Reichweite und Energiekapazität: 30 kW / 40 PS Leistungsklasse

Das Wichtigste zuerst - Der Anwendungsfall

Bevor wir auf den Vergleich von Verbrennungs- und Elektromotoren eingehen, betrachten wir den typischen Anwendungsfall für private Freizeitboote in der Leistungsklasse 30 kW / 40 PS. Für die meisten Fahrten sind 25 Seemeilen mehr als genug, um idyllische Buchten, Strände und Angelplätze zu erkunden. Längere Strecken werden in der Regel mit größeren Booten und mehr Leistung zurückgelegt.

Maximale Reichweite für eine typische Tagestour: 25 nm

Verbrauchsmessung des Boote-Magazins

Um einen fundierten Vergleich mit realen Referenzen zu ermöglichen, nehmen wir unsere Daten aus den Verbrauchsmessungen des renommierten Boote-Magazins (40-PS-Außenborder - Die feinen Unterschiede). Diese Messungen wurden für 40-PS-Verbrennungsmotoren durchgeführt und liefern uns wichtige Informationen über den Energiebedarf dieser Motoren in der Praxis.

Das Testteam des Boote-Magazins verwendete ein Selbstbau-Boot mit einer Länge von 4,8 m, einer Breite von 1,88 m und einer Verdrängung ohne Motor von rund 280 kg. Es wurde eine wirtschaftliche Gleitgeschwindigkeit von 16,2 kn (30 km/h) gewählt. Die folgenden Daten und Motoren (4-Takt-Motoren) aus der Verbrauchsmessung wurden in diesem Artikel verwendet:

Aus diesen Daten werden der Verbrauch pro Stunde und der Verbrauch für die 25 nm berechnet:

Wie aus der Tabelle hervorgeht, werden für einen 25-Seemeilen-Tag 8,4 l bei Eco- Speed bzw. 11,4 l bei Top-Speed benötigt. Normalerweise fasst ein Tank auf Booten dieser Größe 25 l Benzin. Bei Eco-Speed würde ein Tank nicht einmal für drei Tage ausreichen.

Bei einem typischen 25-Liter-Tank reicht eine Füllung bei Eco-Speed keine 3 Tage.

Energie an der Propellerwelle

Mit den für die verschiedenen Außenborder ermittelten durchschnittlichen Verbrauchsdaten und unter Berücksichtigung des Wirkungsgrades des Motors sowie des mechanischen Wirkungsgrades der Kraftübertragung (Außenborder) kann die Energie berechnet werden, die tatsächlich am Propeller ankommt. Die folgende Tabelle zeigt die ermittelten Werte:

Bei der obigen Herleitung haben wir die jeweils günstigsten Werte für den Verbrennungsmotor verwendet. Der typische Bereich des Heizwertes von Benzin liegt zwischen 8,5 kWh/l und 8,7 kWh/l. Der Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors liegt zwischen 25% und 30%. Der Wirkungsgrad des Motors bei Höchstgeschwindigkeit wird auch durch die Leistungsangabe des Motors bestätigt. Wenn man den Verbrauch für eine Stunde bei Höchstgeschwindigkeit anstelle des Verbrauchs für die 25 Seemeilen wie in der obigen Tabelle verwendet, erhält man genau die 30 kW an der Propellerwelle, für die die Motoren ausgelegt sind. Der mechanische Wirkungsgrad von 95 % setzt sich größtenteils aus dem Kegelradgetriebe (typischerweise 92 % bis 96 %), dem Impeller zur Kühlung und den Lagern zusammen.

Bedarf für eine 25 nm Tagestour sind 21 kWh mit Eco-Speed und 24,2 kWh mit Top-Speed.

Ebenfalls in der obigen Tabelle ersichtlich ist der Prozentsatz, der an der Propellerwelle ankommt.

Im besten Fall gehen mindestens 72 % der Energie verloren und nur 28 % erreichen tatsächlich die Propellerwelle.

Berechnung der notwendigen Batteriekapazität

Mit der erforderlichen Energie an der Propellerwelle können wir die erforderliche Batteriekapazität berechnen. Diese Kapazität ist entscheidend für die gleiche Reichweite und Leistung wie bei einem Verbrennungsmotor-Außenborder. Als Elektro-Außenborder verwenden wir einen mit einem Axialflussmotor (vgl. Emrax 188). Die folgende Tabelle zeigt die Herleitung:

Grundlage der Ableitung ist die benötigte Energie an der Propellerwelle aus der Tabelle „Energie an der Propellerwelle basierend dem Verbrauch der 25 nm“. Der mechanische Wirkungsgrad liegt nahe dem des Verbrennungsmotors. Durch den Einsatz einer Elektropumpe anstelle eines Kühlwasserlaufrads erhöht sich der Wirkungsgrad um 1%. Der Motor erreicht im Dauerbetrieb sowohl bei Eco-Speed als auch bei Top-Speed einen Wirkungsgrad von 96%. Wir gehen davon aus, dass der Wirkungsgrad des für den Elektromotor erforderlichen Steuergeräts bei 94 % liegt. Der Systemwirkungsgrad (Motor + Regler) beträgt somit 90%. Inzwischen gibt es Motoren wie die von Molabo, die mit einem Systemwirkungsgrad von 95% arbeiten (Motor: 97%, Steuerung: 98%).

Die für die 25 nm Tagestour erforderlichen Batteriekapazitäten betragen 24,2 kWh für die Eco-Geschwindigkeit und 27,9 kWh für die Höchstgeschwindigkeit.

