Die bisherigen Berechnungen ergeben folgende Werte für Energieschiffe von 500 kW – 5 MW:

Wasserstoff: ab 16 €-ct./kWh
Methangas: ab 23 €-ct./kWh (Nutzung von atmosphärischem CO2)
Methanol: ab 19 €-ct./kWh (Nutzung von atmosphärischem CO2
Benchmark: Erneuerbarer Wasserstoff aus Wind Onshore ab 33 €-ct./kWh (Stand 2013)

Wesentliche Eckdaten: Rendite von 4%; Gesamtinvestition Energieschiff: zwischen 8 – 40 Mio. €; Auslastung: im Mittel 7000 h; Abschreibung: 15 Jahre

Der derzeitige Handelspreis für erneuerbaren Wasserstoff aus Windenergie Onshore (derzeit günstigste Form der erneuerbaren Stromerzeugung an Land) liegt bei über 33 €-ct./kWh.

Zum Vergleich: Strombasierte Kraftstoffe vom Land sind deutlich teuerer, wenn Sie rein aus Wind und PV hergestellt werden. Um eine Windkraftanlage an Land zu errichten, ist ein Strompreis von 9 €-ct./kWh zu zahlen.

Damit können wir Wind-Wasserstoff an Land im besten Fall ohne Steuern und Abgaben ab 23 €-ct./kWh (1200 h) herstellen. Der Effekt der Erhöhung der Auslastung auf 7000 h, was bei Wind Onshore nicht möglich ist aber mit Segelenergie schon, sinken die Kosten für Windgas Onshore stark ab und beginnen im Optimum bei fiktiven 13 €-ct./kWh.

Kosten von Windgas / Power-to-Gas an Land mit Wind Onshore & Graustrom von der Börse

Quelle: Köppel, W. in DVGW-Studie (2013): Enwicklung von modularen Konzepten zur Erzeugung, Speicherung und Einspeisung von Wasserstoff und Methan ins Erdgasnetz, Leipzig, Karlsruhe. (Grafik angepasst: lineare statt logaritmische Ordinate und Werte für Strombezug 0 €-ct./kWh entfernt).

Wind Offshore hat zwar eine fast doppelt so hohe Auslastung als Wind Onshore (ca. 4000 h vs. 2000 h), ist aber auch entsprechend nahezu doppelt so teuer.

Die Photovoltaik erreicht in der Freifläche bis zu 10-11 €-ct./kWh und hat auch noch deutliches Kostensenkungspotential. Allerdings gilt auch hier: die Fluktuationen bleiben eine Herausforderung für den Betrieb der verfahrenstechnischen Anlagen – einerseits technisch aufgrund der Materialbelastungen und schnelleren Alterung und andererseits ökonomisch, da sich die Anlage in deutlich weniger Stunden (durchschnittlich 1000 Volllaststunden) amortisieren muss. Auch ein Ausweichen auf sonnenreiche Regionen der Welt ändert daran prinzipiell fast nichts. Zudem sind in der Kraftstoffherstellung aus Solarenergie in Wüstenregionen die Fragen der Wasserversorgung und des Transports der Energie zum Verbraucher noch weitgehend offen.

Für Power-to-Gas an Land lässt sich festhalten:
Derzeit kein Break-Even – erst bei ganzjährigem Strom für unrealistische 0 €-ct./kWh (ohne Abgaben und Steuern).
Mit Rückverstromung (Stromspeicher) Stromkosten mind. nochmal doppelt so hoch.
Frühester Break-Even für Power-to-Gas allgemein: Kraftstoffmarkt & chemische Industrie.

Wenn die Ergebnisse der Analysen Machbarkeit und Wirtschaftlichkeit positiv sind, werden wir die ersten Energieschiffe in etwa 10 Jahren haben.

Segelenergie und Power-to-Gas ergänzen sich: während Power-to-Gas primär ein wesentlicher Baustein der Stromwende ist und über die Nutzung der großen vorhandenen Gasspeicherkapazitäten eine rein regenerative Stromversorgung ermöglicht, erschließt die Segelenergie ein großes Potential zur Kraftstoffherstellung auf offenem Meer.

