Angebaut an die Motoren werden Hypoid-Winkelgetriebe der Baureihe TPK+ zur Steuerung der vier bis zu 1.200m langen Kite-Seile eingesetzt. Dabei hat sich das Startup für die Cynapse-Funktionalität, also integrierte Sensorik, Logik und IO-Link-Datenschnittstelle, entschieden, die später einmal wichtige Betriebs- und Zustandsdaten liefern kann. Eine wichtige Voraussetzung, dass die Energieschiffe künftig – KI-gestützt und entsprechend der Wettervorhersagen – zur Gewinnung von grünem H2 autonom in den sechs permanenten Starkwindzonen der Weltmeere navigieren können. Dabei soll eine solche Wasserstoff-Produktionsanlage auf ihrer achtwöchigen Fahrt etwa 1.000t grünen Wasserstoff erzeugen. Im Jahr käme sie auf rund 6.000t – eine ausreichende Menge, um 40.000 Wasserstoff PKWs ganzjährig zu betreiben.
Die Zukunftsvision ist imposant: Aktuell sind etwa 15.000 Tanker mit fossilen Brennstoffen auf den Weltmeeren unterwegs. Diese werden voraussichtlich bis zum Jahr 2050 verschwinden und können durch Kite Hydrogen Ships ersetzt werden. Mit einer Flotte von nur 5.000 Schiffen, die weltweit im Einsatz sind, könnte ein Weltmarktanteil bei Wasserstoff von 10 Prozent erreicht werden – mit einer möglichen CO2-Reduzierung von vielen Gigatonnen.
Vom Kitesurfen zur Energieerzeugung
Die Sportart Kitesurfen stand Pate bei der Umsetzung der Idee der Energieschiffe „Mein Grundgedanke war, die Kräfte, die beim Kiten am Drachensegel auftreten und an den Seilen zerren, in elektrische Energie umzusetzen“, blickt Vorstand Dr. Wolfram Reiners auf die anfängliche Idee zurück. „Herzstück des Konzepts ist das patentierte K1-Drachenantriebssystem, das als grüne Steckdose für den Elektrolyseprozess an Bord dient“, ergänzt Vorstandskollege Ulrich Dobler. „Während der Energiegewinnung ermöglicht das Antriebssystem die vollständige Navigation der Kite-Schiffe auf allen Windkursen, über kurze Reichweiten vor dem Wind, über große Reichweiten nach dem Wind sowie bei Richtungsänderungen.“ Ein elektrischer Hilfsantrieb ist nur für Notfälle und für die Navigation in Hafennähe vorgesehen. Die Entwicklung des Drachenantriebssystems war eine große Herausforderung, da bereits bei Segelflächen von 60m² auf jedes der zu steuernden Kite-Seile Kräfte bis 4t wirken – Dimensionen, die im Vergleich zu den endgültig vorgesehenen Segelflächen noch gering sind.
Getriebeauslegung für Prototypen
Allerdings waren die Auslegungs- und Betriebsdaten der Light-Version für die Auswahl und Dimensionierung des Getriebes für die Hauptachse des Antriebssystems durchaus hilfreich. Deren Aufgabe ist es, die vier Frequenzumrichter-gesteuerten Seilzüge des Kite zu kontrollieren, während diese per Kite-Pumping elektrische Energie erzeugen. „Hierzu startet das Launch-Land-System den Kite automatisch in den Wind, bis es die Starthöhe von rund 100m erreicht hat, um dann mit Hilfe des Autopiloten den Stromerzeugungszyklus in Höhenwinden auf bis zu 1.000m zu beginnen“, erklärt Felix Bartels, Leiter der Kite-Antriebs-Entwicklung. „Die hierbei ausrollenden Seile erzeugen einen generatorischen Betrieb des Antriebssystems. Je stärker der Wind ist, desto mehr Traktionskraft und Energie werden erzeugt.“ Danach wird der Kite mit angestellter Segelfläche wieder eingeholt. Die dafür erforderliche motorische Energie beträgt lediglich einen Bruchteil der zuvor generatorisch gewonnenen Energie, so dass sich sukzessive ein Energieüberschuss aufbaut, der in erheblichem Umfang zur Gewinnung des grünen Wasserstoffs eingesetzt wird.
Smarte Hypoid-Getriebe
Für die Steuerung und Kontrolle der vier Seilzüge beim Kite-Pumping wurden die Hypoidgetriebe der TPK+-Baureihe ausgewählt. Die Winkelbauform trägt dazu bei, das Drachenantriebssystems platzsparend umzusetzen und in einen seefesten Container integrieren zu können. Das gewählte zweistufige Getriebe in Baugröße 300 mit Übersetzung i=100 zeichnet sich durch eine hohe Verdrehsteifigkeit, ein geringes Verdrehspiel und hohe Lastaufnahmefähigkeit bei externen Kräften aus. Gleichzeitig gewährleistet die Hypoidverzahnung hohes Drehmoment und besondere Laufruhe.
„Da die Schiffe später autonom unterwegs sein könnten, und die Hauptachse des Antriebssystems extrem unterschiedliche Bewegungen und Kräfte des Kites auch bei starkem Wellengang beherrschen muss, haben wir die Cynapse-Funktionalität empfohlen“, sagt Andreas Kolibius, Vertriebsingenieur bei Wittenstein Alpha. „So können die Getriebe aus der Ferne überwacht werden.“ Für Felix Bartels ist die Kraftüberwachung eines der voraussichtlichen Nutzungsszenarien: „Wir haben vor, über Cynapse während einer Fahrt z.B. die Beschleunigungswerte aus der Hauptachse mitzuloggen und sie mit früheren Werten zu vergleichen, um Anomalien frühzeitig zu erkennen.“
Steuereinheit und Drehkranz
Nach den positiven Erfahrungen bei der Umsetzung der Seilzugsteuerungen mit TPK+-Getrieben entschied sich Oceanergy auch bei der Ausrüstung der manuellen Steuereinheit des K1-System für Wittenstein. Den Anforderungen entsprechend ausgelegt, werden in dieser Bedieneinheit ein spielarmes Planetengetriebe TP+ der Alpha Advanced Line, das drehmomentdichte und kompakte NVH-Schneckengetriebe aus der V-Drive-Value-Familie sowie zwei rotative Servoaktuatoren vom Typ TPM+ verbaut.
Auch im Drehkranz kommt ein Getriebe von Wittenstein Alpha zum Einsatz: ein XP+-Planetengetriebe mit einem speziell konzipierten Abtriebsdesign und kompakter Bauweise. Neben der Drehmomentdichte bietet es hohe Verdrehsteifigkeit und Kippmomentkapazität. Das ermöglicht es, die vier Seilzüge mit hoher Dynamik auf vertikaler Achse zu drehen und so eine passende Ausrichtung der Seile zu gewährleisten.
Unter dem Strich soll es mit den Kite Hydrogen Ships bis zum Jahr 2035 möglich sein, grünen Wasserstoff zu Kosten von 2€/kg zu erzeugen. Versuche im Drachentestzentrum von Oceanergy in Kapstadt belegen, dass das Ernten von Windenergie auf dem offenen Meer – dort, wo er am stärksten und dauerhaft weht – mit Energieschiffen grundsätzlich möglich ist. Und sie bestätigen auch die Berechnungen, denen zufolge Energieschiffe im Vergleich zu stationären Windkraftanlagen bis 32 Mal mehr Energie pro Quadratmeter eingefangener Windfläche erzeugen können.
