Wie Windantriebe Frachtschiffe effizienter machen

Moderne Windantriebe haben mit den Segelschiffen vergangener Jahrhunderte nur noch wenig gemeinsam. Rotoren, Flügelsegel und automatisierte Segelsysteme basieren auf aerodynamischen Erkenntnissen aus der Luftfahrt und werden zunehmend als Baustein für die Dekarbonisierung der Schifffahrt betrachtet. Das DLR geht dabei noch einen Schritt weiter: Im Fokus steht nicht nur das Segel selbst, sondern das gesamte Schiff als Energiesystem – von der Rumpfform über Batterien und Wasserstoffspeicher bis hin zu wetterabhängiger Routenplanung und Energiegewinnung an Bord.

Das DLR-Institut für Maritime Technologien und Antriebssysteme mit seinen Betriebsstätten in Kiel und Geesthacht untersucht, wie sich Windenergie möglichst effizient für den Gütertransport nutzen lässt. Annika Fitz, Ingenieurin für Energiesysteme speziell auf Schiffen, und Lars Schmitz, Schiffbauingenieur und Experte für Windantriebe, arbeiten beide beim DLR und erklären das Thema im Gespräch.

Erleben wir gerade einen Anstieg der Windantriebe in der Handelsschifffahrt?

Lars Schmitz: Ja, wir sehen derzeit einen deutlichen Aufwärtstrend. Laut der International Windship Association (IWSA) fahren mittlerweile mehr als 100 große Schiffen mithilfe von Windantrieb. In den letzten sechs Monaten gab es somit einen Zuwachs von mehr als 25 Prozent. Der Druck zur Dekarbonisierung wächst und gleichzeitig erkennen immer mehr Reedereien die Vorteile von Windantrieben. Wind ist eine erneuerbare Energiequelle, die direkt vor Ort verfügbar ist. Das macht sie für die Schifffahrt besonders interessant.

Warum kommt die Technologie ausgerechnet jetzt zurück?

Schmitz: Die Rahmenbedingungen haben sich verändert. Die internationale Schifffahrt muss ihre Emissionen deutlich reduzieren, während alternative Kraftstoffe wie Methanol, Wasserstoff oder Ammoniak auf absehbare Zeit teuer und begrenzt verfügbar bleiben werden. Jede Kilowattstunde Energie, die direkt aus dem Wind gewonnen wird, senkt den Bedarf an diesen Energieträgern. Gleichzeitig machen Windantriebe die Schifffahrt und die Wirtschaft unabhängiger von globalen Energiemärkten und resilienter gegenüber Energiepreisschocks. Das macht sie nicht nur ökologisch und wirtschaftlich, sondern auch strategisch attraktiv.

Viele denken bei Windantrieben zuerst an Segel. Das DLR spricht dagegen häufig vom „Gesamtsystem Schiff“. Was bedeutet das?

Annika Fitz: Wir betrachten das Schiff als Gesamtsystem. Dazu gehören der Rumpf, die Segel, die Antriebsanlage, Energiespeicher, alternative Kraftstoffe und die Betriebsstrategie. Erst wenn diese Komponenten gemeinsam optimiert werden, lassen sich große Einsparungen erzielen und auch die nicht für den Vortrieb gebrauchte Energie aus den Segeln sinnvoll nutzen.

Warum sollte ein Schiff bei starkem Wind eigentlich nicht nur fahren, sondern sogar Energie erzeugen?

Fitz: Genau diese Frage stand im Mittelpunkt unseres Projekts Hyro, das wir gemeinsam mit Partnern aus Industrie und Wissenschaft durchgeführt haben. Die Idee war, Segel als Hauptantrieb von Seeschiffen zu nutzen. Bei günstigen Windbedingungen können sie mehr Vortrieb erzeugen, als für die gewünschte Fahrtgeschwindigkeit nötig ist.

Schmitz: Dieses Energiepotenzial lässt sich durch Rekuperation nutzen. Im Hyro-Projekt wurde untersucht, wie überschüssige Energie durch die Bewegung der Schiffsschraube über Hydrogeneratoren in Strom umgewandelt werden kann. Dieser kann direkt an Bord genutzt oder in Form von Wasserstoff gespeichert werden. So trägt der Wind nicht nur zur Fortbewegung bei, sondern kann auch die Energieversorgung des Schiffs unterstützen.

Welche Projekte verfolgt das DLR aktuell in diesem Bereich?

Fitz: Odyssa ist derzeit eines unserer zentralen institutsübergreifenden Projekte. Es handelt sich um ein Softwareframework, mit dem wir unterschiedliche Schiffskonzepte analysieren und bewerten können. Dabei fließen Erfahrungen aus früheren Projekten wie Hyro ein. Gleichzeitig erweitern wir Odyssa kontinuierlich, etwa um Stabilitätsbetrachtungen, Sicherheitsaspekte, Manövrierfähigkeit oder die Bewertung neuer Energiesysteme.

