Vervanging LCF; scheepsvoortstuwing voor dummies

Op 1 maart heeft Defensie de zogenaamde A-brief "Vervanging LCF-fregatten" naar de Kamer gestuurd. Defensie wil de huidige vier fregatten vervangen en geeft op hoofdlijnen informatie over de kwalitatieve en kwantitatieve behoefte, de bewapening en de verwervingsstrategie. Opvallend is dat er nog geen significante stap is gezet in het kader van de Northern Naval Capability Cooperation. In 2020 hadden Duitse en Nederlandse bewindslieden daar nog wel een Letter of Intent over getekend. 

Wat voor soort schip het gaat worden qua grootte, snelheid en bemanning is nog onduidelijk. Wel dat er zal worden ingezet op bemanningsreductie, en verder een "non committal" zinnetje dat het schip duurzaam zal zijn voor zover de operationele eisen dat toelaten. Gelet op de grote uitdagingen met betrekking tot de energietransitie en de beschikbaarheid van voldoende bemanningen, is dat wel erg karig.

Als je daar in dit stadium niet over nadenkt en rapporteert, dan doe je de Kamer en Nederland tekort. Dan loop je de kans dat je straks achter de feiten aanloopt. Om die discussie op gang te helpen, een bijdrage "Scheepsvoortstuwing voor dummies". 

Verschil tussen koopvaardijschepen en marineschepen

Koopvaardijschepen worden ontworpen voor een dienstsnelheid: de vaarsnelheid waarmee goederen het energie-efficiënts van A naar B worden vervoerd. Marineschepen varen meestal net boven de optimale vaarsnelheid (de snelheid waarmee met de minste brandstof de meeste mijlen worden afgelegd). Maar naast die optimale vaarsnelheid, circa 13 knopen, is er soms een operationele noodzaak om veel harder te varen, tot wel 30 knopen. Dat telt aan, want om twee keer sneller te varen, is acht keer meer vermogen nodig. Door het grote verschil tussen optimale vaart en maximale vaart, is de energie-efficiency van marineschepen over het hele vaarprofiel dan ook aanzienlijk minder dan bij koopvaardijschepen met dezelfde waterverplaatsing.

Om bij maximale vaart dat enorme vermogen in het water te krijgen, is een schroef nodig met een diameter die eigenlijk niet past onder een relatief klein schip als een fregat. Marineschepen hebben daarom, in tegenstelling tot koopvaardijschepen, altijd twee schroeven. De kleinere diameters passen beter bij de scheepsomvang, en verbeteren de "overall" energie-efficiency: dat laatste door bij economische vaart op één as te varen en de andere "trailend" te maken.

Daarnaast verbetert het gebruik van twee assen/schroeven de redundantie, en is ook wel zo gemakkelijk bij het manoeuvreren.

Hoofdvaart en kruisvaart

Om dat enorme verschil in vermogensvraag aan te kunnen, maken marineschepen al decennia gebruik van kruisvaart-hoofdvaart combinaties: kruisvaart voor normale vaart en hoofdvaart als snelheid gevraagd wordt. Configuraties die van elkaar worden onderscheiden door afkortingen zoals COGOG (combined gas or gas) zoals voor de GW- en S-fregatten en CODOG (combined diesel or gas) zoals voor M- en LCF-fregatten. Het OPV maakt gebruik van een CODLOD (combined dieselelectric or diesel) opstelling. Maar er zijn meer combinaties beschikbaar en gangbaar. 

Gemiddeld zullen de kruisvaartmachines circa 80% van de vaartijd voor hun rekening nemen, en de hoofdvaartmachines de rest.

Viertakt, tweetakt en gasturbines

Binnenvaart, kustvaart en marines maken gebruik van viertakt dieselmotoren. De viertakt heeft in- en uitlaatkleppen en bij elke twee omwentelingen per cilinder één arbeidsslag. Het vermogen dat een viertakt kan leveren, hang af van het aantal cilinders, het slagvolume per cilinder en het toerental. Door versnellingskrachten, torsiekrachten, en de temperaturen waaraan de kleppen worden blootgesteld, zit er aan een viertakt scheepsdieselmotor een praktisch maximum van 20MW. 

