Antriebstechnik SkySails – das Segelschiff der Zukunft

Die Schifffahrt profitiert vom Boom im Welthandel. Aber die Frachtschiffe verbrauchen riesige Mengen Schweröl als Treibstoff. Das ist nicht nur teuer, sondern belastet auch die Umwelt. Wind gibt es auf dem Meer kostenlos, und er könnte als Energiequelle dienen. Mit der Entwicklung des SkySails, eines windgestützten Zusatzantriebes, könnten die Schiffe bei optimalen Windbedingungen zwischen zehn und 35 Prozent Treibstoff einsparen.

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Die Reeder müssen mit ihren Schiffen schneller und noch preiswerter ans Ziel kommen, wenn sie im globalen Wettbewerb mithalten wollen. Steigende Rohölpreise und drohende Umweltschutzabgaben stehen dem entgegen. Bisher wurde noch kein zusätzliches Antriebssystem entwickelt, das den Anforderungen der modernen Frachtschiffe gerecht würde.

Jetzt sollen Schiffe künftig wieder segeln. Bei dem Projekt „SkySails“ hängt ein gigantischer Zugdrachen, so groß wie ein Fußballfeld, am Bug von Hochseefrachtern. Der Wind zieht die Stahlkolosse über die Weltmeere, unterstützt die Schiffsmotoren. Die Hälfte des Treibstoffverbrauchs soll SkySails nach Berechnungen, des Entwicklers Stefan Wrage, einsparen.

Die Idee kam beim Drachenfliegen: Lenkdrache als Zugmaschine

In der Hamburger Schiffbau-Versuchsanstalt HSVA arbeiten Wissenschaftler, Ingenieure und Unternehmer gemeinsam an neuen Projekten. In Deutschlands größtem Strömungskanal erforschen sie anhand von Modellen die Rumpfformen neuer Schiffe. Die strömungs-günstigste Form eines Schiffes ist schon ein wichtiger Schritt zur Treibstoffersparnis und reduziertem CO2-Ausstoß.

Viele neu entwickelte Antriebskonzepte für immer größere Tanker und Frachter werden noch im Strömungskanal getestet. Ein alternatives Konzept hat aber bereits den Weg aufs Meer gefunden: ein Segel in Form eines riesigen Lenkdrachens. Im Modell hat sich das „SkySails“-Prinzip bereits bewährt. Segelschiffe als Frachter haben zwar längst ausgedient, doch der Geistesblitz kam dem Wirtschaftsingenieur und Hobbysegler Stephan Wrage auch nicht beim Segeln, sondern beim Drachenfliegen.

Schon die alten Chinesen ließen Dschunken von Schleppdrachen ziehen. Doch ein moderner Lenkdrache ist etwas ganz anderes und erfordert vor allem viel Geschick beim Steuern. Dennoch: Die Versuche mit Modellschiffen und umgebauten Gleitschirmen als Zugmaschine liefen gut.

SkySails ist ein echtes Hightech-Gerät. Die genaue Konstruktion ist streng geheim. Anders als herkömmliche Segel oder Spinnaker fängt der Zugdrache nicht fest montiert den Wind ein. Die so entstehende Kraft wäre viel zu gering.

Das „SkySail“ erzielt seine Zugkraft vor allem durch seine Tragflächenform und die Bewegung in großen Achten. Durch diesen dynamischen Flug entstehen hohe Anströmungsgeschwindigkeiten wie an einem Flugzeugflügel - nur dass hier statt Auftrieb Vortrieb entsteht. Die Bewegung zu steuern war eine der größten Hürden. Die patentierte Lösung ist ein Autopilot am Teleskopmast, das vollautomatische Steuerungssystem.

Immer Wind in den Segeln, bzw. im Drachen

Die Technik ist clever! Doch kann sich SkySails auch auf den Wind verlassen? Eine Software errechnet die optimale Streckenführung mit den aktuell herrschenden besten Wind- und Wetterverhältnissen. SkySails profitiert dabei von der Geschichte der Weltschifffahrt.

