Vægt kan være en helt afgørende faktor, hvis man vil mindske et skibs miljøpåvirkning. Enten kan en reduceret vægt øge et skibs dødvægt, og dermed gøre det i stand til at flytte mere fragt, eller også kan en reduceret vægt nedsætte kilowatt-behovet i skibets fremdrift.
Dermed kan en vægtreducering enten bevirke, at der kan fragtes flere tons per fremdrift-kilowatt, uden farten behøver at blive nedsat. Eller mængden af kilowatt i fremdriften kan simpelthen sænkes, hvis der ikke er et kommercielt behov for at øge fragtindtaget.
Begge scenarier er oplagte ”grønne” muligheder inden for færgefart, hvor krav om høj frekvens oftest udelukker slow steaming, som ellers medvirker til forbedringer af miljøprofilen i andre dele af skibsfarten.
Læs også: Danske værfter kan bygge kompositsektioner til retrofit
Dansk Brand- og sikringsteknisk Institut (DBI) og Danmarks Tekniske Universitet (DTU), repræsenteret ved de to institutter DTU Mekanik og DTU Byg, har derfor sammen taget udfordringen op i forhold til at nedbringe vægten på større færger bygget efter SOLAS-reglerne (IMO’s konvention vedr. Safety of Life at Sea).
Midlet er at anvende letvægtskompositmaterialer fra hoveddækket og op som alternativ til den traditionelle og langt tungere konstruktion af stål. Målet for det fælles projekt, under navnet COMPASS (COMposit-overbygninger til større PASSagerskibe), er at dokumentere samspillet mellem konstruktion og reaktion over for brand ved brug af letvægtskompositmaterialer på et passagerskib.
Når projektet er gennemført med udgangen 2015, skal COMPASS således have udkast til guidelines klar for både producenter af komposit og for myndigheder. Dermed bliver begge parter i stand til i praksis at håndtere de såkaldte SOLAS II-2-regler ved ny- og ombygning af større passagerskibe.
For selvom kapitel II styk 2 i SOLAS allerede tilbage i 2002 fik en ny regel nummer 17, som gjorde op med det hidtidige ensidige fokus på metaller, så anvender man ikke letvægtskompositmaterialer i passagerskibe i særlig høj grad. Godkendelsesprocesser på to år eller mere, som følge af manglende guidelines og performancedata på de enkelte typer af kompositmaterialer ved brand, har hidtil gjort det umuligt for værfter at kommercialisere brug af letvægtskompositter i færgesegmentet.
Regel 17
”Vi har med Regel 17 nu mulighed for at manøvrere uden om den præskriptive tilgang i SOLAS i forhold til materialer og brandsikkerhed. Regel 17, som er en performance-baseret kode, giver os mulighed for ved hjælp af analyser og dokumentation at argumentere for, at specifikke typer af letvægtskompositter, brandsikkerhedsmæssigt er lige så sikre at anvende på et passagerskib som stål,” siger Dan Lauridsen, der er med til at repræsentere DBI i COMPASS-projektet. Til dagligt arbejder han som civilingeniør med brandteknisk prøvning og brandmodstandevne hos DBI i Hvidovre.
Christian Berggreen, lektor ved DTU Mekanik, Institut for Mekanisk Teknologi, supplerer:
”På bundlinjen handler det om at lette hele processen ved enten at bygge nye færger med kompositoverbygninger eller at retrofitte overbygninger af komposit på eksisterende færger. Optimalt vil det kunne lade sig gøre ved, at vi får opbygget en database med kompositkomponenter, der er prækvalificerede rent brandsikkerhedsmæssigt. Det behøver i starten ikke være så mange, for i virkeligheden er overbygningen på et skib relativt simpel. Som regel er den ikke særlig lastebærende, og den består af en stor mængde standardkomponenter: Paneler, skot, samlinger, bærende bjælker osv.,” forklarer Christian Berggreen.
Den kolde og varme del
Arbejdsfordelingen mellem DTU Mekanik, DTU Byg og DBI i COMPASS-projektet er populært sagt sådan, at DTU Mekanik tager sig af den kolde del – altså det konstruktionsmæssige i forhold til bæreevne og sammenføjninger, mens DBI og DTU Byg tager sig af den varme del. Det vil sige den rent brandsikkerhedsmæssige – i praksis en lang række brandtests og analyser af specifikke kompositmaterialer og komponenter. Hos DTU Byg vil en forskergruppe ledet af lektor Grunde Jomaas særligt beskæftige sig med nye brandafprøvningsmetoder for kompositter, der nemmere kan evaluere brandegenskaberne for standardkomponenter til kompositoverbygninger på skibe.
