Genauer hingeschaut – der Elektroantrieb der VOLT

von Hendrik Heimer / am 12.10.2017 / in Allgemein

Eigentlich sind die sehr leistungsfähigen Segel der Hauptantrieb der VOLT. Wir fahren mit Windkraft, das macht die VOLT schonmal sehr nachhaltig und sauber. Auf unserer VIATOR (siehe auch hier: „Wie alles begann„) hatten wir zusätzlich noch einen dicken Dieselmotor (ein 165PS Yanmar-Turbodiesel), der laut vibrierte und stank. Der schönste Moment war immer, wenn die Segel oben waren und wir den Diesel endlich abschalten konnten. Deshalb hatten wir ja schon früh beschlossen, die VOLT soll keinen anachronistischen Dieselantrieb mehr haben, der einfach nicht mehr in unsere Zeit passt.

Bild: der Yanmar-Turbodiesel im Motorraum der VIATOR

Aber eine Fahrtenyacht benötigt auch immer einen Hilfsantrieb für Situationen, die unter Segel nur schwer oder mit Risiken gemeistert werden können. Dazu gehört ganz klassisch die Flaute. Ohne Wind kann man nicht segeln. In manchen Regionen auf der Welt sind Flauten die Regel (z.B. im Kalmengürtel am Äquator) oder doch sehr häufig (z.B. in typischen Leichtwindrevieren wie dem Ionischen Meer). Da kann man dann mit schlagenden Segeln vor sich hinschaukeln oder eben den Motor einschalten. Sehr sinnvoll wenn nicht gar notwendig ist ein Motor bei Hafenmanövern, da heutige Marinas eben nicht mehr den Raum bieten, um unter Segeln zu manövrieren. Und dann gibt es noch spezielle Situationen wie Riffpassagen oder auch Tidenreviere wie die Biskaya oder die englische Küste, wo man vielleicht gegen einen sehr starken Strom ankommen muß, aber auch keinen Platz hat, um unter Segel aufzukreuzen. Also Motor einschalten und durch. Da muß man pragmatisch sein.

Der E-Motor als Hydrogenerator

Ebenso hatten wir uns sehr bald auf den Elektromotor von Oceanvolt festgelegt, da es der einzige Anbieter war, der den Motor auch als Hydrogenerator einsetzen kann und damit dann beim Segeln wieder Strom erzeugt. Denn wir brauchen viel Strom und die Solarpanele werden nicht genug davon liefern können und den Dieselgenerator wollen wir so wenig wie möglich nutzen. Das ist ein enorm wichtiges Feature, insbesondere auf einem schnellen Boot, da die Ausbeute sehr stark mit der Geschwindigkeit ansteigt, wie dieses Diagramm zeigt:

Bei etwa 10 kn Geschwindigkeit erzeugt man 1 KW Strom. Mit zwei Motoren also 2 KW. Das ist schon ganz ordentlich und 10 kn sind mit dem richtigen Wind durchaus erreichbar. Dass diese Zahlen nicht nur Theorie sind, zeigt das Video von Bord eines schnellen Katamarans (Schionning G-Force), der bei über 20 kn Speed mit beiden Motoren ca. 10 KW Strom erzeugt. Das ist die Leistung eines großen Dieselgenerators.

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Video-Link: https://youtu.be/ebSotPQd3JY

Warum noch einen Dieselgenerator?

Apropos Dieselgenerator – wir werden oft gefragt, was bringt es denn, den Dieselmotor rauszuschmeissen, wenn man dann trotzdem wieder einen Dieselgenerator einbaut? Ist das nicht völlig inkonsequent? Ja und nein. Es ist eben wieder pragmatisch. Oder um es mit Donald Rumsfeld zu sagen, „wir müssen mit der Technologie ein Boot bauen, die wir haben und nicht mit der Technologie, die wir uns wünschen“.

