Rotoren, Flügelsegel, Zugdrachen: So wollen Frachtschiffe Milliarden Liter Treibstoff sparen

Die Schifffahrt muss ihre Emissionen drastisch senken. Alternative Kraftstoffe wie Wasserstoff, Ammoniak oder Methanol gelten als wichtige Bausteine, stehen aber noch vor technischen und wirtschaftlichen Herausforderungen. Gleichzeitig erlebt eine uralte Energiequelle eine überraschende Renaissance: der Wind.

Moderne Frachtschiffe setzen dabei nicht auf klassische Segel, sondern auf Hightech-Lösungen wie Rotorsegel, Flügelsegel, Zugdrachen und intelligente Steuerungssysteme. Erste Systeme sind bereits im kommerziellen Einsatz und könnten künftig Milliarden Liter Treibstoff einsparen.

Die Schifffahrt entdeckt den Wind neu

Noch vor rund 150 Jahren war Wind die wichtigste Energiequelle auf den Weltmeeren. Erst Dampfschiffe und später Dieselmotoren verdrängten die Segelschifffahrt fast vollständig. Nun kehrt der Wind zurück – allerdings in einer Form, die mit historischen Segelschiffen kaum noch etwas gemeinsam hat.

Der Druck auf die Branche wächst. Die internationale Schifffahrt verursacht rund 3 % der weltweiten Treibhausgasemissionen. Gleichzeitig verfolgt die Internationale Seeschifffahrtsorganisation (IMO) das Ziel, die Emissionen der internationalen Schifffahrt bis oder um das Jahr 2050 auf Netto-Null zu reduzieren. Bereits bis 2030 und 2040 sollen wichtige Zwischenziele erreicht werden.

Hinzu kommen neue Vorschriften wie FuelEU Maritime und der europäische Emissionshandel für die Schifffahrt. Für Reedereien wird es damit zunehmend attraktiv, den Verbrauch fossiler Kraftstoffe zu reduzieren. Während über Wasserstoff, Ammoniak oder synthetische Kraftstoffe intensiv diskutiert wird, erlebt eine Technologie ein überraschendes Comeback: die Nutzung des Windes.

Warum Wind plötzlich wieder interessant wird

Für Reedereien zählt vor allem ein Punkt: Jede Kilowattstunde Vortrieb, die der Wind liefert, muss nicht durch teuren Treibstoff erzeugt werden.

Moderne Windantriebssysteme ersetzen den Hauptmotor zwar meist nicht vollständig. Sie können ihn jedoch entlasten. Je nach Route, Wetterlage und Schiffstyp lassen sich dadurch zwischen wenigen Prozent und über 20 % Treibstoff einsparen.

Möglich wird dies durch moderne Materialien, Sensoren und leistungsfähige Software. Wettermodelle, Satellitendaten und KI-gestützte Routenplanung berechnen laufend die günstigste Strecke. Teilweise lohnt sich sogar ein kleiner Umweg, wenn dadurch stärkere Winde genutzt werden können. Der Wind wird damit vom kostenlosen Naturphänomen zu einer berechenbaren Energiequelle.

Flettner-Rotoren: Der Magnus-Effekt liefert Vortrieb

Die derzeit am weitesten verbreitete Windtechnologie in der Handelsschifffahrt sind Flettner-Rotoren. Dabei handelt es sich um hohe, rotierende Zylinder, die auf dem Deck installiert werden. Trifft Wind auf den Rotor, entsteht durch den sogenannten Magnus-Effekt eine zusätzliche Kraft, die das Schiff vorwärts bewegt.

Das Prinzip entwickelte der deutsche Ingenieur Anton Flettner bereits in den 1920er-Jahren. Damals war die Technik ihrer Zeit jedoch voraus. Erst moderne Werkstoffe und digitale Steuerungen machen sie heute wirtschaftlich interessant.

Warum Rotorsegel mehr Schub erzeugen, als sie Strom verbrauchen

Auf den ersten Blick wirkt das Prinzip widersprüchlich. Schließlich benötigen Flettner-Rotoren elektrische Energie, um die Zylinder in Rotation zu versetzen. Tatsächlich liegt genau darin ihr Vorteil.

Die Rotoren drehen sich mit mehreren Hundert Umdrehungen pro Minute. Dadurch strömt die Luft auf einer Seite schneller als auf der anderen. Der entstehende Druckunterschied erzeugt eine Kraft, die als Vortrieb genutzt wird.

Der Strombedarf für die Rotation fällt dabei vergleichsweise gering aus. Die zusätzliche Schubkraft kann den Energieeinsatz deutlich übertreffen. Genau deshalb gelten Rotorsegel heute als eine der wirtschaftlichsten Windtechnologien für große Handelsschiffe. Ein weiterer Vorteil: Die Systeme benötigen wenig Decksfläche und lassen sich vergleichsweise einfach nachrüsten.