Carsten Møller, forsknings- og innovationskonsulent, er projektleder for DBI’s deltagelse i COMPASS-projektet.
”Principielt kan vi ende med at skulle konkludere, at de kompositmaterialer, vi kender i dag, ikke egner sig til at bygge et brandsikkert passagerskib af. Men jeg forventer klart, at det viser, at det godt kan lade sig gøre. Det handler i bund og grund om, at vi får identificeret de materialesystemer, der kan dokumenteres at være sikre, blandt de mange, som eksisterer derude. I dag regnes de alle over en kam for at være problematiske brandsikkerhedsmæssigt i forhold til stål. Men i første omgang handler det også om, at vi får identificeret de mindst problematiske steder på en færge rent brandsikkerhedsmæssigt, og så starter med anvendelsen af kompositter dér,” siger Carsten Møller.
Ikke et nyt fænomen
Letvægtskompositmaterialer i skibsbygning er langtfra et nyt fænomen, ligesom lette kompositter også indgår i en række andre konstruktioner, lige fra tennisketchere til Boings nye 787 mellem-og langdistancerutefly.
I Danmark er værfter som Danish Yacht i Skagen, Mathis Værft i Aalborg, Tuco Marine Group og Faaborg Værft i Faaborg langt fremme med skibsbygning i lette kompositter fra den traditionelle glasfiber til mere avancerede kulfiber-typer. Men SOLAS-reglerne har hidtil forhindret, at værftsindustrien har rettet blikket mod de større færger i forhold til kompositmaterialer.
Sverige er et af de lande, som har erfaring med bygning af store skibe i lette kulfibermaterialer. Først og fremmest med VISBY-klassen bestående af fem knapt 73 meter lange korvetter bygget i en kulfiber-sandwichkonstruktion af Kockums-værftet i Karlskrona. Men som med de danske komposit-nybygninger (glasfiber) i den nu udfasede Flyvefisken-klasse, og siden Holm- og Diana-klasserne, er der tale om miltære fartøjer, der ligger helt uden for regelværket i IMO.
I Norge har man bygget Skjold- og Oksøy-klasserne i lette kompositter, men landet har også en række små passagerbærende katamaraner i lokaltrafikken konstrueret i kulfibermaterialer.
Der findes også danske civile eksempler på kommercielle nybygninger i lette kompositter med mere end 12 ombordværende – altså defineret som passagerskibe af Søfartsstyrelsen. F.eks. Fob Swath-serien til havmølleindustrien fra Danish Yachts og Arriva Danmarks havnebus Nyhavn fra Baltec Werft i Tyskland. Men i begge tilfælde gør brugs- eller fartsområde-definitionen, at de ikke er underlagt begrænsningerne i SOLAS II-2.
FAKTA om COMPASS-projektet
Med den relativt store erfaring med lette kompositter i skibsbygning generelt er fordelene også veldokumenterede. Ikke mindst to ting taler for letvægtskompositmaterialer: Et meget attraktivt forhold mellem vægt og strukturel styrke, samt meget gode korrosionsmæssige egenskaber, der kan øge en nybygnings levetid og dermed retfærdiggøre en eventuel merpris ved kontraheringen. Teoretiske studier i Sverige, foretaget med et stort krydstogtskib som case, har dokumenteret, at letvægten kan reduceres med 1.200 tons, ved at de fem øverste dæk konstrueres i kulfiberkompositter i stedet for stål.
Udgangspunkter
Ligesom med det svenske studie forholder COMPASS-projektet sig også alene til skibet fra hoveddækket og op. Ifølge Christian Berggreen er markedet og udviklingen inden for kompositter endnu ikke moden til at konstruere skibe helt fra kølen af, ret meget større end f.eks. de svenske korvetter. Dimensionerne ville simpelthen blive for store indvendigt i skroget under vandlinjen med de nuværende økonomiske utilgængelige teknologier, hvis den nødvendige skrogstivhed skulle opnås på store færger på 100 meter eller mere. Derfor er en af opgaverne i COMPASS-projektet for DTU-holdet også at forholde sig til de tekniske udfordringer ved sammenføjningerne mellem stål og kompositkomponent.
