Rotorantrieb - Schiffe und Boote

Idee und Konzept


Die Umweltbelastung durch den Fahrbetrieb von großen Schiffen aller Art hat in den letzten Jahren sehr stark zugenommen. Genauso können kleinere Boote auf Binnengewässern in sensiblen Gebieten die Umwelt zusätzlich beeinträchtigen.

Wir haben einen Antrieb für Schiffe und Boote gesucht, der als Alleinantrieb gleich einsetzbar ist wie als Hilfsantrieb für große Fracht- und Tankschiffe.

Frachtschiff mit Rotoren als Hilfsantrieb

Das Segel ist seit Jahrhunderten die umweltfreundlichste Antriebsart für Schiffe und Boote, auch wenn sich dessen Einsatz heute nur mehr auf Freizeitboote beschränkt. Die großen Frachter verwenden das Segel nicht mehr, aber man plant zwecks Treibstoffreduktion diese Schiffe von großen Drachenschirmen ziehen zu lassen. Ziel ist es den Wind, der auf See fast immer und überall verfügbar ist, zu nutzen.
Entwickler, wie Savonius und Flettner haben sich mit ihren Ideen nicht durchsetzen können. Wir haben als Basis unserer Überlegungen den Savonius-Rotor genommen, weil er ein einfacher, robuster, den Wind nutzender Rotor, ist.

Der Rotor-Schiffsantrieb ist keine neue Erfindung, sondern eine Konzeption eines Schiffsantriebes, der aus bekannten Komponenten zusammen gesetzt ist und in dieser Form offenbar noch keine Verbreitung gefunden hat.

Folgende Kriterien wurden von uns festgelegt:

(1) weitestgehend energieunabhängig bei kleinen Schiffen
(2) gute Manövrierbarkeit, unabhängig von Windrichtung
(3) kostengünstig in der Herstellung
(4) Ganzjahreseinsatz bei jeder Wetterlage
(5) Nachteile von Segelschiffen und konventionellen Motorschiffen kompensieren
(6) Hilfsantrieb zur Treibstoffreduktion bei konventionellen Motorschiffen

Ein paar prinzipielle Überlegungen


Ein großer Vorteil des Rotors (Savoniusrotor) als Schiffsantrieb ist seine Robustheit und Einfachheit. Das Leistungsniveau ist nicht so hoch wie das von Darrieus- oder von horizontalen Rotoren. Er baut dafür nicht so hoch wie die Masten der Segelschiffe und ist bei Starkwind oder Sturm noch immer einsatzfähig. Je nach Bauart liefert er ein gutes Drehmoment, allerdings bei nur sehr geringen Drehzahlen. Also sollte dieser Rotor nur zusammen mit großen (mehrblättrigen) Schiffsschrauben eingesetzt werden, um einen guten Wirkungsgrad zu erhalten. Aus diesem Grund ist er auch nur für niedrige Geschwindigkeiten sinnvoll einsetzbar. Für kleine, schnelle Sportboote und Geiter ist er nicht geeignet.

Savonius-Rotor-Prinzip

Zwei Antriebsarten möglich:
Der Rotor-Schiffsantrieb soll als (a) direkter Antrieb, der Rotor wirkt direkt auf die Schraube, oder als (b) indirekter Antrieb, der Rotor erzeugt über einen Generator Strom, der dann über einen Elektromotor die Schraube antreibt, verwendet werden.

Logo-RotorantriebKombinationsmöglichkeiten:
Die ZukunftsWerkstatt Verkehr versucht Anregungen zu praxisgerechten Antriebsformen zu geben. Und gerade hier bietet sich eine interessante Kombinationsmöglichkeit an, um den Rotorantrieb noch effizienter zu machen. Zugdrachen und Savonius-Rotor ergänzen sich als Alleinantrieb für kleinere Schiffe und Boote in idealer Weise. Sie sind sich windtechnisch nicht im Weg, erlauben höhere Aufbauten als ein reines Segelschiff (=Komfortgewinn) und sind in einem großen Richtungsbereich, abhängig von Windrichtung, einsetzbar.


Direkt-Rotorantrieb


Der Rotor-Schiffsantrieb ist eine Kombination aus bestehenden Antriebskomponenten und keine neue Erfindung. Er zählt zu den Rotorantrieben, so wie auch beispielsweise der Flettnerantrieb für Schiffe. Man kann in diesem speziellen Fall auch von einem Rotorsegler sprechen, da der Wind der Hauptenergielieferant für den Vortrieb ist, jedoch die eigentliche Umsetzung des Vortriebs übernimmt eine konventionelle Schiffsschraube, wie bei einem Motorschiff.

Aus welchen Komponenten setzt sich der Rotor-Schiffsantrieb zusammen?

Vertikalrotor, Welle, Winkelgetriebe, Kupplungen, Motor (vorrangig Elektromotor), Stevenrohr, Antriebsschraube.