Frachtschiffe und Energieschiffe verfolgen unterschiedliche Nutzen:

Als Hilfsenergie für den Vortrieb ist Segelkraft sehr geeignet. Dieses Prinzip, was Skysails anwendet, spart Kraftstoff in der Fahrt ein. Solche Schiffe werden als „Hybridschiffe“ bezeichnet wie z.B. der Wind Hybrid Coaster. Das ist deutlich effizienter, als die Herstellung von Kraftstoffen auf Energieschiffen, da mit einer Energieeinheit zwei – drei Einheiten Kraftstoff eingespart werden kann als umgekehrt die Gewinnung von Kraftstoff über Wind. Allerdings haben Frachtschiffe einen weitgehend vorgegebenen Weg von A nach B und gewisse Zeitfenster für Hafenein- und –ausfahrten. Damit kann ein Frachtschiff nicht dem Wind folgen.

Ein Energieschiff verfolgt rein das Ziel der Energieernte und erfüllt bis auf die Energieübergabe keine Transportaufgabe. Dadurch kann es ausschließlich dem Wind folgen in die besten Windgebiete, wo der Wind nicht zu stark und nicht zu schwach weht, sondern ideal, um ihn konstant zu ernten.

Bei der gespeicherten Segelenergie handelt es sich um gasförmige oder flüssige chemische Energieträger, welche in Tanks gelagert werden kann. Daher kann der Transport konform mit aktuellen Gesetzen und Regelungen stattfinden. Transportwege sind das Meer, Binnengewässer, Straßen, Schienen und Pipelines.

In der Theorie potentialseitig ja, in der Praxis ist die damit verbundene Akzeptanzfrage eine Herausforderung. Wenn wir 50% unseres Mobilitätsbedarfs noch mit Kraftstoffen decken müssen und dies ausschließlich mit strombasierten Kraftstoffen vom Land, wären dafür bei dem gleichen Wirkungsgrad etwa 1000 TWh Strom notwendig – innovative Fahrzeug- und Energietechnologien wie Brennstoffzellen außen vor gelassen. Um diesen Strombedarf zu decken bräuchten wir entweder 500 GW Windkraftanlagen mit 2000 Volllaststunden Auslastung, was dem 16-fachen der Ende 2012 installierten Leistung von gut 31 GW (22 000 Anlagen heute) entspricht; oder wir hätten 1000 GW Photovoltaikanlagen mit 1000 Volllaststunden, was dem 31–fachen der Ende 2012 installierten Leistung von gut 32 GW (1,3 Mio. Anlagen heute) entspricht.

Die Elektromobilität ist in Kombination mit erneuerbarem Strom die effizienteste Art der Fortbewegung. Im Güter- und Personenverkehr entstand sie in Form von elektrischen Bahnen schon vor der Verbrennungsmotortechnik im großen Stil. Im Automobil hat sich die Elektromobilität vor 100 Jahren aufgrund der günstigen Ölpreise und der hohen Energiedichte nicht durchgesetzt. Es war leichter, eine Verteilungsinfrastruktur für diesen Energieträger aufzubauen als für Elektromobilität. Zudem hat damals wie heute die Batterietechnologie und deren Kosten die Verbreitung limitiert. Trotz massiver staatlicher und privatwirtschaftlicher Anstrengungen in Deutschland seitens Politik, Forschung und Wirtschaft wurden 2012 lediglich 3000 neue Elektromobile angemeldet im Gegensatz zu 3 Mio. Verbrennungsmotorfahrzeugen. Hier sind noch weitere Anstrengungen notwendig – auch im Hinblick auf den Ausbau der Stromverteilungsinfrastruktur, der Verbindung von Elektromobilen mit erneuerbarem Strom, der Steigerung der Reichweite durch Hybridisierung und der Kostenreduktion in der Batterietechnologie.

Es wird langfristig nach wie vor einen hohen Bedarf an Energieträgern mit hoher Energiedichte geben – v.a. im Bereich Langstreckenmobilität, Güter- und Fernverkehr, Flug- und Schiffsverkehr und Arbeitsmaschinen. Hierzu kommen fast ausschließlich chemische Energieträger in Frage, die wir als „strombasierte Kraftstoffe“ bezeichnen.