Dan Lauridsen forklarer, at et andet udgangspunkt i COMPASS-projektet er anvendelse af isolering, som skal øge komposittens brandmodstandsevne. Denne løsning anvendes i udstrakt grad også ved bærende aluminiumskonstruktioner på hurtigfærger, der er konstruerede efter (HSC) High Speed-koden. Men i COMPASS-projektet skal metoden ikke alene bidrage til at øge brandmodstandsevnen, men også bevirke, at anvendelsen af miljøproblematiske brandhæmmere kan begrænses.
Færgecase
Mens DBI og DTU Byg skal foretage det store test- og analysearbejde af den faktiske brandmodstandsevne på mange af de relevante kompositmaterialer og komponenter, der skal være grundlaget for kommende forhåndsgodkendelser og guidelines, skal DTU Mekaniks bidrag mest bestå af en teoretisk retrofitting-case. I den forbindelse har Scandlines stillet alle tegninger af deres to danskbyggede Rødby-Puttgardenfærger Prinsesse Benedikte og Prins Richard til rådighed for COMPASS-projektgruppen på DTU.
Ud over det teoretiske designarbejde skal DTU Mekanik også bidrage inden for afprøvning af kompositmaterialer og komponenter i DTU Structural Lab (Center for Mechanical Testing of Structures and Materials), hvor DTU Mekanik har stor erfaring og ekspertise inden for test og afprøvning af kompositmaterialer, -komponenter og -strukturer.
Scandlines skal ikke selv deltage aktivt i COMPASS-projektet, men rederiet er i forvejen helt i front i forhold til at afprøve og introducere nye grønne teknologier i færgefart.
Senest med hybrid batteri/diesel-elektrisk drift på Rødby-Puttgardenruten og på de kommende to nye færger på Gedser-Rostockruten. Men Scandlines’ interesse i projektet skal nok primært ses i sammenhæng med rederiets zero emission designkoncept, omhandlende en ny færgegeneration, der skal være fuldstændig emissionsfri ved hjælp af et væld af nye teknologier, heriblandt lette materialer.
En udefrakommende part, der skal deltage aktivt, er imidlertid Niels Hjørnet Yachts Design, som tidligere har gennemført analyseprojektet Øko-Ø-færge, der netop sammenlignede potentialet ved at bygge en mindre ø-færge i komposit i stedet for stål.
Dermed kan en vægtreducering enten bevirke, at der kan fragtes flere tons per fremdrift-kilowatt, uden farten behøver at blive nedsat. Eller mængden af kilowatt i fremdriften kan simpelthen sænkes, hvis der ikke er et kommercielt behov for at øge fragtindtaget.
Begge scenarier er oplagte ”grønne” muligheder inden for færgefart, hvor krav om høj frekvens oftest udelukker slow steaming, som ellers medvirker til forbedringer af miljøprofilen i andre dele af skibsfarten.
Læs også: Danske værfter kan bygge kompositsektioner til retrofit
Dansk Brand- og sikringsteknisk Institut (DBI) og Danmarks Tekniske Universitet (DTU), repræsenteret ved de to institutter DTU Mekanik og DTU Byg, har derfor sammen taget udfordringen op i forhold til at nedbringe vægten på større færger bygget efter SOLAS-reglerne (IMO’s konvention vedr. Safety of Life at Sea).
Midlet er at anvende letvægtskompositmaterialer fra hoveddækket og op som alternativ til den traditionelle og langt tungere konstruktion af stål. Målet for det fælles projekt, under navnet COMPASS (COMposit-overbygninger til større PASSagerskibe), er at dokumentere samspillet mellem konstruktion og reaktion over for brand ved brug af letvægtskompositmaterialer på et passagerskib.
Når projektet er gennemført med udgangen 2015, skal COMPASS således have udkast til guidelines klar for både producenter af komposit og for myndigheder. Dermed bliver begge parter i stand til i praksis at håndtere de såkaldte SOLAS II-2-regler ved ny- og ombygning af større passagerskibe.
For selvom kapitel II styk 2 i SOLAS allerede tilbage i 2002 fik en ny regel nummer 17, som gjorde op med det hidtidige ensidige fokus på metaller, så anvender man ikke letvægtskompositmaterialer i passagerskibe i særlig høj grad. Godkendelsesprocesser på to år eller mere, som følge af manglende guidelines og performancedata på de enkelte typer af kompositmaterialer ved brand, har hidtil gjort det umuligt for værfter at kommercialisere brug af letvægtskompositter i færgesegmentet.
