Kernenergie kan de maritieme sector helpen verduurzamen, stelt het rapport No Guts, No Holland Glorie. Voor zijn afstudeerscriptie aan de TU Delft onderzocht Tom Wien de inzet van een nucleaire installatie op een marineschip. Zijn combinatie van een gasreactor en CO2-conversiecyclus blijkt technisch veelbelovend.
De aandacht voor kernenergie in de Nederlandse en Europese maritieme sector neemt toe. Onder andere in het beleidsrapport ‘No Guts, No Hollands Glorie’ uit 2023 – de sectoragenda van de Maritieme Maakindustrie – wordt gewezen op de uitdagingen die de sector de komende jaren het hoofd moet bieden. Eén daarvan is het verminderen van de CO2-emissies die afkomstig zijn van dieselmotoren en -generatoren welke worden ingezet voor de voortstuwing en de hotelbelasting. Als potentiële oplossing wordt expliciet gesproken over kernenergie als CO2-vrije oplossing. Een van de projectdoelen is dan ook om binnen tien jaar een gestandaardiseerde, modulaire kernreactor voor scheepsintegratie te ontwikkelen.
Kernenergie als alternatief voor fossiele scheepsbrandstoffen
Er heerst nog steeds een taboe op kernenergie. Risico’s met betrekking tot vrijkomende straling en de productie van radioactief afval blijft voor velen de reden voor een ‘no-go’. Toch neemt de belangstelling toe omdat alternatieven voor de huidige fossiele brandstoffen óók belangrijke nadelen kennen; denk aan de lage energiedichtheid en efficiëntie van veel duurzame energiebronnen, de relatief lage beschikbaarheid van waterstof en het onbetrouwbare en voortdurend fluctuerende aanbod van hernieuwbare energie afkomstig van zon en wind.
Voor schepen is vooral de lage energiedichtheid nadelig omdat hier juist alleen maar meer energie nodig is, terwijl de ruimte beperkt is. Deze toenemende behoefte aan elektrische energie is zeker bij een marineschip aan de orde waar radarsensoren en wapensystemen de relatieve grootverbruikers zijn. Deze combinatie van factoren leidt tot een mismatch in vraag en aanbod wanneer de scheepvaart de overstap wil maken naar klimaatvriendelijke energiebronnen. Kernenergie biedt een van de hoogste beschikbare energiedichtheden en zou een potentiële oplossing zijn voor het probleem.
Als het op een fregat kan…
Onder andere ir. Tom Wien deed onderzoek naar de mogelijkheden van kernenergie op schepen. Wien rondde in 2022 zijn bachelor af aan het Koninklijk Instituut voor de Marine (KIM) en kreeg de mogelijkheid om een passende Master te volgen. Vanwege zijn interesse in nucleaire voortstuwing was de keuze voor een studie werktuigbouwkunde aan de TU Delft een logische. De universiteit beschikt over een eigen reactorinstituut en een goede naam op het vlak van maritieme technologie. Voor zijn afstuderen simuleerde Wien een nucleair systeem voor scheepsaandrijvingen en vergeleek dit met conventionele voorstuwingsconfiguraties voor marineschepen zoals dieselmotoren en gasturbines. “Omdat ik de Master mag doen vanuit mijn functie bij de marine, is het logisch dat ik me richt op specifiek de toepassing op marineschepen”, verklaart hij zijn keuze.
Tom Wien wint de Kooy Prijs 2025
Met zijn afstudeerscriptie ‘Nuclear Propulsion for Naval Vessels’ studeerde Tom Wien met een 9 cum laude af aan de TU Delft. Hij mocht zijn bevindingen tevens presenteren op het International Naval Engineering Conference (INEC) in Liverpool in november 2024. Bovendien won hij in april 2025 de professor Kooy Prijs die tijdens het jaarlijkse Kooy Symposium van de afdeling Defensie & Veiligheid van het Koninklijk Instituut van Ingenieurs (KIVI) wordt uitgereikt aan het beste afstudeerverslag op het vlak van defensie- en veiligheidstechnologie.