Airbus setzt auf sechs Rotorsegel

Auch Airbus nutzt inzwischen Windkraft für seine Seetransporte. Gemeinsam mit der Reederei Louis Dreyfus Armateurs entstehen neue RoRo-Schiffe für den Transport von Flugzeugsektionen zwischen Europa und Nordamerika. Die Schiffe erhalten jeweils sechs Flettner-Rotoren des Herstellers Norsepower.

Zusätzlich kommen Dual-Fuel-Motoren zum Einsatz, die sowohl konventionellen Schiffsdiesel als auch grünes Methanol nutzen können. Nach Angaben von Airbus sollen die neuen Schiffe die CO₂-Emissionen gegenüber der bisherigen Flotte um etwa 50 % senken.

WindWings: Segel wie Flugzeugtragflächen

Für großes Aufsehen sorgte die Pyxis Ocean. Der Massengutfrachter erhielt 2023 zwei sogenannte WindWings. Diese starren Flügelsegel wurden von BAR Technologies entwickelt und von Yara Marine Technologies gebaut.

Auf den ersten Blick erinnern sie eher an Flugzeugflügel als an Segel. Jedes Element ist rund 37,5 Meter hoch und besteht aus mehreren beweglichen Komponenten.

Sensoren überwachen kontinuierlich Windrichtung, Windgeschwindigkeit, Schiffsbewegungen und Kurs. Die Segel richten sich automatisch optimal aus.

Flügelsegel arbeiten wie senkrechte Flugzeugflügel

Das physikalische Prinzip entspricht dem eines Flugzeugtragflügels. Die besondere Profilform sorgt dafür, dass die Luft auf einer Seite schneller strömt als auf der anderen. Dadurch entsteht ein Druckunterschied. Während dieser bei Flugzeugen Auftrieb erzeugt, wird die Kraft auf Schiffen als Vortrieb genutzt.

Moderne Flügelsegel verändern ihre Stellung automatisch. Dadurch können sie auch bei wechselnden Windbedingungen effizient arbeiten. Die Entwickler rechnen je nach Route mit erheblichen Treibstoffeinsparungen. Die tatsächlichen Werte hängen jedoch stark von Windstärke, Kurs und Einsatzgebiet ab.

Saugsegel könnten noch effizienter werden

Neben Rotorsegeln und Flügelsegeln rücken zunehmend sogenannte Saugsegel in den Fokus. Sie ähneln zunächst normalen Flügelsegeln. Zusätzlich wird jedoch Luft über Ventilatoren abgesaugt. Dadurch bleibt die Luftströmung länger an der Oberfläche des Segels anliegen.

Fachleute sprechen von einer kontrollierten Grenzschicht. Der Effekt: Das Segel erzeugt mehr Auftrieb beziehungsweise Vortrieb, ohne dass seine Fläche vergrößert werden muss.

Das europäische Forschungsprojekt reSail untersucht derzeit intensiv diese Technologie. Ziel ist es, Segelgeometrie, Steuerung und Schiffsbetrieb optimal aufeinander abzustimmen.

Warum die Realität komplizierter ist als die Theorie

Wie gut moderne Windantriebe funktionieren, hängt stark von den tatsächlichen Windverhältnissen ab. Genau hier setzt das Forschungsprojekt reSail unter Leitung des norwegischen Forschungsinstituts SINTEF an.

Projektleiter Yannick Jooss erklärt: „Wir haben die Windverhältnisse realistischer betrachtet, und sie weichen erheblich von der Windtheorie ab.“ Messungen auf dem Chemikalientanker Bow Olympus zeigten, dass Schiffsrumpf, Aufbauten und Segelsysteme die Windströmungen deutlich stärker beeinflussen als bisher angenommen.

Zum Einsatz kam dabei ein LiDAR-System. Es misst Windgeschwindigkeit und Windrichtung mithilfe von Laserstrahlen und nutzt den Doppler-Effekt, um Luftbewegungen präzise zu erfassen.

Die Forschenden wollen dadurch herausfinden,

• wo Segel optimal platziert werden sollten,
• wie sie automatisch geregelt werden können,
• und wie sich der gesamte Schiffsbetrieb verbessern lässt.

Langfristig könnten dadurch Treibstoffeinsparungen von 25 % oder mehr erreicht werden.

Oceanbird bringt Flügelsegel in die Praxis

Besonders weit fortgeschritten ist das schwedische Projekt Oceanbird. Ursprünglich stand ein nahezu vollständig windgetriebener Autotransporter im Mittelpunkt. Inzwischen konzentrieren sich die Entwickler auf das marktreife Flügelsegel Wing 560.

Das System ist rund 40 Meter hoch und kann bei Bedarf abgesenkt werden. Dadurch lassen sich Häfen und Brücken problemlos passieren. Nach Angaben der Entwickler kann bereits ein einzelnes Wing-560-System auf geeigneten Routen etwa 7 % bis 10 % Treibstoff einsparen.

Die ersten kommerziellen Aufträge liegen inzwischen vor. Damit gehört Oceanbird zu den vielversprechendsten Projekten der Branche.