Die Schifffahrtsrouten sind über die Zeit durch ein immer herrschendes Welt-Wind-System entstanden. Denn Segelschiffe konnten nicht gegen den Wind fahren. 80 Prozent dieser Routen existieren noch heute. Und auch alle großen Handels-Häfen sind seit dem 16. Jahrhundert so entstanden. So könnten viele der rund 90.000 Schiffe die auf unseren Meeren unterwegs sind, das neue Antriebsprinzip nutzen.

Vollautomatisches Steuerungssystem

Die in Hamburg ansässige Firma SkySails hat sich das Prinzip des Lenkdrachens zu Nutze gemacht und ein sogenanntes Drachensegel entwickelt, welches am Schiffsbug befestigt, das Schiff vorwärts zieht.

Das Drachensegel misst 160 Quadratmeter und wird mittels Teleskopmast in den Wind gebracht, die optimale Höhe mit den besten Windverhältnissen liegt zwischen 100 und 300 Metern. Eine Computersteuerung lässt das Drachensegel dann in der effizientesten Position im Wind pendeln. Durch diese Pendelbewegung erzeugt der Drachen einen bis zu dreimal größeren Vortrieb als ein herkömmliches Schiffssegel in vergleichbarer Größe.

Das Drachensegel funktioniert auch bei Abweichungen der Windrichtung um bis zu 50 Grad, bei Gegenwind wird das System dann automatisch eingeholt. Im Durchschnitt könnten damit ausgestattete Schiffe zwischen 10 und 35 Prozent an Treibstoff einsparen, bei guten Windverhältnissen auch deutlich mehr. Die Kosten des SkySails Systems für ein mittelgroßes Frachtschiff belaufen sich auf 500.000 Euro. Eine Amortisation der Aufwendungen soll bereits nach ein paar Jahren erreicht sein.

Das SkySails-System besteht aus drei Hauptkomponenten: ein Zugdrachen mit Seil, ein Start- und Landesystem sowie ein Steuerungssystem für den vollautomatischen Betrieb. Anstelle traditioneller Segel mit Mast erzeugt SkySails den Vortrieb durch große Zugdrachen bestehend aus hochfesten und witterungsbeständigen Textilien.

Die SkySails können in Höhen zwischen 100 und 300 m operieren, in denen stärkere und stetigere Winde vorherrschen. Dabei werden die Zugkräfte über ein hochreißfestes Kunststoffseil auf das Schiff übertragen.

Das Start- und Landesystem auf dem Vorschiff übernimmt das automatische Ausbringen und Einholen des Zugdrachens. Zum Start wird der ähnlich einer Ziehharmonika geraffte Zugdrachen mit einem Teleskopmast aus einem Lagerbehälter gehoben. In ausreichender Höhe entfaltet sich der Zugdrachen bis auf seine vollständige Größe und kann gestartet werden. Eine Winde fiert das Zugseil, bis die Arbeitsflughöhe erreicht ist. Der Landevorgang verläuft umgekehrt. Der vollautomatische Start- und Landevorgang dauert jeweils etwa 10–20 Minuten.

SkySails nutzt Maple-Software zur Entwicklung seiner Simulation Software

Durch Zugdrachen-Windantriebssysteme soll der Betrieb von Schiffen profitabler, sicherer, umweltfreundlicher und unabhängiger von knappen Ölreserven werden. Mit dem Zugdrachen, einer gleitschirmähnlichen Tragfläche oder Parafoil, werden die Vortriebskräfte erzeugt. Das Steuerungssystem des SkySails-Antriebs arbeitet vollautomatisch. Es besteht aus der Steuergondel sowie dem Control-System. Die Funktion der Steuergondel ist vergleichbar mit dem Piloten eines Gleitschirms: Sie verkürzt oder verlängert die Steuerleinen und dadurch wird das aerodynamische Profil des Zugdrachens verändert und damit seine Flugbahn beeinflusst.

Aufgabe des Control-Systems ist die automatische Steuerung des SkySails-Systems, sie ist mit dem Autopiloten eines Flugzeugs vergleichbar. Die Zugkräfte werden über ein Zugseil zum Schiff übertragen. Das Tauwerk besteht aus modernen Kunstfasern, die eine hohe Belastbarkeit bei geringem Gewicht und geringer Dehnung unter Last gewährleisten.