Wien gaat nu eerst zijn opleiding aan het KIM afronden en hoopt daarna een plek op een van de marineschepen te bemachtigen om in de technische dienst zijn kennis in te zetten.
Dynamische energiebehoefte
Een specifieke focus legde Tom Wien bij zijn onderzoek op de manier waarop een nucleair systeem moet passen bij de dynamiek van een marineschip. Waar een vrachtschip wordt geladen en vervolgens met een vrijwel constante snelheid naar zijn eindpunt vaart, hebben marineschepen te maken met een veel dynamischer energiebehoefte. Enerzijds door de voorstuwingseisen – van stilliggen tot maximale kracht vooruit – en aan de andere kant de inzet van diverse verbruikers van elektrische energie. Of dit nu de radar is, de inzet van verdedigingsmiddelen, de keuken voor het avondeten, ventilatie, communicatie of andere apparatuur. Het onderzoek richtte zich dan ook specifiek op het beoordelen van de energiedynamiek van een nucleair systeem ten opzichte van conventionele aandrijvingen. Voor de algemene scheepvaartsector eigenlijk een voordeel: als deze dynamiek op een fregat haalbaar is, dan kan het op elk (groter) schip.
Simulatie nucleair systeem
Terug naar de basis: Kerncentrales maken warmte door kernsplijting in een kernreactor. Deze warmte wordt omgezet in mechanische energie door middel van een thermodynamische cyclus. Afhankelijk van de toepassing wordt deze mechanische energie direct gebruikt (voor bijvoorbeeld directe mechanische voortstuwing) of omgezet in elektrische energie met behulp van een generator. Tom Wien: “Er zijn verschillende soorten reactoren en mogelijke cyclusconfiguraties. Voor mijn onderzoek ben ik uitgegaan van een fictief fregat dat ‘full electric’ is. Dat betekent dat niet alleen de apparatuur op elektriciteit werkt, maar ook het volledige voortstuwingssysteem. Hierdoor vraagt een efficiënte omzetting van warmte naar elektriciteit dus de volledige aandacht.”
Het fictieve fregat is voorzien van twee grote voortstuwingsmotoren met elk een vermogen van 10 MW die vaste schroeven aandrijven. De kerncentrale is verdeeld in drie afzonderlijke generatormodules van elk acht MWe die de benodigde stroom genereren voor de voortstuwing (20 MWe) en de hotel- en servicebelasting. De snelheid van het fregat bedraagt in het model maximaal 26+ knopen; bijna 50 km/uur. De hiervoor benodigde elektrische voortstuwingscentrale is weergegeven in figuur 1.
Very High Temperature Reactor
Op basis van literatuuronderzoek koos Wien als reactor voor de generatie IV Very High Temperature Reactor (VHTR). Dit is een generatie grafietgemodereerde reactoren die werken op het thermische neutronenspectrum. Het ontwerp is gericht op het maximaliseren van de veiligheid en thermische efficiëntie; dit laatste door een hoge uitlaattemperatuur tussen 700 en 850 graden Celsius. Tom Wien: “Historisch gezien maken bijna alle kernreactoren aan boord van schepen en op het land gebruik van drukwaterreactoren (PWR) als energiebron. De toekomstige generatie VHTR levert echter betere prestaties op het vlak van efficiëntie, veiligheid en economische haalbaarheid.
Daarnaast heeft de VHTR een hoger technologisch gereedheidsniveau (TRL) ten opzichte van andere generatie IV reactoren. Voor specifiek marineschepen zouden we nog gebruik kunnen maken van hoogverrijkt uranium (HEU) wat voordelige eigenschappen heeft; maar omdat dit op koopvaardijschepen niet mag, is uiteindelijk gekozen voor laag verrijkt uranium (LEU) om zo de proliferatie risico’s te verlagen en de mogelijkheid in stand te houden om op dit vlak een samenwerking mogelijk te maken tussen marine en koopvaardij.”