Fakt ist nunmal, eine Batteriebank hat eine begrenzte Kapazität, auch wenn die Technik da gerade schnelle Fortschritte macht. Und Lithium-Batterien sind auch sehr teuer. Aber selbst wenn das Budget keine Rolle spielen würde, so zwingen einen Gewicht und Platzbedarf, die Anzahl der Batterien zu beschränken. Am Ende hat man vielleicht 50-80 Seemeilen Reichweite, das ist für eine Fahrtenyacht viel zu wenig. Also braucht man einen „Range Extender“, irgendein Stück Technik, dass die Reichweite erhöht.

Und da hat man dann wenig Auswahl. Entweder einen Dieselgenerator oder vielleicht noch eine Brennstoffzelle, die wir auch in der Praxis auf unserer PURE intensiv getestet haben. Aber Diesel kann man auf der entferntesten Südseeinsel nachtanken, während man flüssigen Wasserstoff oder Methanol für die Brennstoffzelle nur sehr schwer bekommen wird. Und dann gibt es keine handelsübliche Brennstoffzelle, die auch nur annähernd die Leistung hat, die wir für den Betrieb der Motoren benötigen. Da reden wir über etwa 10 KW bei normaler Marschfahrt.

Streng genommen haben wir also keinen elektrischen Antrieb, sondern einen dieselelektrischen Hybridantrieb, sobald wir den Dieselgenerator zuschalten (was hoffentlich sehr selten der Fall sein wird). Aber jetzt kommt die gute Nachricht. Der Wirkungsgrad eines Dieselgenerators in Verbindung mit einem Elektromotor ist viel besser als ein reiner Dieselantrieb! Wir sparen also Diesel. Wie geht dass denn? Ganz einfach. Der Dieselmotor hat einen grottenschlechten Wirkungsgrad von ca. 40%, der Rest strahlt als Wärme ab. Deshalb wird ein Verbrennungsmotor auch so heiß und muß intensiv gekühlt werden. Außerdem – und das ist von entscheidender Bedeutung – läuft der Dieselmotor nie mit optimaler Leistung, sondern wird auf einem Boot meist mit zu niedriger Drehzahl gefahren. Damit ist der Wirkungsgrad noch schlechter. Ein Gleichstrom-Generator hingegen läuft immer mit konstanter Drehzahl im Leistungsoptimum. Damit ist sein Wirkungsgrad immer besser. Der angeschlossene Elektromotor hat einen Wirkungsgrad von über 95%, kann die Energie also optimal nutzen (und muß deshalb auch kaum gekühlt werden). Zusammen ist der Gesamtwirkungsgrad dann besser als der eines Dieselmotors.

Der Dieselgenerator wird uns sicherlich noch 10 Jahre begleiten, bis es eine ganz neue Generation von Batterien gibt, die dann eine Reichweite von 500 bis 1000 Seemeilen speichern können. Im Labor gibt es dafür schon erste Prototypen, also bin ich zuversichtlich, dass wir das noch erleben werden.

Der AXC10-Wellenantrieb

Als Elektromotor kommen zwei Oceanvolt AXC10  mit einer Leistung von je 10 KW zum Einsatz. Ich hatte ja im letzten Artikel schon etwas zu den Vorteilen eines Doppelantriebs geschrieben. Da wir bei der VOLT zwei Ruder haben, sind auch zwei Motoren für eine optimale Manövrierfähigkeit vorgesehen. Damit kann dann jedes Ruder einzeln angeströmt werden und man kann das Boot auch ohne Bugstrahlruder quasi „auf dem Teller“ drehen. Aber mit Dieselmotoren wäre die Konfiguration nie möglich gewesen, da schon der Platz dafür nicht gegeben wäre.

