Leistung und Effizienz, 31 Mär 2025

Reichweite und Energiekapazität: 45 kW / 60 PS Leistungsklasse

Betrachtung von Benzin- und Elektro-Außenbordmotoren in Bezug auf Reichweite und Energiekapazität. In der Leistungsklasse von 45 kW / 60 PS zeichnet sich ab, dass ein großer Teil der Bootsmotoren in naher Zukunft auf elektrische Antriebe umgestellt werden könnte. In diesem Artikel gehen wir auf die zentralen Aspekte dieser Entwicklung ein und vergleichen Benzin- und Elektromotoren in Bezug auf Energieverbrauch, Gewicht, Reichweite und Effizienz. Der Schwerpunkt liegt dabei auf Binnenseen und Küstengewässern, wo die maximal notwendige Reichweite 45 Seemeilen pro Tag beträgt.

Für einen praktischen Vergleich nutzen wir die Messdaten aus dem Boote-Magazine, um fundierte Vergleiche und Ableitungen zu machen. Im Gegensatz zum ersten Artikel über die Leistungsklasse 30 kW / 40 HP werden wir in diesem Beitrag auch die Geräuschentwicklung berücksichtigen. Umweltaspekte und die Total Cost of Ownership (TCO) werden in einem späteren Beitrag behandelt, um den Fokus auf die technischen Aspekte und Fakten zu legen.

Darstellung des Anwendungsfalls hinsichtlich der Reichweite

Außenbordmotoren mit 45 kW / 60 PS werden in der Regel auf Booten bis zu einer Länge von 5,5 Metern, maximal 6 Metern, eingesetzt. Diese Boote sind für Flüsse, Seen und ruhige Küstenregionen geeignet. Die Obergrenze der reinen Fahrzeit im Cruising-Modus für Sport- und Freizeitboote liegt bei etwa 3 Stunden pro Tag. Die Fahrgeschwindigkeit ist durch die Lärmentwicklung (>85 dB Dauerschall stellt bereits ein Risiko für Gehörschäden dar) und die wirtschaftliche Fahrt mit 16 Knoten (30 km/h) begrenzt. Daraus ergibt sich eine maximal notwendige Tagesreichweite von 45 Seemeilen.

Größter Einfluss auf die reine Fahrzeit: Komfort, Lärm und Verbrauch

Für diese maximale Tagesreichweite von 45 sm haben wir mehrere Beispiele auf Seen und Flüssen untersucht und die Reichweite ermittelt. Längere Fahrzeiten, aber auch kürzere Fahrzeiten, werden in der Regel von größeren und schnelleren Booten bewältigt. Die folgende Tabelle zeigt eine Auswahl der notwendigen Reichweiten für verschiedene Anwendungsfälle auf unterschiedlichen Gewässern:

Für Seen wie den Müritzsee in Deutschland, den Attersee und Wörthersee in Österreich, den Vierwaldstättersee in der Schweiz oder den Iseo- und den Trasimeno-See in Italien reichen die 45 Seemeilen bereits für eine Rundfahrt mit Zwischenstopps aus.

Maximal notwendige Reichweite für einen Typischen Tag: 45 nm

Die großen Seen, wie der Genfer See, der Bodensee oder der Gardasee, sind in Bezug auf die Reichweite eher mit Küstenfahrten vergleichbar. Beschränkt sich der Einsatzfall auf eine bestimmte Region innerhalb dieser großen Seen, reduziert sich die notwendige maximale Reichweite auf unter 45 nm. Dies zeigt, dass Elektroboote der Leistungsklasse 45 kW auch auf größeren Gewässern für eine Vielzahl von Anwendungsfällen geeignet sind, sofern die Fahrten gut geplant und auf bestimmte Regionen beschränkt sind.

Ausreichende Reichweite für Seen und Küstenregionen: 45 nm up to 125 km²

Verbrauchsmessung des Boote-Magazins

Für einen praxisnahen und fundierten Vergleich der beiden Motortypen verweisen wir erneut auf die Verbrauchsmessungen des renommierten Boote-Magazins (Vergleich der 60 PS Motorenklasse – Sechserpack). In dem Test wurden insgesamt sechs Viertakt-Benzinmotoren miteinander verglichen. Das Testboot war ein 5,01 Meter langes RIB mit einer maximalen Motorleistung von 60 PS und einem 80-Liter-Einbautank. Vollgetankt wiegt das Boot rund 635 kg.

