meest gebruikte krachtbron geworden in de scheepvaart. Dit omdat ze steeds meer vermogen konden opwekken, tegen een hoger rendement. Zo is tegenwoordig de dieselmotor de standaard in de scheepvaart en wordt stoom alleen nog gebruikt in uitzonderlijke gevallen.

Stoom wordt nog wel vaak gebruikt in het hulpbedrijf van een schip, waarbij er warmte uit de uitlaatgassen van de hoofdmotor wordt onttrokken, voor verwarmingsdoeleinden. Bij oudere schepen wordt deze stoom ook nog eens gebruikt voor het opwekken van elektriciteit, maar dat komt tegenwoordig steeds minder voor. Dit vanwege hoge investeringskosten, meer warmtevraag van hulpsystemen en de komst van thermische olie-systemen.