SkySails - Turn wind into profit

TURN WIND INTO PROFIT 1 EINLEITUNG Es ist eine einfache Tatsache: Wind ist billiger als Öl und auf hoher See die kostengünstigste Energiequelle. Trotzdem wird dieses attraktive Einsparungspotenzial von Reedereien nicht mehr genutzt – aus einem einfa- chen Grund: Bisher konnte kein Segelsystem den Anforderungen der modernen Schifffahrt genügen. SkySails stellt jetzt erstmalig ein Wind-Antriebssystem auf Basis von großen Zugdrachen bereit, das allen Anforderungen gerecht wird. Durch Einsatz des SkySails-Systems können die Treibstoffkosten eines Schiffes im Jahresdurchschnitt, abhän- gig von den Windverhältnissen, zwischen 10 und 35% gesenkt werden. Herrschen optimale Windbedin- gungen, kann der Treibstoffverbrauch zeitweise um bis zu 50% reduziert werden. Schon bei einem kleinen, 87m langen Frachtschiff kann dies eine jährliche Ersparnis von bis zu 280.000 Euro bedeuten. Dieses System bietet aber nicht nur für die kommerzielle Schifffahrt Vorteile. Auch große Yachten können es nutzen, um z. B. den Komfort und die Reichweite zu erhöhen. Durch das Design spezieller Hybridyachten können die Vorteile schneller Motoryachten mit dem Komfort einer Kite-Segelyacht kombiniert werden. Der- zeit wird das SkySails-System auf einem 55m langen ehemaligen Tonnenleger erprobt. Erste Systeme sind bereits verkauft. 2 FUNKTIONSWEISE UND KOMPONENTEN DES SKYSAILS-SYSTEMS Das SkySails-System besteht aus den Komponenten Zugdrachen, Steuerungssystem, Start- und Landesystem sowie einer windoptimalen Routenführung. Es arbeitet vollautomatisch, zusätzliches Bordpersonal wird nicht benötigt. Mit dem Zugdrachen werden die Vortriebskräfte erzeugt. Sein doppelwandiges Tragflächenprofil ähnelt dem eines Gleitschirms. Er besteht vollständig aus hochfesten, witterungsbeständigen Textilien. Der Zugdrachen wird vollautomatisch gesteuert. Dazu sendet ein auf der Brücke installierter Autopilot, der mit dem eines Flugzeugs vergleichbar ist, Befehle an eine Steuergondel, die sich unterhalb des Zugdrachens befindet. Die Steuergondel ist über einen Leinenbaum mit dem Zugdrachen verbunden. Ihre Funktion ist mit der eines Gleitschirmpiloten vergleichbar: Sie verkürzt oder verlängert die Steuerleinen rechts oder links und verändert damit die Flugbahn des Zugdrachens. SKYSAILS – TURN WIND INTO PROFIT SEITE 1 von 12 Die Zugkraft wird über nur ein Zugseil, das die Steuergondel mit einem Krafteinleitungspunkt auf dem Bug des Schiffes verbindet, auf das Schiff übertragen. Das Tauwerk besteht aus modernen Kunstfasern, die eine hohe Belastbarkeit bei geringem Gewicht und geringer Dehnung unter Last gewährleisten. Das Start- und Landesystem übernimmt das automatische Ausbringen und Einholen von Zugdrachen, Steuer- gondel und Zugseil. Es ist im Vorschiffsbereich installiert. Neben dem Krafteinleitungspunkt besteht es im Wesentlichen aus einem Teleskopmast und einer Winde. Auf Knopfdruck des Brückenpersonals wird beim Start der bis dahin verstaute und ähnlich einer Ziehharmo- nika gereffte Zugdrachen samt Steuergondel durch den Teleskopmast zunächst aus einem Lagerbehälter gehoben, der sich - abhängig vom Schiff - auf oder unter Deck befindet. Das Setzen des Zugdrachens Der Zugdrachen ist frei beweglich an nur einem Punkt durch den Zugdrachenadapter mit dem Start- und Landemast verbunden und wird von diesem in die Höhe gehoben, so dass die Steuergondel frei schwebt. Mit Hilfe des Windes entfaltet sich der Zugdrachen bis auf seine vollständige Größe, wobei das Reffsystem die Reffleinen kontrolliert freigibt. Im Anschluss wird der Zugdrachen vom Start- und Landemast entkoppelt und das Zugseil gefiert, bis die Arbeitsflughöhe erreicht ist. Der Landevorgang läuft in umgekehrter Reihen- folge ab. Der gesamte Start- und Landevorgang erfolgt vollautomatisch und dauert jeweils ca. 10 - 20 Minu- ten. Die softwaregestützte Routenführung optimiert unter Berücksichtigung der Vorgaben der Reederei und aktuel- ler Wetterprognosen die Reiseroute und gibt entsprechende Empfehlungen an die Schiffsführung aus. Sie ermöglicht die Ausnutzung der vorteilhaftesten Winde und hilft somit die Treibstoffersparnis zu maximieren. 