Low energy ships by combining innovative air-lubrication solutions with environmentally friendly anti-fouling coating

Luftsmøring, med sitt store potensial for å redusere motstanden til skip, har i økende grad blitt et fokusområde. Et luftsmøringssystem injiserer luft under skroget, noe som reduserer væskens tetthet og friksjonen. Passive luftsmøringssystemer kan brukes på mindre skip ved høyere hastigheter (>20 knop), mens aktive luftsmøringssystemer, som komprimerer luft før injeksjon, brukes på større fartøy. Hovedmålet er å optimalisere samspillet mellom luftsmøringssystemet og skrogsoverflaten for å øke effektiviteten til luftsmøringssystemet. Prosjektet kombinerte fenomenologiske studier ved bruk av SINTEF Oceans eksperimentelle utstyr, med fullskala studier på ferger utstyrt med luftsmøringsystem og med jevn og kontrollert reiseruter. To hovedtemaer ble adressert og undersøkt interaktivt: (1) Luftsmøring endrer forholdene under skroget fra vått til delvis tørt. Dette endrer også de ønskede egenskapene til overflaten på et bunnstoff. Begroing kan reduseres, og egenskapene til malingen bør endres mot å aktivt støtte dannelsen av luftlaget og redusere nødvendig luftinjeksjonshastighet. Hydrodynamiske målinger ble utført, i tillegg til fullskala-applikasjoner for å studere systemets ytelse. Forskningen vil bidra til å målrette essensielle overflateegenskaper for å muliggjøre utvikling av en bunnstoff som er optimalisert for denne spesielle tilstanden. (2) Mikro-boblesystemer og full-luftlagsystemer, både passive og aktive, ble evaluert og studert. Et eksisterende passivt luftsmøringssystem ble optimalisert basert på innsiktene fra de fenomenologiske eksperimentene. Samspillet mellom luftsmøringssystemet og propellen, samt støy og vibrasjoner, ble undersøkt. Fullskalaprøver ble gjennomført med et fartøy utstyrt med et passivt luftsmøringssystem. Undervannsvideoer fra disse prøvene gir verdifull innsikt i systemets arbeidsprinsipp. Samtidig ble det identifisert potensial for videre utvikling. Numeriske simuleringer av fartøyet (uten luftsmøring) viste trykk- og strømningsegenskaper rundt fartøyet som er viktige for systemets optimale funksjon. Laboratorietester i SINTEF Oceans kavitasjonstunnel med luftsmurte plater viste god samsvar med observasjoner fra fullskala-forsøk. Numeriske undersøkelser av hele systemet med luftsmøring og en operativ propell ble gjennomført. Modelltester av hele systemet, inkludert luftsmøring og propell i drift, ble utført i SINTEF Oceans kavitasjonstunnel. Basert på resultatene ble en optimalisert propell designet og testet. Numeriske analyser av den optimaliserte propellen ble også utført.

(1) An optimized passive air-lubrication system leading to an increase in efficiency, considering also propeller flow. This is potentially achievable as the project studied the interaction between the air-lubrication system and the propeller. (2) Couple of anti-fouling paints with target surface properties improving the efficiency of air-lubrication system were tested, but require more development for industrialization. There is a potential that custom paints can be developed in foreseen future. (3) With an optimized paint, Jotun has the possibility to collaborate with air-lubrication supplier in a joint business model. Jotun has started collaboration with air-lubrication providers. As an example a research project financed by RCN started last year with Jotun and an air-lubrication provider as partners. (4) In the second consequence this will lead for the air-lubrication operators to lower fuel consumption and emissions for vessels with conventional power plant. This would be the result of collaboration. (3) Increase in range with existing battery power for electric or hybrid powered vessels. This is achieved by using passive air-lubrication system. (4) Higher flexibility in service with more flexibility in power. This is achieved by using hybrid systems for vessels using passive air-lubrication systems. (5) Optimizing battery power/ weight ratio for increased range and sustainability. This is achieved by using air-lubrication system, which increases the range with the same battery capacity.

The project is based on the increasing interest in air-lubrication systems and the high potential for optimisation to decrease further skin-friction and consequently greenhouse gas GHG-emission. To reach the goal of an optimization of the air-lubrication system and coating interaction, a better understanding of the air-bubble surface interaction is needed. Therefore, the project combines phenomenological studies in the cavitation tunnel at SINTEF Ocean with full-scale studies of ferries equipped with an air lubrication system with a steady and controlled voyage factor. Two main topics will be addressed and executed in an interactive way. (1) Air-lubrication is changing the condition under the hull from wet to partially dry. This changes also the target properties of an anti-fouling paint surface. Fouling might be reduced, and the target property of the paint should be redirected towards the active support of the air-layer formation and reduce the necessary air-injection rate. Hydrodynamic measurements under air-lubrication are needed as well as full scale application to study fouling development and full scale data. The research will help in targeting essential surface properties to enable a paint development for this special condition. (2) Different air-lubrication systems will be evaluated and studied, from micro-bubble systems to full air-layer systems, passive and active. An existing passive air lubrication system will be optimised based on the phenomenological insights gained in the cavitation tunnel. Effect of waves and ship motion on the system will be investigated. Interaction of air lubrication system with the propeller and radiated noise and vibrations will be studied. Projection will be made for possible savings of world fleet if air lubrication and custom coatings are used.