Der AXC10 hingegen ist nicht viel größer als eine Schuhschachtel und wiegt nur 48 kg. Bei Bedarf kann die Leistung noch durch den modularen Aufbau bis 40 KW gesteigert werden, indem man einfach mehrere Motoren zusammenschaltet. Das Bild zeigt die maximale Ausbaustufe des AXC40:

Das Handling eines Elektromotors an Bord begeistert jeden. Er ist absolut idiotensicher und hat etwa die Komplexität eines elektrischen Haarföhns. Man schaltet ihn ein, und er läuft. Vorwärts-rückwärts, auch in schneller Folge, machen ihm nichts aus. Beim Dieselmotor hätte da schon längst das Getriebe das Zeitliche gesegnet. Der Elektromotor braucht keine Wartung oder Einwinterung, keinen Ölwechsel, keinen neuen Impeller, keine Zylinderkopfdichtung oder Keilriemen. Da ist nichts, was kaputt gehen könnte. Der ideale Antrieb für eine Fahrtenyacht.

Die Batterien

Er benötigt nur Batterien, und da wären wir bei der letzten entscheidenden Komponente unseres Antriebskonzepts. Da die Motoren 48 V benötigen und der Generator auch 48 V liefert, wären natürlich auch 48 V Batterien die einfachste Variante. Und wie der Zufall es so will, wird Oceanvolt Anfang 2018 eigene 48 V Batterien auf den Markt bringen, die zudem noch leichter und günstiger als aktuelle Batterien sein werden. Mehr darf ich noch nicht verraten, nur vielleicht noch, dass die Form ideal für die flachen Bilgen moderner Rümpfe sein wird. Die heute üblichen Batterien sind 12 V oder 24 V, sodaß man immer mehrere Batterien zusammenschalten muß, um 48 V zu erhalten. Das kostet natürlich auch unnötig Platz und Gewicht. Mit nur 20 Batterien haben wir dann ein echtes Kraftwerk im Boot, fast 40 KWh bei nur 216 kg Gewicht. Die Batterien lassen sich gewichtsoptimal direkt hinter dem Kiel im Schwerpunkt der Yacht platzieren.

Bild: die 20 Batterien der VOLT

Bleibt noch die Frage nach der Leistungsfähigkeit eines solchen Antriebs. Zum Glück gibt es da ganz ausgefeilte Simulationsprogramme, die recht genau vorhersagen, was man später zu erwarten hat. Ich habe also mal die Parameter der VOLT eingegeben und war gespannt auf das Ergebnis.

Simulationsrechnung

Das erste Diagram zeigt die Leistungsaufnahme für eine bestimmte Geschwindigkeit. Für etwa 5,5 kn benötigt man 5 KW, für 8 kn aber schon 20 KW. Der Verbrauch geht also schnell nach oben, sodaß man wohl eher eine moderate Marschfahrt mit 5 kn wählen würde. Aber nun wissen wir auch, sollten wir bei der VOLT mal den Hebel auf den Tisch legen, dann hätten wir unter Motor eine Höchstgeschwindigkeit von 8 kn zu erwarten. Das kann durchaus mal notwendig sein, wenn man z.B. in einer Riffpassage gegen eine Strömung von 5 kn ankommen muß. Dann macht man immerhin noch 3 kn über Grund. Die Bezeichnung „Viator Explorer 42 DS“ steht übrigens für die Modellbezeichnung der VOLT.

Wir können dem Diagramm auch entnehmen, dass wir als dieselektrischer Antrieb – also mit Unterstützung des 10 KW-Generators – im Dauerbetrieb etwa eine Geschwindigkeit von 7 kn halten könnten. Das ist mehr als ausreichend.

Das nächste Diagramm zeigt die Reichweite bei einer bestimmte Geschwindigkeit für drei unterschiedliche Batteriekapazitäten. Mit den 42 kWh kämen wir bei 5 kn Marschfahrt also etwa 50 Seemeilen weit und mit 63 kWh etwa 80 Seemeilen. Bei „Hebel auf dem Tisch“ mit 8 kn Höchstgeschwindigkeit wären es selbst mit 63 kWh nur etwa 25 Seemeilen. Die Werte gelten für eine glatte See, bei Wellengang sind von der Reichweite nochmal 20-25% abzuziehen.