3 BETRIEBSBEDINGUNGEN Konstruiert ist das SkySails-System für den Einsatz auf hoher See. Binnengewässer, Flüsse sowie Häfen oder Verkehrstrennungsgebiete sind kein Einsatzgebiet für das System. SKYSAILS – TURN WIND INTO PROFIT SEITE 2 von 12 Das SkySails-System ist für den Betrieb bei Windstärken zwischen 3 und 8 ausgelegt. Aber auch bei weni- ger als 3 Windstärken sowie bei Windstärken bis 10 Beaufort und der Windstärke entsprechend stärkeren Böen kann das System noch sicher gelandet werden. 4 TECHNOLOGISCHE VORTEILE DES SKYSAILS-ANTRIEBS Hohe Leistung Im Vergleich zu konventionellen Segelantrieben erzeugt ein SkySails-System pro Quadratmeter eine erheb- lich höhere Antriebsleistung. Der Grund hierfür sind die technischen Möglichkeiten, die sich durch die räum- liche Trennung von Schiff und „Segel“ bzw. Zugdrachen ergeben. Die gefesselt fliegenden SkySails können in Höhen zwischen 100 m und 300 m operieren, in denen stärkere und stetigere Winde vorherrschen. In einer Höhe von 100 m ist die durchschnittliche Windgeschwindigkeit aufgrund der fehlenden Reibung mit der Erd- bzw. Wasseroberfläche zwischen 10 und 20 % höher als in 10 m Höhe. Die höhere Windgeschwindigkeit ist deshalb besonders relevant, weil sie in die Gleichung zur Berechnung der Zugkraft von Zugdrachen im Quadrat einfließt. Eine um 15 % höhere Windgeschwindigkeit bedeutet folglich eine Erhöhung der Zugkraft des SkySails-Systems um über 30 %. Den wesentlichen Nutzen zieht der SkySails-Antrieb aus dem Umstand, dass der Zugdrachen „dynamisch“ geflogen werden kann. Dies bedeutet, dass der Autopilot den Zugdrachen beispielsweise in Form von Ach- ten vor dem Schiff fliegen kann. Auf diese Weise wird die Anströmgeschwindigkeit am Zugdrachen weit über die wahre Windgeschwindigkeit erhöht und die Zugkraft infolge des quadratischen Zusammenhangs zwischen Anströmgeschwindigkeit und Auf- bzw. Vortrieb erheblich gesteigert: Wird der Zugdrachen bei- spielsweise im starren Flug mit einer wahren Windgeschwindigkeit von 11,5 m/s angeströmt, dann erhöht sich die Zugkraft beim Wechsel zum dynamischen Flug mit 20 m/s Anströmgeschwindigkeit um den Faktor 2,68 – also fast um das Dreifache. Da das SkySails-System pro Quadratmeter Segelfläche eine erheblich höhere Antriebsleistung erzeugt als konventionelle Segelantriebe, kann auch mit vergleichsweise kleinen Segelflächen bereits eine signifikante Ersparnis erzielt werden. Zum Vergleich: Die 109 m lange Viermastbark „Sea Cloud“ besitzt eine Segelflä- che von insgesamt 3000 m². Ein Frachtschiff gleicher Länge wäre mit einem Zugdrachen zwischen 300 und 600 m² optimal ausgerüstet. SKYSAILS – TURN WIND INTO PROFIT SEITE 3 von 12 Dynamisches Verhalten des Schiffs Die Kraft des SkySails-Zugdrachens wird in Höhe des Decks direkt in die Schiffstruktur eingeleitet. Auf diese Weise wird der Hebelarm verkürzt, der die bisher bei Segelschiffen übliche Schräglage (Krängung) verur- sacht. Infolgedessen ist die durch das SkySails-System verursachte Schräglage minimal und für die Schiffssi- cherheit sowie den Schiffsbetrieb unerheblich, der Komfort an Bord wird nicht beeinträchtigt. Im Seegang wirkt das SkySails-System aufgrund der Auftriebskräfte des Zugdrachens wie ein „Dämpfer“, der ein sanfteres Einsetzen des Schiffsrumpfes in die Welle bewirkt. Automatischer Betrieb Der SkySails-Antrieb arbeitet automatisch. Während des Flugbetriebes übernimmt ein Autopilot die Steue- rung des Drachens. Auch das Starten und Landen des Zugdrachens erfolgt automatisch. Die auf den Schiffen vorhandene Mannschaft ist für die Bedienung und Stauung des Systems ausreichend. Routenoptimierung Mit Hilfe des Wetterrouting-Systems kann das Schiff unter Beachtung der zeitlichen Vorgaben der Reederei auf der wind- bzw. kostenoptimalen Route an sein Ziel geleitet werden. SKYSAILS – TURN WIND INTO PROFIT SEITE 4 von 12 Aufrüstsystem Aufgrund seiner kompakten und universellen Bauweise können die meisten seegängigen Frachtschiffe mit dem SkySails-Antrieb aus- oder nachgerüstet werden.