Alles om tot een succesvolle aanvraag te komen

NWO bevordert wetenschappelijk onderzoek van wereldklasse mét impact

NWO verbindt agenda’s, wetenschap en samenleving

Blijf op de hoogte van het laatste nieuws rond toekenningen, nieuwe calls en het beleid van NWO

NWO is de belangrijkste Nederlandse wetenschapsfinancier en zorgt voor kwaliteit en vernieuwing in de wetenschap

Het klotsen van vloeibaar aardgas (LNG, liquefied natural gas) dat per schip wordt vervoerd – voor transport of als brandstof – kan de opslagtanks beschadigen. In het SLING Perspectief-programma onderzocht een consortium van wetenschappers en bedrijven hoe klotstesten op schaal tot een verbeterd ontwerp voor deze opslagtanks kunnen leiden, met als uiteindelijk doel om de uitstoot van de scheepvaart te verminderen.

De scheepvaart draagt flink bij aan de wereldwijde uitstoot van CO2. Dit wil de sector reduceren door van stookolie over te stappen op LNG of andere cryogene brandstoffen (die bij zeer lage temperatuur worden opgeslagen) zoals waterstof. Aardgas wordt onder atmosferische druk en bij een temperatuur van 160 graden Celsius onder nul vloeibaar gemaakt, zodat er veel meer van vervoerd kan worden in de speciaal daarvoor ontworpen opslagtanks. Deze tanks minimaliseren de warmteoverdracht, waarmee ze de scheepsconstructie beschermen en de verdampingsverliezen van LNG verminderen.

Zogenoemde membraantanks, die aan de scheepsromp verankerd zijn, bieden hierbij een grotere opslagcapaciteit dan losse cilindrische tanks. Maar het ontwerp ervan komt met extra uitdagingen, omdat ze makkelijker beschadigen door het klotsen van het LNG. Daardoor is extra versteviging nodig wat ten koste kan gaan van de isolerende werking van de tank.

Membraantanks voor grote LNG-transportschepen worden ontworpen door in een schaalmodel de krachten (drukbelasting) te meten die klotsende vloeistoffen op een wand uitoefenen, en hier vervolgens bepaalde schaalfactoren op toe te passen. Bij kleinere tanks, bijvoorbeeld voor de opslag van LNG als brandstof, is de klotsdynamiek anders. De scheepsbewegingen zijn mogelijk kleiner, maar het vulniveau van de tanks kan variëren van helemaal vol tot helemaal leeg. Het ontwerp moet hiervoor opnieuw geoptimaliseerd worden.

‘We weten dat de drukbelasting zoals we die nu bepalen te conservatief is voor kleinere tanks,’ zegt Hannes Bogaert, manager Performance at Sea bij onderzoeksinstituut Marin. ‘Met geoptimaliseerde klotstesten willen we de kosten van deze kleinere membraantanks naar beneden brengen. Zo hopen we de introductie van cryogene brandstoffen te versnellen en daarmee de milieu-impact van de scheepvaart te reduceren. Voor deze en elke andere toepassing zullen we telkens een nieuwe balans moeten vinden tussen de sterkte van het isolatiesysteem, en de thermische efficiëntie ervan om zo verdamping te beperken.’

Bij klotsen draait het om een vloeistof, een damp en een constructie die op verschillende lengte- en tijdsschalen met elkaar interacteren – een echt meer-fasen fenomeen. Bogaert: ‘Golven in de brandstoftank kunnen enkele meters hoog zijn en het kan seconden duren voordat ze de wand bereiken. De daaropvolgende inslag duurt slechts milliseconden met een hoop fysica die zich op millimeterschaal afspeelt.’

Het SLING-programma probeerde de fysica van klotsend LNG (verder) te ontwarren. Uit voorafgaand onderzoek van Marin bleek dat deze uitdaging om een integrale aanpak vroeg met zowel experimenten als numerieke modellering, en dat er behoefte was aan een nieuwe, grootschalige testfaciliteit. ‘Het NWO Perspectief-programma bleek het ideale financieringsinstrument hiervoor,’ zegt Hans Hopman, professor Ship Design aan de TU Delft en plaatsvervangend SLING-projectleider. ‘Het bracht de hydrodynamica-expertise van enkele Nederlandse universiteiten, enkele grote internationale spelers zoals Shell en het Franse GTT (specialist in LNG-technologie), en meerdere high-end Nederlandse ingenieursbureaus bij elkaar. Van het begin af aan hebben we ook de classificatiebureaus voor de scheepvaart erbij betrokken, omdat dit de acceptatie van onze uitkomsten door de scheepvaartsector flink zou versnellen.’