Biokraftstoffe können nachhaltig hergestellt einen großen Beitrag zum Klimaschutz leisten. Ihr globales Potential ist aber nicht ausreichend, um den Kraftstoffbedarf bei derzeitigem Verbrauch zu decken. Daher ist die Effizienz in der Mobilitätswende genauso prioritär zu behandeln wie in der Strom- und Wärmewende. Zahlreiche Studien (WBGU Bioenergie Gutachten, SRU) bescheinigen Biokraftstoffen eine wichtige aber potentialseitig begrenzte Rolle, wenn die Nachhaltigkeitskriterien hoher Klimaschutz und geringe Landnutzungskonkurrenzen erfüllt werden sollen. Biokraftstoffe sind ideal für die Deckung des Bedarfs von Arbeitsmaschinen – wie in der Landwirtschaft – geeignet; aber nicht ausreichend für den restlichen Kraftstoffbedarf.

Der Flettner-Rotor ist ein alternativer aerodynamischer Antrieb für Segelschiffe.
Er ist nach seinem Erfinder Anton Flettner benannt.

Magnus_Effekt

Das Wirkprinzip der Flettner-Rotoren beruht auf dem Magnus-Effekt. Dieser ist auch verantwortlich für sogenannte „Bananenflanken“ im Fußball. Die großen Zylinder auf dem Schiff werden aktiv angetrieben und drehen sich daher. Der Wind streift an ihnen vorbei und wird aufgrund der Zylinderrotation auf der einen Seite beschleunigt. Dies hat eine Druckverringerung zur Folge, welche dann zu einer Vortriebskraft führt. Das Schiff fährt somit 90 Grad zum Wind um geradeaus fahren zu können.

Bildquelle und ausführlichere Informationen: http://de.wikipedia.org/wiki/Flettner-Rotor

Flettner-Rotoren erzeugen etwa den fünffachen Vortrieb im Gegensatz zu einer Slupbetakelung. Sie weisen sehr gute „Halbwind-“Eigenschaften auf und sind durch ihre guten „Am Wind“-Eigenschaften in der Lage jede beliebige Route zu segeln (ggf. mit kreuzen).

Der Wirkungsgrad ist abhängig von der eingesetzten Technik und dem erzeugten Energieträger. Möglich sind bis zu 30 % Wirkungsgrad für den Gesamtprozess.

Die Kosten für die Energieschiffe sind abhängig von der Leistungsgröße und dem
zu erzeugenden Energieträger. Erste Berechnungen ergeben Anschaffungskosten von 8 – 40 mio Euro.

Die Höhenwinde sind eindeutig ertragreicher. An der geeigneten Technik zur Nutzung von Höhenwinden wird erst noch geforscht. Es ist deshalb noch nicht sicher ob sich im Kontext der Segelenergie bodennahe Systeme oder Systeme zur Höhenwindnutzung durchsetzen werden.

Durch Routenoptimierung folgen die Energieschiffe so gut wie möglich dem optimalen Ertrag. Schwankungen im Windangebot (im Jahresmittel und im mehrjähigen Mittel) werden durch die Anpassung der Routen ausgeglichen. So sind 7000 Volllaststunden pro Schiff im Schnitt durchaus realistisch.

Die Geschwindigkeit der Schiff ist von einer Vielzahl von Faktoren abhängig
(z.B. Schiffsgröße, Windgeschwindigkeit, Schiffsauslegung usw.). Erste Berechnungen ergeben Schiffsgeschwindigkeiten von 3 – 10 m/s (10 – 35 km/h).

Wie viel Besatzung für das Schiff letztendlich notwendig ist, ist derzeit noch nicht abzuschätzen. Es wird sicherlich versucht die Besatzung möglichst gering zu halten. Derzeit werden Besatzungsgrößen angenommen die auch in der konventionellen Schifffahrt bei Schiffen vergleichbarer Größe üblich sind (ca. 4 – 12 Personen).

Die Speicherkapazität ist von der Leistung und der angestrebten Fahrtdauer des Schiffes abhängig.

