Klotsend LNG slaat veel harder in dan verwacht

Wat gebeurt er als vloeibaar aardgas (LNG) in een schip tegen de wand van de opslagtank slaat? Volgens onderzoek kunnen daarbij veel hogere drukpieken ontstaan dan tot nu toe werd aangenomen. Dat is belangrijk voor het ontwerp en de veiligheid van LNG-schepen en toekomstige vloeibaar waterstofsystemen.

Het onderzoekuit het team van natuurkundige Devaraj van der Meer (Universiteit Twente) is gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift PNAS,

Normaal zorgt een dun laagje lucht ervoor dat een vloeistof niet direct tegen een oppervlak slaat. Dat gas werkt als een kussen en dempt de klap. In LNG-schepen is die lucht vervangen door damp van het LNG zelf. En die damp kan tijdens de impact weer vloeibaar worden. Daardoor verdwijnt het kussen en neemt de belasting op de wand sterk toe.

Van alledaags klotsen naar extreme impact

Alles wat we intuïtief weten over vloeistoffen die ergens tegenaan slaan, komt uit situaties met lucht. Regen op straat. Golven tegen een kade. In al die gevallen zit er vlak voor de botsing een laagje lucht tussen vloeistof en oppervlak. Die lucht wordt samengedrukt en werkt als een schokdemper. Dit heet air cushioning.

Maar bij LNG en vloeibare waterstof is die lucht vervangen door damp van dezelfde vloeistof. De vloeistof is in evenwicht met zijn eigen damp. De damp kan tijdens een botsing weer vloeibaar worden. Condenseren dus. “En dat verandert alles,” zegt Van der Meer. “Als die damplaag verdwijnt, verdwijnt ook het kussen. Dan krijg je geen zachte landing, maar een harde klap.”

Druppels die harder raken dan verwacht

Om dat effect te isoleren, deden Van der Meer en zijn team experimenten met een speciale vloeistof die bij 34 graden kookt. Zo konden zij bij kamertemperatuur werken, maar wel een vloeistof gebruiken die zich gedraagt als het veel koudere LNG (−162 graden) of vloeibare waterstof (−253 graden).

In de PNAS-studie laten de onderzoekers druppels op een oppervlak vallen. Bij lage snelheden gebeurt wat je verwacht: er blijft een kleine dampbel gevangen onder de druppel. Maar zodra de druppel sneller beweegt, gebeurt er iets opvallends. De damp verdwijnt.

“De damp condenseert sneller dan de druppel naar beneden beweegt,” zegt Van der Meer. “Daardoor kan de druk niet rustig worden opgebouwd. Het dempende effect valt weg.” Het resultaat is een veel hardere botsing dan wanneer dezelfde druppel in lucht zou vallen.

Honderd keer meer druk

In een ander onderzoek liet het team een metalen schijf inslaan op een bad van dezelfde vloeistof. Door alleen de temperatuur iets te verlagen steeg de maximale druk bij impact tot wel vijftien keer.

Nog groter werd het effect bij golven. In een grote testopstelling van onderzoeksinstituut Marin in Wageningen, vijftien meter lang, lieten de onderzoekers brekende golven tegen een wand slaan. Met 99 druksensoren maten ze wat er gebeurde.

Bij water in lucht gedraagt zo’n botsing zich keurig volgens het boekje. Maar bij water in zijn eigen damp liep de druk soms op tot honderd keer hoger. De oorzaak: een dampbel onder de brekende golf die niet, zoals in lucht, samengedrukt wordt, maar razendsnel instort doordat de damp condenseert.

Wat betekent dit voor LNG en waterstof?

LNG-schepen zijn nu niet ineens onveilig. Een fundamenteel effect werd tot nu toe nauwelijks meegenomen in modellen en experimenten. “In veel veiligheidsstudies wordt gewerkt met een inert gas dat niet kan condenseren,” zegt Van der Meer. “Maar in een echte LNG-tank is de damp allesbehalve inert. Die kan gewoon weer vloeibaar worden.”

Volgens hem is het belangrijk dat ontwerpers en ingenieurs dit effect kennen. “We laten zien dat de fysica anders is dan gedacht. Dat betekent niet dat alles opnieuw moet, maar wel dat je dit niet kunt negeren.”

“We zijn in gesprek met partijen uit de industrie die LNG-containers voor schepen ontwerpen,” zegt hij. “Voor ons is het een beginpunt: we weten nu dat het effect bestaat. De volgende stap is begrijpen wat dit betekent op de schaal van echte transporttanks.”