Regel 17
”Vi har med Regel 17 nu mulighed for at manøvrere uden om den præskriptive tilgang i SOLAS i forhold til materialer og brandsikkerhed. Regel 17, som er en performance-baseret kode, giver os mulighed for ved hjælp af analyser og dokumentation at argumentere for, at specifikke typer af letvægtskompositter, brandsikkerhedsmæssigt er lige så sikre at anvende på et passagerskib som stål,” siger Dan Lauridsen, der er med til at repræsentere DBI i COMPASS-projektet. Til dagligt arbejder han som civilingeniør med brandteknisk prøvning og brandmodstandevne hos DBI i Hvidovre.
Christian Berggreen, lektor ved DTU Mekanik, Institut for Mekanisk Teknologi, supplerer:
”På bundlinjen handler det om at lette hele processen ved enten at bygge nye færger med kompositoverbygninger eller at retrofitte overbygninger af komposit på eksisterende færger. Optimalt vil det kunne lade sig gøre ved, at vi får opbygget en database med kompositkomponenter, der er prækvalificerede rent brandsikkerhedsmæssigt. Det behøver i starten ikke være så mange, for i virkeligheden er overbygningen på et skib relativt simpel. Som regel er den ikke særlig lastebærende, og den består af en stor mængde standardkomponenter: Paneler, skot, samlinger, bærende bjælker osv.,” forklarer Christian Berggreen.
Den kolde og varme del
Arbejdsfordelingen mellem DTU Mekanik, DTU Byg og DBI i COMPASS-projektet er populært sagt sådan, at DTU Mekanik tager sig af den kolde del – altså det konstruktionsmæssige i forhold til bæreevne og sammenføjninger, mens DBI og DTU Byg tager sig af den varme del. Det vil sige den rent brandsikkerhedsmæssige – i praksis en lang række brandtests og analyser af specifikke kompositmaterialer og komponenter. Hos DTU Byg vil en forskergruppe ledet af lektor Grunde Jomaas særligt beskæftige sig med nye brandafprøvningsmetoder for kompositter, der nemmere kan evaluere brandegenskaberne for standardkomponenter til kompositoverbygninger på skibe.
Carsten Møller, forsknings- og innovationskonsulent, er projektleder for DBI’s deltagelse i COMPASS-projektet.
”Principielt kan vi ende med at skulle konkludere, at de kompositmaterialer, vi kender i dag, ikke egner sig til at bygge et brandsikkert passagerskib af. Men jeg forventer klart, at det viser, at det godt kan lade sig gøre. Det handler i bund og grund om, at vi får identificeret de materialesystemer, der kan dokumenteres at være sikre, blandt de mange, som eksisterer derude. I dag regnes de alle over en kam for at være problematiske brandsikkerhedsmæssigt i forhold til stål. Men i første omgang handler det også om, at vi får identificeret de mindst problematiske steder på en færge rent brandsikkerhedsmæssigt, og så starter med anvendelsen af kompositter dér,” siger Carsten Møller.
Ikke et nyt fænomen
Letvægtskompositmaterialer i skibsbygning er langtfra et nyt fænomen, ligesom lette kompositter også indgår i en række andre konstruktioner, lige fra tennisketchere til Boings nye 787 mellem-og langdistancerutefly.
I Danmark er værfter som Danish Yacht i Skagen, Mathis Værft i Aalborg, Tuco Marine Group og Faaborg Værft i Faaborg langt fremme med skibsbygning i lette kompositter fra den traditionelle glasfiber til mere avancerede kulfiber-typer. Men SOLAS-reglerne har hidtil forhindret, at værftsindustrien har rettet blikket mod de større færger i forhold til kompositmaterialer.
Sverige er et af de lande, som har erfaring med bygning af store skibe i lette kulfibermaterialer. Først og fremmest med VISBY-klassen bestående af fem knapt 73 meter lange korvetter bygget i en kulfiber-sandwichkonstruktion af Kockums-værftet i Karlskrona. Men som med de danske komposit-nybygninger (glasfiber) i den nu udfasede Flyvefisken-klasse, og siden Holm- og Diana-klasserne, er der tale om miltære fartøjer, der ligger helt uden for regelværket i IMO.