So könnte z.B. ein Schiff mit einer Leistung von 2 MW und einer angestrebten Fahrtdauer von 3 Monaten ca. 1.200 MWh speichern. Dies entspricht in etwa 120.000 Liter Benzin.

Auf dem offenen Meer können sich die Schiffe allein durch die Kraft des Windes fortbewegen. Durch geeignete Routenwahl werden Flauten und windarme Gebiete umfahren.

Für Hafeneinfahrten und Notsituationen benötigen die Schiffe aber dennoch einen zusätzlichen Antrieb.

Bereits in den 1920er Jahren wurden Flettner-Rotoren gebaut. Wegen der niedrigen Energiepreise waren Flettner-Rotoren langezeit unattraktiv. Derzeit erleben Flettner-Rotoren wieder eine Renaissance. Das derzeit bekannteste Schiff mit Flettner-Rotor ist das E-Ship 1 der Firma Enercon.

Welche Größen sich schlußendlich durchsetzen werden ist noch nicht abzusehen. Derzeitige Berechnungen ergeben Schiffslängen von 60 – 100 m.

Eine Kombination aus Energieschiff und Handelsschiff ist nur bedingt sinnvoll, da beide eine unterschiedliche Zielsetzung haben. Handelsschiffe müssen schnellstmöglich von A nach B gelangen. Energischiffe suchen Regionen mit dem besten Windaufkommen.

Segelantriebe, wie Drachen oder Flettnerrotoren, können aber einen großen Beitrag bei der Energieeinsparung auf Handelsschiffen leisten.

Zum Entladen der Schiffe gibt es zwei Möglichkeiten:

  • Die Schiffe löschen ihre Ladung im Hafen und nutzen dort die Infrastruktur.
  • Die Schiffe steuern schwimmende Übergabeinseln an.
  • Schwimmende Übergabeinseln, sogenannte Energieinseln verkürzen die Transportwege. Das Energieschiff muss das Einsatzgebiet nicht verlassen und einen Hafen ansteuern.

    Die Fahrtdauer ist abhängig von der Auslegung des Schiffes. Lange Fahrtzeiten erlauben es windreiche Gebiete effizient „abzuernten“. Ferner werden dadurch die Zeiten für Hafeneinfahren anteilig verkürzt. Andererseits werden durch kurze Fahrzeiten weniger große Speicherkapazitäten benötigt. Derzeit werden Szenarien mit 7 – 90 Tagen geprüft.

    Für die Elektrolyse wird hochreines Wasser benötigt. Dieses kann durch eigene Tanks in Häfen zugeladen werden oder durch geeignete Reinigungs- und Filtermaßnahmen aus Meerwasser gewonnen werden.

    Wind am dem Meer unterliegen jahreszeitlichen bzw saisonalen Schwankungen. Diese können durch eine geeignete Routenopimierung genutzt werden um die Effizienz eines Energieschiffs weiter zu steigern.

    Der Transport von Gütern aus der Segelenergie wird maßgeblich durch das ADR, RID, GGVSE und GGVSEB geregelt.

  • ADR: (fr.) Europäisches Übereinkommen über die internationale Beförderung gefährlicher Güter auf der Straße
  • RID: (fr.) Ordnung für die internationale Eisenbahnbeförderung gefährlicher GüterGGVSE: Verordnung über die Beförderung gefährlicher Güter auf der Straße und mit der Eisenbahn
  • GGVSEB: Gefahrgutverordnung für Straße, Eisenbahn und Binnenschifffahrt
  • Windsysteme

    Mittlere Windgeschwindigkeiten in m/s  [Quelle: http://www.windatlas.dk/World/Index.htm]

    Für die Nutzung der Windenergie ist es wichtig, Standorte mit hohen Windgeschwindigkeiten zu finden. Daher ist eine genaue Analyse des „Standortes“ wichtig. Globale Windatlanten mit Angaben zu den mittleren Windgeschwindigkeiten sind auch für die Meeresoberfläche erhältlich. Generell steigt die zur Verfügung stehende Windenergie mit der Höhe. Meereswinde erreichen darüber hinaus bei niedrigen Höhen höhere Geschwindigkeiten als Winde gleicher Höhe an Land, da dort bremsende Faktoren durch die Landschaft vorherrschen. Entscheidend ist aber nicht nur die Maximalgeschwindigkeit, sondern vor allem die Häufigkeitsverteilung.