Wie zuvor zeigt die obige Tabelle den Prozentsatz, der an der Propellerwelle ankommt.

Bei Elektro-Außenborder erreichen 87% der Batteriekapazität die Propellerwelle.

Gewichtsvergleich der Antriebssysteme

Nachdem wir den Energieverbrauch für eine Tagestour sowohl für den Verbrennungs- als auch für den Elektro-Außenborder ermittelt und die erforderlichen Batteriekapazitäten festgestellt haben, ist es an der Zeit, die Gewichte der beiden Antriebssysteme zu vergleichen.

Im Test des Boote-Magazins wurde das Durchschnittsgewicht der Verbrennungsmotoren mit 97,8 kg angegeben. Aktuelle Untersuchungen zeigen jedoch, dass das tatsächliche Gewicht um etwa 15 % höher liegt (vgl. Mercury FourStroke 40 Pro) und etwa 112 kg beträgt. Dieser Anstieg ist auf den Trend zurückzuführen, dass 40-PS-Motoren abgeriegelte 60-PS-Motoren sind. Für den elektrischen Außenborder wurde das Gewicht des edyn marine 2035 verwendet.

Boote mit 40-PS-Außenbordern haben in der Regel einen 25-Liter-Tank. Bei einem Gewicht von 0,75 kg/l für Benzin und zusätzlichen 5 kg für den Kunststofftank ergibt sich ein Gesamtgewicht von knapp 25 kg. Die Batterien für den elektrischen Außenborder sind ebenfalls von edyn marine. Mit einem Gewicht von 120 kg pro 15 kWh ergibt sich ein Gesamtgewicht von 240 kg bei einer Energiedichte von 125 W/kg.

In diesem Fall ist der Elektroantrieb mit 285 kg etwa 164 kg schwerer als der Verbrennungsmotor mit 122 kg. Der größte Teil des Gewichts des Elektroantriebs, 240 kg, entfällt auf die Batterien.

Elektrische Antriebssysteme sind aufgrund des Gewichts der Batterie deutlich schwerer als Verbrennungsmotoren.

Fazit und Ausblick

Nach der Analyse der verschiedenen Aspekte von Verbrennungs- und Elektro-Außenbordmotoren in der Leistungsklasse 30 kW / 40 PS können die folgenden Aussagen und Annahmen getroffen werden:

1. Elektromotoren haben einen höheren Wirkungsgrad, was bedeutet, dass für die gleiche Leistung weniger Energie verschwendet wird und der Energiebedarf drastisch gesenkt wird.
2. Das Gewicht der Batterien ist für eine Reichweite von 25 nm immer noch relativ hoch. Bei Eco- Speed mit einer benötigten Batteriekapazität von 24,2 kWh ist das Mehrgewicht abgedeckt. Die Reichweite bei Top-Speed wird schwer zu erreichen sein.
3. Aspekte wie Lärm, Vibrationen, Geruch und Umweltaspekte wurden in diesem Artikel nicht behandelt, sind aber ebenfalls wichtige Faktoren im Entscheidungsprozess.

Abschließend möchten wir Ansätze aufzeigen, wie das Gewicht der Elektromotoren - insbesondere die Batteriekapazität - reduziert werden kann:

• Auf der technischen Seite wird die Energiedichte der Batterien immer besser. Dadurch verringert sich das Gewicht der Batterien mit der Zeit. Andererseits können Antriebssysteme mit höherem Systemwirkungsgrad eingesetzt werden, was die Reichweite pro kWh erhöht.
• Die Verwendung von Booten, die speziell für den Elektroantrieb ausgelegt sind, haben einen höheren Gesamtwirkungsgrad aufgrund der unterschiedlichen Anforderungen von Elektroantriebssystemen an den Rumpf. Wird der Wirkungsgrad durch den Einsatz geeigneterer Rümpfe erhöht, wirkt sich dies positiv auf die Reichweite pro kWh aus. Eine weitere Möglichkeit auf Seiten der Boote besteht darin, das Gewicht des Bootes zu reduzieren. Dies erhöht ebenfalls die Effizienz und reduziert den Energiebedarf pro Seemeile.
• Der Propeller hat einen großen Einfluss auf den Gesamtwirkungsgrad. Mit 40 bis 50 % Wirkungsgrad bei Auslegungsgeschwindigkeit verschwendet er gut die Hälfte der Energie, die an der Propellerwelle ankommt. Der Einsatz neuer Technologien wie der Hydro Impulse, mit seinem Wirkungsgrad von 80% über die gesamte Drehzahl, bringt eine spürbare Erweiterung der Reichweite.

Nur noch eins ...

Wenn wir über elektrische Antriebe sprechen, müssen wir auch über das Laden und Tanken sprechen. Das Tanken ist bekannt: Üblicherweise wird das Boot am Ende des Tages aufgetankt. Je nach Betrieb an der Tankstelle kann dieser Vorgang einige Zeit in Anspruch nehmen, inklusive Warten, Anlegen, Tanken, Bezahlen und wieder Ablegen. Elektroboote werden in der Regel über Nacht aufgeladen (ca. 10 Stunden). Mit einem 3-kW-Ladegerät und Haushaltsstrom ist das Boot am Morgen wieder voll aufgeladen. Das Verbinden des Ladekabels ist nur ein zusätzlicher Handgriff beim An- und Ablegen des Bootes, der insgesamt weniger als zwei Minuten in Anspruch nimmt.