Nun haben wir auf See aber nicht nur Wellen, sondern auch Wind. Möchte man gegen den Wind unter Motor fahren, spielt die Windstärke eine wichtige Rolle. Das Diagramm gibt Auskunft auf die Frage, welche Motorleistung ist notwendig, um eine Geschwindigkeit bei Flaute, moderaten Winden oder starken Winden zu halten. Hier sieht man dann, dass wir unsere Marschgeschwindigkeit von 5 kn selbst bei starkem Gegenwind von 30 kn noch problemlos halten könnten.

Die Simulation zeigt also ganz gut, dass wir mit unserer Konfiguration ausreichend motorisiert sind und sogar noch eine gute Sicherheitsmarge haben.

Maximale Reichweite

Eine Diskussion über die Brauchbarkeit eines Elektroantriebs auf Langfahrt erschöpft sich meist in Argumenten um die ungenügende Reichweite. Wie soll man viele Tage unter Motor im Sturm oder Flaute überstehen, wenn die Batterien doch so schnell leer sind? Das kommt meist von Seglern, die selbst höchstens 30 Seemeilen am Tag auf der Ostsee zurücklegen und jeden Abend in einer anderen Marina liegen.

Nun hat man auf Langfahrt zum Glück nicht nur Sturm oder Flaute. Sonst würde das keinen Spaß machen. Unter Normalbedingungen rechne ich damit, etwa 80% aller Fahrten rein elektrisch machen zu können. Durch die hervorragenden Leichtwindeigenschaften der VOLT können wir noch segeln, wenn andere längst den Motor anwerfen müssen. Und der sehr flexible Segelplan erlaubt auch noch ein recht entspanntes Segeln bei 8 Bft. Also wird man den Motor meist nur für Hafen- oder Ankermanöver benötigen.

Aber für besondere Fälle oder auch Notfälle (z.B. Mastbruch) haben wir ja einen dieselelektrischen Antrieb. Dafür haben wir 2 x 250 l Diesel an Bord. Da der Generator noch nicht endgültig feststeht (Stand Anfang 2018), habe ich mal den Fischer Panda AGT-DC 10000-48V PMS als Beispiel genommen. Eingebaut ist der Kubota D722:

Kraftstoffverbrauch: 0,96 bis 2,55 l/h

Wenn wir unter Motor mit ca. 10 KW Leistung fahren (das entspricht Halbgas bei beiden Motoren und etwa 7 kn Geschwindigkeit lt. Simulation), dann läuft der Generator vermutlich im Maximum. Der Verbrauch wäre dann 2,55 l/h. Bei einem Dieseltank von 250 l könnten wir also etwa 100 h unter Generator fahren. Das entspricht etwa 4 Tagen unter Motor bzw. einer Reichweite von 700 sm bei ruhiger See (Flaute). Mit beiden Tanks sogar 1400 sm unter Motor! Damit käme ich vom Nordkap nach Longyearbyen auf Spitzbergen und zurück – um mal einen Törn zu nennen, der noch auf meiner Wunschliste steht.

Ich würde sagen, das ist auch für eine Fahrtenyacht eine ordentliche Reichweite. Und mit 0,36 l/sm ist es auch ein sehr sparsamer Antrieb. Das ist ja der große Vorteil der Hybridantriebe, sie sparen eine Menge Diesel. Wenn man noch davon ausgeht, dass man die ersten 50 sm immer rein elektrisch fahren kann, dann reduziert sich der durchschnittliche Jahresverbrauch noch wesentlich.

Zumal man immer wieder Abschnitte mit Wind haben wird und zwischendurch segeln kann. Dann können die Batterien über den Hydrogenerator wieder aufgeladen werden, sodaß man wieder ein Stück rein elektrisch fahren kann, was den Durchschnittsverbrauch senkt und die Reichweite nochmals erhöht.

Insofern haben wir für die VOLT eine sehr innovative aber auch pragmatische Antriebslösung gefunden.

Update 19.03.2018: aktuelle Infos zu Batterien und Reichweite eingefügt.

#nextgenerationyachting

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