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So funktioniert’s:


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. Segelenergie nutzt dieses Potential auf dem Meer aus. Das „dem Wind folgen“ zahlt sich gegenüber herkömmlichen Offshore-Windkraftanlagen aus, da höhere Erträge erzielt werden können und Flautenzeiten minimiert werden.


Das Schiff soll nur durch den Wind angetrieben werden. Für die Windkraftübertragung stehen unterschiedliche Systeme zur Verfügung:
Einerseits können herkömmliche Segel verwendet werden. Diese Besegelung ist technisch ausgereift und wird millionenfach verwendet.
Eine weitere Möglichkeit sind große Flugdrachen, wie sie bereits zur Treibstoffreduzierung für Containerschiffe eingesetzt werden. Drachen versprechen große Leistungsausbeuten.
Darüber hinaus sind Flettner-Rotoren denkbar, da sie mit hohen Wirkungsgraden aufwarten können, aber derzeit noch nicht vollkommen Stand der Technik sind.

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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.

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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.

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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.


Die Turbine nutzt die Energie, die nicht in Schiffsbeschleunigung übergeht zum eigenen Antrieb. Die Platzierung der Strömungsmaschine am Schiffskörper ist dabei sehr wichtig. Es stehen verschiedene Möglichkeiten zur Verfügung:

  • Integration in den Schiffskörper zu beiden Seiten
  • seitliche Aufhängung von jeweils einer Turbine links und rechts des Schiffskörpers
  • nachgeschleppte Turbinen („Hydrotracker“), werden hinter dem Schiff hergezogen

Der Generator wird durch die Turbine angetrieben und wandelt die mechanische in elektrische Energie um. Dazu ist ein kombiniertes System zwischen Strömungsmaschine und direkt anschließendem Generator vorteilhaft.

Power-to-Gas - Das Original

Das Konzept Power-to-Gas (Original-Grafik)
(Quelle: Dissertation M. Sterner, 2009)

Unter Energiewandlung wird der Schritt der Umwandlung von elektrischer Energie in chemische, gespeicherte Energie verstanden. Diese Wandlung findet im ersten Schritt durch Elektrolyse statt. Der hierbei entstandene Wasserstoff kann dann an Bord oder an Land noch weiter zu Methan oder anderen Kraftstoffen wie Methanol, Diesel oder Flugbenzin verarbeitet werden. Das Produkt wird dann im Energiespeicher gelagert.

Diese Verfahren basieren auf dem Konzept Power-to-Gas.

Durch die Elektrolyse kann elektrische in chemische Energie umgewandelt werden. Dabei wird Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff zerlegt. Dies geschieht durch zwei unterschiedlich geladene Elektroden. An der Kathode (negativ) wird dabei der Wasserstoff abgeschieden und an der Anode (positiv) der Sauerstoff. Der produzierte Wasserstoff kann dann unter Einhaltung der Grenzrichtlinien in das Erdgasnetz eingespeist werden oder z.B. direkt im Verkehrssektor genutzt werden.

Die weiterführende Verarbeitung von „erneuerbarem Wasserstoff“ zu Methan ist in verschiedener Hinsicht von Vorteil. Zum Einen steigt mit der Methanisierung die volumetrische Energiedichte des produzierten Gases stark an, was logistisch von Vorteil ist. Zum Anderen besteht beinahe weltweit Infrastruktur, die auf den Umgang mit Methan ausgelegt ist (LNG-Terminals, Ergasnetze). Eine Möglichkeit zur Methanisierung ist der Sabatier-Prozess. Bei dieser nach dem französischen Chemiker Paul Sabatier benannten chemischen Reaktion wird Wasserstoff mit Kohlenstoffdioxid versetzt um Wasser und Methan zu produzieren. Das Methan kann dann in das Erdgasnetz eingespeist werden und somit im Verkehrs- und Wärmesektor genutzt werden.

Im Energiespeicher wird das Produkt aus dem Energiewandler gespeichert. Im Falle von Gas wird es komprimiert. Gegebenenfalls können die Gase auch flüssig gelagert werden. Der Speicher dient während der Fahrt auch als Transportbehälter. Der Energiespeicher wird dann an Land oder an „Energieinseln“ entleert.

Auf Energieinseln zwischengespeichert kann die Energie als Treibstoff von anderen Schiffen gebunkert werden, die Energieinsel fungiert sozusagen als Tankstelle.

Die Logistik organisiert den Transport der auf dem Meer gespeicherten Energie. Ursprungsort der Transportkette kann dabei eine Energieinsel auf offener See mit installierter Pipeline sein oder ein Hafen am Festland mit Verkehrsanbindungen. Ziel ist der Endkunde – privat oder industriell.

Anwendungen in der Mobilität oder in Inselsystemen sind denkbar als Abnehmer der gespeicherten, regenerativen Energie. Als Treibstoff gelten Wasserstoff oder flüssiges Methanol. Letzterer wird nach aktuellen Entwicklungen immer interessanter. In Inselsystemen kann hingegen Wasserstoff seine volle Funktionalität entfalten.

Der Weg zum Festland und zum Endkunden ist konform mit bestehenden Gesetzen und Regelungen wie dem ADR, RID, GGVSE und GGVSEB.
Die Logistik ist sekundär auch Koordinationsstelle zwischen Energiesammelvorgang und Lieferung. Aufgrund variierender Sammelzeit auf dem Meer können Anpassungen hinsichtlich der Lieferzeit notwendig sein. Die Logistik umfasst also alle Aufgaben zur integrierten Planung, Koordination, Durchführung und Kontrolle der Güterflüsse sowie der güterbezogenen Informationen.

Die Transportkette erstellt sich dabei individuell aus den folgenden Komponenten:

  • via Seeweg (vgl. LNG-Tanker und Segelschiff mit vollem Tank)
  • via Binnengewässer
  • via Straßennetz (Tanklaster)
  • via Schienennetz (Güterzug)
  • via Pipeline
  • via Elektrizitätsnetz

Welches Potential hat diese Technologie? Durch eine ausgetüftelte Routenoptimierung können wir ganzjährig die Bereiche mit den idealen Windgeschwindigkeiten – nicht zu schwach, aber auch nicht zu stark – nutzen & „Grundlast“ Wind abgreifen: follow the wind!

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Bei einem neuen Konzept tauchen immer viele Fragen auf. Hier geht’s zu unserem FAQs, die ständig erweitert werden – gerne auch mit Antworten auf Ihre Fragen.

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Der Energiehunger der Welt ist groß, Effizienz das Gebot der Stunde. Gleichzeitig verursacht die Schifffahrt viele Emissionen und der Schiffsbau braucht eine Zukunftsperspektive. Was uns bewegt und was wir der Segelenergie zutrauen.

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