Om een fregat van 5000+ ton met 25 knp+ te laten varen, is circa 40 MW nodig. Dat kan theoretisch ook met een tweetakt dieselmotor: er zijn machines met méér dan 80 MW. Een tweetakt dieselmotor heeft geen kleppen maar in- en uitlaatpoorten, en bij élke omwenteling één arbeidsslag. In theorie kan een tweetakt machine daarom, met hetzelfde slagvolume en toerental, tweekeer meer vermogen leveren dan een viertakt machine. Maar in de praktijk zijn tweetakt motoren te groot en te zwaar om in een relatief klein schip als een fregat te worden geplaatst.

Marineschepen maken daarom voor hoofdvaart gebruik van gasturbines. Die zijn minder energie-efficiënt dan dieselmotoren, maar zijn ongeëvenaard als het gaat om de vermogen/gewicht, en de vermogen/volume verhouding. Waar kolossale tweetakt dieselmotoren honderden tonnen wegen, wegen gasturbines slechts tientallen tonnen en hebben ze een "zeecontainer" omvang. 

Vaste schroeven en variabele schroeven

Een gasturbine heeft moeite om aan een stilstaande as met vaste schroef, te koppelen. Bij laag vermogen gaat er al teveel lucht door de gasturbine - vandaar het gebruik van een bleed-off-valve - , maar die luchtstoom kan geen kant op als de krachturbine na het inkoppelen relatief bijna stilvalt. De gasturbine kan/zal afvallen.

Om dat te voorkomen, hebben schepen met gasturbines scheepsschroeven met een variabele spoed. Bij het inkoppelen staan de bladen in "nul" stand en kunnen krachtturbine en as met relatief weinig vermogen snel aanspinnen. De luchtstroom door de turbine blijft dan min of meer intact. Als bij het wegvaren meer vermogen nodig is, dan zorgt de VSI ervoor dat de bladen worden uitgestuurd naar een spoed van circa 35 graden.

Dieselelektrisch, en nucleaire voortstuwing

Behalve kruisvaart-hoofdvaart combinatie zijn er nog twee mogelijkheden. Een geheel dieselelektrisch voortstuwing/licht-kracht installatie is energie-efficiënt, maar zal een groot beslag op het onderwaterschip leggen. Niet alleen omdat meerdere grotere (en kleinere) viertakt  dieselgeneratoren nodig zijn, maar er ook ruimte nodig is voor de Tier III katalysatoren en de hoogspanningsruimtes. De kolossale voortstuwingselektromotoren zullen veel ruimte en gewicht in het achterschip nodig hebben. Er zijn weliswaar geen tandwielkasten nodig, maar dat zal de extra ruimte/gewicht beslaglegging niet teniet doen.

Met nucleaire voortstuwing maakt de Marine zich minder afhankelijk van fossiele brandstoffen en draagt het ook bij aan eigen en nationale doelstellingen om klimaatverandering tegen te gaan. Maar de thermische (kern) energie moet dan nog wel met een stoominstallatie in vermogen worden omgezet. Dat kan technisch, is immers meer dan honderd jaar gedaan, maar is wel complex in vergelijking met diesel en gasturbine. Die gebruiken immers lucht als werkzaam medium - kwestie van aanzuigen en uitblazen -, terwijl een stoominstallatie in een gesloten systeem water/stoom als werkzaam medium gebruikt.

Kosten en bemanningen.

Huidige marineschepen hebben grote en complexe voortstuwingsinstallaties. Gasturbines, grote one-off tandwielkasten, zelf synchroniserende koppelingen en VSI-installaties worden bijna uitsluitend door marines gebruikt. Ze zijn daarom duur, niet alleen bij de verwerving, maar ook in het gebruik, onderdelen, brandstof- en opleidingskosten; geld dat dan niet beschikbaar is voor andere belangrijke dingen.

Praten over verdere reductie van de bemanning is wensdenken, vooral wanneer het gaat om technisch personeel. De huidige complexe voortstuwingsinstallaties vergen nu eenmaal handjes, voetjes en koppies. Als je de huidige complexe installaties niet rationaliseert, loop je het risico dat de techneuten die er nu nog zijn, in de toekomst nog sneller weglopen.

Door in de A-brief niet structureel over de stootkussen van de toekomst na te denken, te weten energietransitie en bemanningen, loop je het risico dat er in de toekomst ook (weer) schepen tegen de kant moeten. Dat is, daar zijn we het allemaal over eens, doodzonde.

foto: defensie