    Das Schiff soll nur durch den Wind angetrieben werden. Für die Windkraftübertragung stehen unterschiedliche Systeme zur Verfügung: einerseits können herkömmliche Segel verwendet werden mit bereits ausgefeilter Technik und erfolgreichen Know-how-Trägern.
    Eine weitere Möglichkeit sind große Flugdrachen, wie sie bereits zur Spritreduzierung für Containerschiffe eingesetzt werden. Diese versprechen große Leistungsausbeuten.
    Darüber hinaus sind Flettner-Rotoren denkbar, da sie mit hohen Wirkungsgraden aufwarten können.

    Energieschiff_Segel_800x500

    Segelschiff:
    Zur Technologieerprobung kann ein modifiziertes, konventionelles Segelschiff verwendet werden. Am Segel entsteht durch die Luftströmung ein aerodynamischer Auftrieb (bekannt vom Wirkprinzip am Flugzeugflügel). Dieser hat eine Vortriebskraft zur Folge, welche das Schiff bewegt. Die Antriebsenergie wird in der Strömungsmaschine gewandelt und anschließend chemisch gespeichert. Konventionelle Segelschiffe können für die Ernte von Kraftstoffen für die Eigenversorgung von Inseln umgebaut werden. Für die großtechnische Kraftstoffherstellung sind sie allerdings nicht geeignet.

    Energieschiff_Drache_800x500

    Drachen:
    Ein oder mehrere große Zugdrachen fliegen in einigen hundert Metern Höhe über dem Schiff und ziehen dieses durch die mit Hilfe des Windes entstandene Kraft. Der Drachen ist durch stabile Seile am Schiff befestigt und wird elektronisch gesteuert.

    Energieschiff_Drache_800x500

    Flettner-Rotoren:
    Das Wirkprinzip der Flettner-Rotoren beruht auf dem Magnus-Effekt. Dieser ist auch verantwortlich für sogenannte „Bananenflanken“ im Fußball. Die großen Zylinder auf dem Schiff werden angetrieben und drehen sich daher. Der Wind streift an ihnen vorbei und wird aufgrund der Zylinderrotation auf der einen Seite beschleunigt. Dies hat eine Druckverringerung zur Folge, welche dann zu einer Vortriebskraft führt. Das Schiff fährt somit 90 Grad zum Wind um geradeaus fahren zu können.

    2000 war mit weltweit 469 Angriffen das Jahr, in dem die höchste Rate an Piraterieaktivitäten verzeichnet wurde. Jährliche Berichte werden von dem Piracy Reporting Centre (PRC) veröffentlicht. Damals lag der Schwerpunkt in asiatischen Regionen, insbesondere vor der Küste Indonesions, der Straße von Malakka, vor Bangladesch und im Südchinesischen Meer. Indiens Küste lag auf Platz vier der Länderstatistik. Erkennbar an diesen Daten ist vor allem Küstennähe.

    Piraterie auf den Weltmeeren hat im Jahre 2012 mit 287 attakierten Schiffen ein fünf-Jahres-Tief erreicht (Daten vom 16.Januar 2013). Die Zahlen fielen aufgrund des starken Rückgangs der Piraterie in Somalias Küstennähe. Trotzdem blieb Ost- und Westafrika das am meisten betroffene Gebiet mit 150 Angriffen im Jahr 2012.

    Im aktuellen Jahr 2013 wurden weltweit 106 Zwischenfälle gemeldet. Alle sind dem Indischen Ozean und dem Asiatischen Raum und in Küstennähe zuzuordnen.

    Die Schiffe der Segelenergie kreuzen und bewegen sich fernab von den Küsten durch das offene Meer. Ferner sind die Anlegestellen der Flotte im Europäischen Raum. Deshalb ist das Problem der Piraterie gegenüber der Segelenergieflotte als gering einzuschätzen.