Bei der Entwicklung von der SkySails Simulation Software wurde Maple (Maple 10) eingesetzt. Dies ist eine Softwarelösung für alle mathematischen und ingenieurtrchnischen Aufgabenstellungen.

In der Entwicklung befindet sich ein Flugsimulator, welcher in Realtime die Bewegungen des Kite-Systems darstellt. Maple wird wegen seines symbolischen Rechners angewendet, welcher das Ableiten von Bewegungsgleichungen von Mehrkörpersystemen erheblich vereinfacht. Das mathematische Bearbeiten der Modelle in drei Dimensionen von Hand, hätte den zeitlichen Rahmen gesprengt, so die Entwickler.

Sky Sails im Trens: Erste Praxis-Erfolge

Das Zugdrachen-System SkySails, das Frachtschiffe mit Windenergie antreibt, hat nach langen Experimenten erste Erfolge in der Praxis erreicht. Nach einem halben Jahr Betrieb auf dem Mehrzweck-Frachter „Michael A.“ habe sich eine durchschnittliche jährliche Treibstoff-Ersparnis von mehr als 15 Prozent als realistisch erwiesen, teilte der Hersteller SkySails mit. Das gelte für europäische Seegebiete mit vielen windschwachen Regionen.

Die Reederei Wessels aus Haren/Ems wird deshalb drei neue Schiffe mit den 160 Quadratmeter großen Zugdrachen ausrüsten, heißt es. Bei gutem Wind kann ein SkySails-System dieser Größe rund acht Tonnen Zugkraft erzeugen; das entspricht fast der Leistung eines Flugzeug-Triebwerks. Dann steigt die Treibstoff-Ersparnis auf mehr als 50 Prozent. Alternativ dazu könne die Reisegeschwindigkeit des 90 Meter langen Schiffs von 10 auf 11,6 Knoten (Seemeilen pro Stunde) gesteigert werden.

Das Zugdrachen-System ist zur Zeit auf folgenden Schiffen installiert: MS „Michael A.“ Reederei: WESSELS Reederei und MS „Beluga SkySails“ Reederei: Beluga Shipping. Noch bis Anfang 2009 findet die Piloterprobung zur Optimierung der Sky-Sails-Technologie statt. Im Praxisbetrieb der beiden Frachter stehen zunächst Kalibrierungsarbeiten und technische Anpassungen zur Stabilisierung des Zugdrachenantriebs im Vordergrund. In der zweiten Hälfte der Pilotphase liegt der Schwerpunkt auf der Verlängerung der Flugzeiten und der Optimierung der Leistung. Nach Abschluss dieser Piloterprobung beginnt SkySails mit der Serienproduktion des Zugdrachensystems.

Norwegischer Schiffseigner installiert umweltfreundlichen Zugdrachen-Antrieb

Als erster norwegischer Schiffseigner hat die Reederei Wilson aus Bergen einen SkySails-Antrieb bestellt. Der umweltfreundliche Zugdrachen-Antrieb soll im nächsten Jahr auf dem Feeder-Schiff „Wilson Grip“ installiert werden. Man erwartert, dass der Einsatz des SkySails-Antriebs auf der “Wilson Grip” ein ökologischer und ökonomischer Erfolg sein wird und auf weiteren Wilson-Schiffen eingesetzt werden kann. Für SkySails eröffnet sich durch den Verkauf an Reederei Wilson die Möglichkeit, den SkySails-Antrieb auch unter den Bedingungen des Nordmeeres in der Praxis einzusetzen.

Das MS „Wilson Grip“ verfügt bei einer Länge von 88 Meter über eine Tragfähigkeit von etwa 3.700 Tonnen und eine Antriebsleistung von knapp 1.500 kW. Das Schiff wird mit einem 160m² großen SkySails ausgerüstet. Bei gutem Wind kann ein SkySails-Antrieb dieser Größe bis zu 8 Tonnen Zugkraft erzeugen. Zum Vergleich: Um auf ihre Fahrtgeschwindigkeit von 11 Knoten zu kommen, benötigt die „Wilson Grip“ ca. 11 Tonnen Schub.

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