Schmitz: Das hängt stark vom Einsatzzweck ab. Rotierende Zylinder sowie Saug- und Flügelsegel eignen sich sowohl für die Nachrüstung bestehender Schiffe als auch für Neubauten. Bei der Nachrüstung arbeiten wir daran, größere Flügelsegel zu ermöglichen – etwa durch zusätzliche hydrodynamische Elemente wie richtungsstabilisierende Leitflossen oder angepasste Ruder. Für Neubauten sind großflächige Systeme wie das Dyna-Rigg interessant, bei dem sich die Masten und Segel computergesteuert in den Wind drehen.

Ist die Nachrüstung bestehender Frachtschiffe der schnellste Weg zur Emissionsminderung?

Schmitz: Kurzfristig ja. Die bestehende Flotte wird noch viele Jahre unterwegs sein. Deshalb kann die Nachrüstung einen wichtigen Beitrag leisten. Langfristig werden die größten Potenziale aber dort entstehen, wo Schiffe von Anfang an für den Windantrieb ausgelegt werden und alle Komponenten optimal zusammenspielen.

Welche Schiffe eignen sich besonders für Windantriebe und welche eher nicht?

Schmitz: Es gibt bereits mehrere kommerzielle Anwendungen. Das Frachtschiff „Canopée“, das Ariane-6-Trägerraketen von Europa zum europäischen Weltraumbahnhof in Französisch-Guayana transportiert, nutzt moderne Flügelsegel. Airbus plant ab 2026 zudem den Einsatz einer neuen Flotte von Transportschiffen, die mit Flettner-Rotoren ausgestattet sind. Sie sollen Flugzeugbauteile zwischen europäischen Produktionsstandorten und den Montagewerken in den USA transportieren. Die Zahl solcher Projekte wächst kontinuierlich.

Wie groß sind die tatsächlichen Treibstoffeinsparungen im Alltag?

Fitz: Die absoluten Einsparungen sind stark abhängig von Wetter, Route, Schiffdesign und der angestrebten Geschwindigkeit. Bei bereits gebauten Schiffen sind Einsparungen zwischen 5 und 30 Prozent üblich. Unsere Forschung zeigt, dass das Potenzial deutlich größer wird, wenn Windantrieb, Energiesystem und Betriebsstrategie gemeinsam optimiert werden.

Schmitz: Bei speziell entwickelten Schiffskonzepten können sehr hohe Einsparungen erreicht werden. Entscheidend ist dabei immer die Betrachtung des Gesamtsystems. Viele der Schiffe mit mehr Segelleistung sind noch neu. Die verlässliche Messung und Quantifizierung der Einsparungen auch noch ein eigenes Forschungsthema.

Können Windantriebe allein die Klimaziele der Schifffahrt erreichen?

Fitz: Wahrscheinlich nicht. Windantriebe werden eher ein wichtiger Baustein eines zukünftigen Energiesystems sein.

Schmitz: Die Schifffahrt wird voraussichtlich verschiedene Technologien kombinieren: Windenergie, Batterien, Wasserstoff und synthetische Kraftstoffe. Wind kann dabei helfen, den Energiebedarf erheblich zu senken.

Warum ist das DLR für diese Forschung besonders gut aufgestellt?

Fitz: Wir können Kompetenzen aus unterschiedlichen Disziplinen zusammenbringen. Bereits in den 1920er Jahren haben die Windkanalversuche in der Aerodynamischen Versuchsanstalt (AVA) in Göttingen, einer direkten Vorgängerorganisation des DLR, zur Entwicklung der Flettner-Rotoren beigetragen. Auch die Aerodynamik moderner Segel profitiert von Erkenntnissen aus der Luftfahrt, gleichzeitig verfügen wir über umfangreiche Expertise in Energiesystemen, Batterien und Wasserstofftechnologien.

Schmitz: Hinzu kommen unsere Kompetenzen in der Schiffstechnik und Versuchseinrichtungen für Brennstoffzellen und Antriebssysteme, auch in den neu entstehenden Laboren in Kiel und zukünftig auf unserem schwimmenden Labor MODULARIS. Dadurch können wir das gesamte System untersuchen und nicht nur einzelne Komponenten.

Blicken wir in die Zukunft: Wie sieht die Handelsschifffahrt im Jahr 2040 aus?

Schmitz: Ich erwarte deutlich mehr Schiffe mit Windunterstützung als heute. Windantriebe werden zunehmend selbstverständlich werden – nicht als Rückkehr in die Vergangenheit, sondern als moderne Technologie.

Fitz: Die Schifffahrt der Zukunft wird verschiedene Energieträger intelligent kombinieren. Wind wird dabei eine wichtige Rolle spielen, weil er direkt verfügbar ist und hilft, den Bedarf an klimaverträglichen Kraftstoffen zu reduzieren. Genau deshalb lohnt es sich, dieses Potenzial schon heute konsequent zu erschließen.

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