Orcelle Wind soll fast ausschließlich mit Wind fahren

Parallel verfolgt Oceanbird gemeinsam mit Wallenius Marine und der Königlichen Technischen Hochschule Stockholm das Konzept Orcelle Wind. Der geplante Autotransporter soll rund 7000 Fahrzeuge transportieren können.

Vier große Flügelsegel sollen einen Großteil der benötigten Antriebsenergie liefern. Die Konstruktion wurde mehrfach überarbeitet, nachdem frühere Entwürfe mit ausfahrbaren Segeln Stabilitätsprobleme zeigten.

Trotz dieser Anpassungen bleibt das Ziel unverändert: Wind soll nicht nur unterstützen, sondern den größten Teil des Vortriebs liefern.

Neoliner Origin setzt wieder auf echte Segel

Noch einen Schritt weiter geht das französische Projekt Neoliner Origin. Hier ist die Windkraft nicht nur ein Hilfsantrieb, sondern die wichtigste Energiequelle des Schiffes. Der 136 m lange RoRo-Frachter verfügt über zwei 76 m hohe Masten mit starren Segeln. Zusammen erreichen sie eine Segelfläche von rund 3000 m².

Moderne Steuerungssysteme übernehmen einen Großteil der Segelführung automatisch. Ein Hilfsmotor wird vor allem für Hafenmanöver oder ungünstige Wetterlagen benötigt. Die Betreiber rechnen mit einer Verringerung der CO₂-Emissionen um bis zu 80 % gegenüber vergleichbaren konventionellen Schiffen.

Zugdrachen nutzen stärkere Winde in großer Höhe

Eine weitere Technologie kommt völlig ohne Masten aus. Sogenannte Kite-Systeme nutzen große computergesteuerte Zugdrachen. Diese steigen mehrere Hundert Meter über dem Schiff auf und erschließen Windströmungen, die näher an der Wasseroberfläche oft nicht verfügbar sind.

Der Drachen fliegt dabei automatisch optimierte Bahnen, um möglichst viel Zugkraft zu erzeugen. Der große Vorteil: Das System benötigt kaum Platz an Deck und lässt sich relativ einfach auf bestehenden Schiffen nachrüsten. Vor allem Containerfrachter und Massengutfrachter gelten als geeignete Kandidaten.

Zylinderantriebe aus den USA

Noch in einem frühen Entwicklungsstadium befindet sich ein Konzept des Luft- und Raumfahrtingenieurs GeCheng Zha von der Universität Miami. Seine Idee basiert auf großen zylinderförmigen Windantrieben, die abgesenkt werden können, um Brücken zu passieren.

Nach Simulationen könnten solche Systeme auf bestimmten Routen den Treibstoffverbrauch deutlich reduzieren. Allerdings existieren bislang keine kommerziellen Prototypen. Anders als Rotorsegel oder Flügelsegel befindet sich die Technologie noch klar in der Forschungsphase.

Welche Technologie hat die größten Marktchancen?

Nicht jede Lösung ist gleich weit entwickelt.

Die besten Marktchancen haben derzeit Rotorsegel und Flügelsegel. Sie lassen sich vergleichsweise einfach auf bestehenden Schiffen installieren und verursachen keine grundlegenden Änderungen am Schiffsentwurf.

Warum Windkraft ausgerechnet jetzt wirtschaftlich wird

Die Idee ist nicht neu. Neu sind die Rahmenbedingungen. Steigende Treibstoffkosten, strengere Klimavorgaben und der europäische Emissionshandel verändern die Kalkulation vieler Reedereien grundlegend.

Jeder eingesparte Liter Treibstoff reduziert nicht nur die Betriebskosten. Auch die Belastung durch CO₂-Abgaben sinkt. Viele Reedereien betrachten Windantriebe deshalb zunehmend als wirtschaftliches Werkzeug und nicht mehr nur als Klimaschutzmaßnahme.

Je nach Schiffstyp, Route und Treibstoffpreis werden Amortisationszeiten von wenigen Jahren erwartet.

Wind allein wird die Schifffahrt nicht retten

Niemand in der Branche erwartet, dass Windkraft künftig sämtliche Schiffsmotoren ersetzt. Zu stark schwanken Wetter und Windverhältnisse. Moderne Frachtschiffe müssen außerdem feste Fahrpläne einhalten.

Die Zukunft dürfte deshalb in hybriden Konzepten liegen. Windantriebe werden mit alternativen Kraftstoffen, effizienteren Schiffsrümpfen und digitaler Routenplanung kombiniert. Gerade diese Kombination könnte den größten Beitrag zur Dekarbonisierung der Schifffahrt leisten.

Der Wind entwickelt sich damit vom historischen Relikt zu einer Hightech-Komponente moderner Frachtschiffe. Was lange als technische Kuriosität galt, wird zunehmend zu einem wirtschaftlichen Faktor. Angesichts steigender Treibstoffkosten und wachsender Klimavorgaben dürfte die Zahl der windunterstützten Schiffe in den kommenden Jahren deutlich steigen.