I Norge har man bygget Skjold- og Oksøy-klasserne i lette kompositter, men landet har også en række små passagerbærende katamaraner i lokaltrafikken konstrueret i kulfibermaterialer.
Der findes også danske civile eksempler på kommercielle nybygninger i lette kompositter med mere end 12 ombordværende – altså defineret som passagerskibe af Søfartsstyrelsen. F.eks. Fob Swath-serien til havmølleindustrien fra Danish Yachts og Arriva Danmarks havnebus Nyhavn fra Baltec Werft i Tyskland. Men i begge tilfælde gør brugs- eller fartsområde-definitionen, at de ikke er underlagt begrænsningerne i SOLAS II-2.
FAKTA om COMPASS-projektet
Med den relativt store erfaring med lette kompositter i skibsbygning generelt er fordelene også veldokumenterede. Ikke mindst to ting taler for letvægtskompositmaterialer: Et meget attraktivt forhold mellem vægt og strukturel styrke, samt meget gode korrosionsmæssige egenskaber, der kan øge en nybygnings levetid og dermed retfærdiggøre en eventuel merpris ved kontraheringen. Teoretiske studier i Sverige, foretaget med et stort krydstogtskib som case, har dokumenteret, at letvægten kan reduceres med 1.200 tons, ved at de fem øverste dæk konstrueres i kulfiberkompositter i stedet for stål.
Udgangspunkter
Ligesom med det svenske studie forholder COMPASS-projektet sig også alene til skibet fra hoveddækket og op. Ifølge Christian Berggreen er markedet og udviklingen inden for kompositter endnu ikke moden til at konstruere skibe helt fra kølen af, ret meget større end f.eks. de svenske korvetter. Dimensionerne ville simpelthen blive for store indvendigt i skroget under vandlinjen med de nuværende økonomiske utilgængelige teknologier, hvis den nødvendige skrogstivhed skulle opnås på store færger på 100 meter eller mere. Derfor er en af opgaverne i COMPASS-projektet for DTU-holdet også at forholde sig til de tekniske udfordringer ved sammenføjningerne mellem stål og kompositkomponent.
Dan Lauridsen forklarer, at et andet udgangspunkt i COMPASS-projektet er anvendelse af isolering, som skal øge komposittens brandmodstandsevne. Denne løsning anvendes i udstrakt grad også ved bærende aluminiumskonstruktioner på hurtigfærger, der er konstruerede efter (HSC) High Speed-koden. Men i COMPASS-projektet skal metoden ikke alene bidrage til at øge brandmodstandsevnen, men også bevirke, at anvendelsen af miljøproblematiske brandhæmmere kan begrænses.
Færgecase
Mens DBI og DTU Byg skal foretage det store test- og analysearbejde af den faktiske brandmodstandsevne på mange af de relevante kompositmaterialer og komponenter, der skal være grundlaget for kommende forhåndsgodkendelser og guidelines, skal DTU Mekaniks bidrag mest bestå af en teoretisk retrofitting-case. I den forbindelse har Scandlines stillet alle tegninger af deres to danskbyggede Rødby-Puttgardenfærger Prinsesse Benedikte og Prins Richard til rådighed for COMPASS-projektgruppen på DTU.
Ud over det teoretiske designarbejde skal DTU Mekanik også bidrage inden for afprøvning af kompositmaterialer og komponenter i DTU Structural Lab (Center for Mechanical Testing of Structures and Materials), hvor DTU Mekanik har stor erfaring og ekspertise inden for test og afprøvning af kompositmaterialer, -komponenter og -strukturer.
Scandlines skal ikke selv deltage aktivt i COMPASS-projektet, men rederiet er i forvejen helt i front i forhold til at afprøve og introducere nye grønne teknologier i færgefart.
Senest med hybrid batteri/diesel-elektrisk drift på Rødby-Puttgardenruten og på de kommende to nye færger på Gedser-Rostockruten. Men Scandlines’ interesse i projektet skal nok primært ses i sammenhæng med rederiets zero emission designkoncept, omhandlende en ny færgegeneration, der skal være fuldstændig emissionsfri ved hjælp af et væld af nye teknologier, heriblandt lette materialer.
En udefrakommende part, der skal deltage aktivt, er imidlertid Niels Hjørnet Yachts Design, som tidligere har gennemført analyseprojektet Øko-Ø-færge, der netop sammenlignede potentialet ved at bygge en mindre ø-færge i komposit i stedet for stål.
BREAKING