Superkritische koolstofdioxide
Voor de conversiecyclus is gekozen voor superkritische koolstofdioxide (sCO2) als werkmedium. Boven het kritische punt (73,9 bar en 31,1 °C) heeft CO2 namelijk voordelige thermodynamische eigenschappen zoals een vloeistofachtige dichtheid, terwijl de viscositeit nog steeds gasachtig is. Dit draagt bij aan een efficiëntere en compactere energieproductie waardoor de benodigde hoeveelheid ruimte voor sCO2-turbomachines tot 10 keer kleiner is vergeleken met conventionele stoomturbines. Bij hogere turbine-inlaattemperaturen, zoals bij de VHTR, is de cyclusefficiëntie van sCO2 bovendien hoger dan die van elke andere werkvloeistof. Tom Wien: “Dit is niet alleen belangrijk voor de economische haalbaarheid, maar betekent ook een lagere brandstofbehoefte en hiermee een lagere productie van kernafval.”
Dynamisch model
De installatie maakt gebruik van een reactor als warmtebron. Een zogenoemde sCO2 recompressie cyclus zet dit om in elektriciteit. Hierbij bevat de thermodynamische cyclus niet een, maar twee compressoren, waardoor het proces efficiënter kan worden toegepast.
Tom Wien: “Op basis van deze configuratie is een dynamisch model van het hele systeem ontwikkeld. Hierin zijn de kernreactor, warmtewisselaars, turbomachines, regelkleppen, as-dynamiek en het voortstuwingssysteem van het schip betrokken. De individuele modellen zijn gekoppeld binnen een Matlab- en Simulink-werkomgeving. Voor thermodynamische en transporteigenschappen is gebruik gemaakt van CoolProp.” Vervolgens is het dynamisch gedrag bepaald door drie scenario’s te onderzoeken:
- Dynamische vermogensregeling op basis van de transiënt van de reactor.
- Dynamische vermogensregeling via de secundaire cyclus bij een transiënt constant vermogensniveau van de reactor.
- Idem als 2, maar nu met toevoeging van een dumpkoeler om de reactortemperatuur te regelen.
Stabiel vermogen, flexibel systeem
Tom Wien: “Deze scenario’s zijn onderzocht bij een volledig lineair vermogensverbruik van laag-hoog-laag (10%-100%-10%, behorende bij de snelheden die een marineschip in een kort tijdsbestek nodig kan hebben), omdat dit de meest uitdagende vermogenstransiënt van een marineschip vormt. Het voert hier te ver om de impact van alle onderdelen van het systeem en de invloed op elkaar te beschrijven. Hiervoor kun je ook het rapport downloaden dat openbaar beschikbaar is op het internet. De eindconclusie is dat de beste regelstrategie berust op een reactor met een constante vermogensbelasting in combinatie met een bypassregeling voor het bereiken van de benodigde vermogensdynamiek. Dit vereist wel aanvullende systemen op ontwerpniveau zoals een dumpkoeler om de reactortemperaturen binnen het veilige gebied te houden. Wanneer je de nadruk wilt leggen op efficiëntie dan zijn er zeker nog verbetermogelijkheden, maar voor een marineschip betekenen deze het verlies van een stukje dynamiek wat voor dit onderzoek niet wenselijk is.”
Tom Wien besluit: “Kort door de bocht: de configuratie van een VHTR in combinatie met een superkritische koolstofdioxide (sCO2) energieconversiecyclus is technisch gezien haalbaar. Het levert de gewenste dynamische prestaties van het systeem met de voordelen van een nucleair systeem. Wél zal er nog uitgebreid onderzoek moeten worden gedaan om tot een acceptabel en gevalideerd veiligheidsniveau te komen. Vervolgonderzoek is bovendien aan te bevelen op het vlak van regelstrategieën en de opslag van energie om te voorkomen dat deze wordt weggekoeld door zeewater.”