Der Direkt-Rotor-Antrieb


Wie funktioniert der Schiffsantrieb, wenn der Rotor direkt auf die Antriebswelle wirkt?

Als Vertikalrotor kommt ein Savonius-Rotor zu Einsatz. Die vom Savonius-Rotor erzeugte Drehenergie wird über eine vertikale Antriebswelle auf ein Kegelrad-Winkelgetriebe übertragen. Je nach verwendeter Schiffsschraube (Durchmesser und Steigung) können hier andere Übersetzungen als 1:1 zum Einsatz kommen. Vom Winkelgetriebe wird das Drehmoment über eine horizontale Welle auf das Stevenrohr und weiter zur Schiffsschraube übertragen. Verbindungselement der Horizontalachse zum Stevenrohr kann ein Kardangelenk sein. Ebenso wird die Horizontalwelle über Kupplungen verfügen, die einerseits den Savonius-Rotor von der Schiffsschraube trennen und andererseits den Haupt- oder Hilfsmotor zu- und abschalten können.

Verschiedene Fahrmodi sind für den Direktantrieb denkbar:

1) reiner Rotorantrieb, der Savonius-Rotor ist direkt mit der Schiffsschraube verbunden, Motor ist abgekuppelt
2) reiner Motorantrieb, der Rotor ist abgeschaltet und dreht leer (kein Wind oder Manövrieren im Hafen)
3) Rotorantrieb ist eingeschaltet und der (in diesem Fall muss es einer sein) ELEKTROMOTOR ist ebenfalls eingekuppelt und liefert Energie für die Antriebsbatterien und/oder für die Bordstromversorgung

Warum besteht der Schiffsantrieb gerade aus diesen Komponenten?

Der Savonius-Rotor liefert bei sehr niedrigen Drehzahlen ein sehr gutes Drehmoment. Das ist natürlich abhängig von der Windgeschwindigkeit und den Abmaßen der Rotors. Großer Durchmesser bewirkt auch ein hohes Drehmoment. Der direkte Antrieb über ein Getriebe zur Schiffsschraube garantiert die geringsten Verluste im Antriebsstrang. Geringe Drehzahlen und ein großes Drehmoment lassen sehr große Schiffsschrauben mit entsprechenden Steigungen und Blattformen zu, die wiederum zu geringen Schiffsschrauben-Schlupf führen. Und das bedeutet, dass der Wirkungsgrad der Umsetzung der Vortriebskraft unter Wasser maximal werden kann.

Zur Steigerung des Antriebsdrehmomentes bei größeren Booten oder Schiffen lassen sich auch mehrere Rotoren hintereinander anordnen.

Der Aufbau des Rotor-Schiffsantriebs ist denkbar einfach und unkompliziert. Sinnvollerweise wird der Savonius-Rotor mit einem Elektromotor kombiniert. Auf diese Art und Weise lässt sich ein Schiffsantrieb realisieren, der mit Akkus geringer Kapazität auskommt, was dem Gesamtgewicht des Schiffes entgegen kommt.

Welche Voraussetzungen stellt der Rotorantrieb an den Schiffsrumpf?

Der Rotor-Schiffsantrieb ist ein umweltfreundlicher, ökologischer Antrieb für niedrige bis mittlere Geschwindigkeiten und kein High-Speed-Antrieb. Daher sind Gleiterrümpfe nicht sinnvoll. Verdrängerrümpfe sind generell gut geeignet, aber ideal sind strömungsgünstige Rumpfformen, wie die von Segelschiffen.

Wo kann der Rotorantrieb eingesetzt werden.

Im Prinzip bei fast allen Schiffen, von der kleineren Segeljacht (1-2 Rotoren) bis zu den großen Tank- und Containerschiffen mit einer entsprechenden Anzahl von großen Rotoren, so angeordnet, dass sie den Be- und Entladevorgang nicht behindern.


Indirekt-Rotorantrieb


Der Rotor-Schiffsantrieb in der direkten Bauart ist dadurch gekennzeichnet, dass hier die Schiffsschraube nicht direkt über ein Getriebe mit dem Rotor verbunden ist. Vielmehr treibt der Rotor einen Generator (eine Lichtmaschine im einfachsten Fall) an, dessen erzeugter Strom dann einen Elektromotor antreibt und dieser ist mit der Antriebswelle der Schiffsschraube verbunden.

Der Indirekt-Rotor-Antrieb


Das Um und Auf dieser Antriebsvariante liegt in der Tatsache, dass nur Generatoren und eMaschinen mit höchsten Wirkungsgraden eingesetzt werden sollten, da im anderen Fall zu viel Energie zwischen Rotor und Schraube verloren gehen würde.
Der Indirekt-Antrieb ist natürlich auch mit Akkumulatoren ausgerüstet, die bei schwachem Wind für Vortrieb sorgen und bei Nichtbenutzung des Antriebs geladen werden.

Bericht: Gerald Harbusch (2011)


CC Public Domain

Konzept: Gerald Harbusch

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