Vloeibaar aardgas dat in scheepstanks wordt vervoerd, slaat soms veel harder tegen de wand dan werd gedacht. Dat inzicht heeft gevolgen voor het veilig ontwerpen van tanks.

De nieuwe inzichten zijn opgedaan door onderzoekers van de Universiteit Twente. Ze staan beschreven in een artikel in PNAS, dat onlangs verscheen. Het is gratis te lezen bij arXiv.

Druppels

Overal in de natuur en om ons heen vind je botsende vloeistof. Golven die op het strand slaan, regen op straat, druppels die in de gootsteen vallen. De krachten die de vloeistof, meestal water, hierbij uitoefenen, worden meestal gedempt door een dun laagje lucht. Dat gas werkt als een kussentje dat de klap een beetje dempt.

Hoe anders gaat dit in een LNG-schip. Dat heeft grote opslagtanks vol vloeibaar gemaakt aardgas (liquefied natural gas). Waar geen vloeistof zit, zit geen lucht, maar damp van het vloeibare aardgas. En die gedraagt zich anders dan lucht. Wanneer LNG tegen de wand slaat, ontdekten de Twentse onderzoekers, kan de damp onder bepaalde omstandigheden razendsnel vloeibaar worden. Er is dan geen of minder demping.

Speciale vloeistof

Natuurkundige Devaraj van der Meer van de Universiteit Twente doet al een tijdje onderzoek naar dit verschijnsel, dat ook vanuit wetenschappelijk oogpunt interessant is. Samen met zijn mensen doet hij aan de ene kant experimenteel onderzoek, maar combineert dat ook met modelvorming. Het doen van proeven gaat trouwens lastig met LNG zelf, want dat moet je afkoelen tot -162 graden Celsius om het vloeibaar te maken. De experimenten vinden plaats met een speciale vloeistof die qua dichtheid in damp- en vloeistoffase enigszins in de buurt zit bij LNG. ‘Dit spul kookt bij 34 graden Celsius’, zegt Van der Meer. Dat is goed werkbaar. ‘Resultaten die we verzamelen met experimenten, gieten we in een model dat ook bruikbaar is voor LNG.’

Hoogleraar natuurkunde Devaraj van der Meer van de Universiteit Twente. Foto: Fokke Eenhoorn

Impuls

Een van de experimenten die Van der Meer en collega’s deden, is druppels op een oppervlak laten vallen. Bij lage snelheden van de druppel gaat het zoals verwacht: er bleef een klein beetje damp gevangen onder de druppel, en die dempte de klap. Maar viel de druppel sneller, dan verdween dat damplaagje. ‘De damp condenseert razendsnel, waardoor er minder demping is. In de praktijk is dat onwenselijk.’

Het draait allemaal om het overdragen van impuls. Een grote golf vloeibaar LNG klotst richting de wand en moet daar zijn impuls (massa maal snelheid) kwijtraken. ‘Een dempend damplaagje zorgt ervoor dat de impuls over meer tijd en een grotere oppervlakte wordt uitgesmeerd.’

Metalen schijf

Behalve met druppels deden de onderzoekers ook experimenten met een metalen schijf die ze lieten inslaan op een bad van vloeistof. Door enkel de temperatuur iets te verlagen, steeg de maximale druk bij impact met een factor vijftien. 

En bij onderzoeksinstituut MARIN lieten ze brekende watergolven tegen een wand slaan, terwijl ze met tientallen druksensoren maten wat er gebeurde. Was er rond de golf lucht, dan verliep de botsing zoals was gedacht, maar wanneer rond de golf waterdamp zat, dan stortte de dampbel onder de golf snel in, vanwege condensatie.

Video's van een brekende golf die tegen een muur botst. De video vergelijkt de impact van identieke golven in lucht (links) en waterdamp (rechts). In lucht wordt een grote luchtbel opgesloten die oscilleert en langzaam stijgt. In damp stort de bel bijna volledig in, een proces waarbij de damp condenseert en zeer hoge drukken worden opgewekt. Beelden: MARIN / Universiteit Twente

Containers

Van der Meer werkt samen met bedrijven die de containers bouwen voor op LNG-schepen. Schrikken die niet van de Twentse resultaten? ‘Dat valt wel mee’, zegt Van der Meer. LNG-schepen zijn niet ineens onveilig. ‘Ze bouwen die schepen al heel lang. En de bouwers van die containers doen uitgebreide experimenten met schaalmodellen met water en gas erin. Ze proberen een zo realistisch mogelijke verhouding te krijgen tussen gas en vloeistof. Maar de faseovergangen (het condenseren, red.) die wij waarnemen, zitten nog niet in hun modellen. De ingenieurs weten heel goed hoe ze die schepen moeten ontwerpen, maar idealiter begrijp je ook op een fundamenteel niveau de fysica van wat er in de tanks zit.’

Waterstof

De opgedane fundamentele inzichten zijn om nog een reden van belang: waterstof. Dat gas gaat naar verwachting een grote rol spelen in een toekomst met veel meer duurzame energie. Ook waterstof is in vloeibare vorm op te slaan, waarbij vergelijkbaar gedrag wordt verwacht in transporttanks. De fysische modellen van Van der Meer zijn ook te gebruiken bij het rekenen aan opslagtanks voor waterstof.

 

Openingsbeeld: willekeurig voorbeeld van een LNG-tanker. Foto: WikiMedia