De nieuwe testfaciliteit is bij Marin ondergebracht en heet ‘The Atmosphere’ (ATM). Het is een 15 meter lange cilindrische autoclaaf (drukvat). Het biedt de onderzoekers nauwkeurige en onafhankelijke controle over de gasdruk (20 mbar tot 10 bar), gastemperatuur (15 tot 200 graden Celsius), en de samenstelling van het gas (niet condenseerbare gassen zoals helium, stikstof en SF6, en condenseerbare waterdamp). In de autoclaaf staat een 10 meter lange golfgoot waarin golven kunnen worden opgewekt en de impact ervan nauwkeurig gemeten. Experimenten zijn te monitoren met behulp van talrijke kijkglazen, sensoren en camera’s. Het bouwen van The Atmosphere bleek een flinke uitdaging waardoor het apparaat eind 2019 beschikbaar kwam.

‘Het is belangrijk om je te realiseren dat het niet ons doel was om klotsen te voorkomen,’ zegt Rodrigo Ezeta, een van de onderzoekers van het SLING-project. ‘We wilden de industrie helpen door het (natuurkundige) inzicht te vergroten in de afwijkingen die kunnen optreden bij het opschalen van laboratoriummetingen naar werkelijke omstandigheden. Door druk, temperatuur en de gassamenstelling te variëren, konden we omstandigheden creëren die representatief zijn voor cryogene golfslag in een opslagtank – met gebruik van gewoon water in plaats van het onpraktische en dure LNG.’

Een belangrijke parameter waar de SLING-onderzoekers mee speelden was de dichtheidsverhouding tussen gas en vloeistof. Ezeta: ‘We hebben gezien dat deze parameter grote invloed heeft op de vorm van de golf vlak voor impact, en daarmee op de krachten die optreden.’

Omdat de fysica van klotsen nu eenmaal heel complex is, kwamen op de gebruikersbijeenkomsten ook regelmatig details ter sprake. ‘Het is nogal een stap van ons fundamentele onderzoek naar het dagelijkse werk van onze industriële partners,’ zegt Bogaert. ‘Ze zullen zich af en toe wel afgevraagd hebben hoe het hen helpt bij het ontwerpen van betere brandstoftanks. Maar ze begrepen ook dat het ingewikkelde materie was, daar waren ze heel realistisch in.’

De SLING-onderzoekers hadden maar wat graag het definitieve antwoord gegeven op wat de beste manier is om klotstesten op schaal uit te voeren en hoe je deze resultaten vervolgens corrigeert naar brandstoftanks op werkelijke schaal. Hopman: ‘We hebben grote vooruitgang geboekt in onze theoretische modellen, maar dat doel hebben we nog niet bereikt. De huidige industriestandaard is op dit moment nog steeds de beste aanpak. Het onderzoek naar faseovergangen tussen cryogene vloeistoffen en hun damp vindt een vervolg in het IMBOL Vici-programma, met gebruik van the Atmosphere en ondersteuning van de industriële partners van SLING.’

De meer dan tien kennisprofessionals die zijn opgeleid tot experts in de numerieke stromingsleer, en het met SLING gecreëerde kennisnetwerk, zullen een blijvende impact hebben op scheepvaartemissies. ‘Hun kennis is van fundamenteel belang bij de volgende stap: de overstap naar waterstof als brandstof,’ zegt Bogaert. ‘Dat geldt ook voor onze experimentele en theoretische modellen. Ze zijn weliswaar specifiek voor LNG ontworpen, maar de inzichten zijn zeker van belang voor een emissievrije toekomst met waterstof. We beginnen niet bij nul.’

Met het afronden van het SLING-programma is de testfaciliteit overgedragen aan Marin waar hij bij veel van hun hydrodynamica-onderzoek ingezet zal worden. Maar ook externe wetenschappers kunnen er gebruik van maken. ‘We hebben bijvoorbeeld al verzoeken gekregen voor het onderzoek naar de dynamica van aerosolen in de context van de COVID-19-pandemie, en voor onderzoek naar de dynamica van zand op Mars,’ zegt Bogaert. ‘De ATM is een heel veelzijdige onderzoeksfaciliteit.’

Onderzoeksprogramma Perspectief Sloshing of Liquefied Natural Gas (SLING)

Disciplines Natuurkunde Scheikunde Technische wetenschappen Informatica

De Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek financiert toponderzoekers, geeft sturing aan de Nederlandse wetenschap via programma's en beheert (inter)nationale kennisinfrastructuur.

Inschrijven nieuwsbrief