Nach Angaben des Testteams liegt die Reisegeschwindigkeit des Bootes zwischen 16 und 21 Knoten. Für längere Fahrten haben wir die Reisegeschwindigkeit (Eco-Speed, eco) festgelegt, bei der der Grenzwert von 85 dB nicht oder nur geringfügig überschritten wurde. Die Reisegeschwindigkeit beträgt also 16 Knoten.

Die folgenden Daten aus dem Boote Magazine Artikel „Vergleich der 60 PS Motorenklasse – Sechserpack" sind für unsere Betrachtung relevant:

Wie aus der obigen Tabelle hervorgeht, erreichen wir bei Reisegeschwindigkeit (Eco-Speed) durchschnittlich 85 dB. Das ist vergleichbar mit starkem Stadtverkehr, Rasenmähern oder Küchenmixern. Die 95 dB bei Höchstgeschwindigkeit (Top-Speed) können nur für eine begrenzte Zeit aufrechterhalten werden und sind vergleichbar mit dem Fahren eines Motorrads ohne Helm, Elektrowerkzeugen wie Bohrmaschinen oder Schleifmaschinen oder einem vorbeifahrenden Zug. Bei längerem Gebrauch ist bereits ein Gehörschutz erforderlich.

Maximal tolerierbarer Geräuschpegel für Touren: 85 dB

Zur Berechnung des Kraftstoffverbrauchs werden die Daten aus der obigen Tabelle verwendet, um den Verbrauch pro Stunde und den Verbrauch für 45 nm zu ermitteln:

Wie aus der Tabelle hervorgeht, werden für einen 45nm-Tag 20,1 Liter bei Eco-Speed und 26,7 Liter bei Top-Speed benötigt. Bei dem 80-Liter-Tank des Testbootes bedeutet dies, dass eine Tankfüllung für 4 Tage bei Eco-Geschwindigkeit bzw. 3 Tage bei Höchstgeschwindigkeit ausreicht.

Eine Tankfüllung mit 80 Liter reicht bei Eco-Speed bis zu 4 Tage

Energie an der Propellerwelle

Ausgehend von den durchschnittlichen Verbrauchsdaten der verschiedenen Außenbordmotoren wurde unter Berücksichtigung des Wirkungsgrads des Motors und des mechanischen Wirkungsgrads der Kraftübertragung (Außenborder) die Energie berechnet, die tatsächlich am Propeller ankommt. Die folgende Tabelle zeigt die abgeleiteten Werte:

Bei der obigen Ableitung wurden die für den Verbrennungsmotor günstigsten Werte 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 beträgt 26,1 % und wird auch durch die Leistungsangabe des Motors bestätigt. Legt man anstelle des Verbrauchs für die 45 nm den Verbrauch pro Stunde bei Höchstgeschwindigkeit zugrunde, ergibt sich eine Leistung von genau 44,1 kW an der Propellerwelle, die die Motoren abgeben. Der mechanische Wirkungsgrad von 95 % setzt sich hauptsächlich aus dem Kegelradgetriebe (typischerweise 92 % bis 96 %), dem Impeller zur Kühlung und den Kugellagern zusammen.

Bedarf für einen 45 nm Tag: 49,9 kWh bei Eco-Speed, 57,5 kWh bei Top-Speed.

Außerdem zeigt die obige Tabelle den prozentualen Anteil der Energie, der bei beiden Geschwindigkeiten letztlich an der Propellerwelle ankommt.

72% bis 75% Energieverschwendung bei Verbrennungsmotoren

Teilt man die benötigte Energie an der Propellerwelle durch die tägliche Reichweite von 45 Seemeilen, erhält man den Energieverbrauch pro Seemeile an der Propellerwelle. Mit diesem Wert kann die Effizienz von Booten mit verschiedenen Antriebssystemen verglichen werden.

Energiebedarf pro Seemeile an der Propellerwelle: ermöglicht den Vergleich zwischen Booten mit verschiedenen Antriebssystemen

Berechnung der Batteriekapazität

Mit der Berechnung der erforderlichen Energie an der Propellerwelle können wir die erforderliche Batteriekapazität bestimmen. Diese Kapazität ist entscheidend, um die gleiche Reichweite und Leistung wie mit dem Verbrennungs-Außenbordmotor zu erreichen. Als Elektro-Außenborder verwenden wir den Torqeedo Deep Blue 50 R. Die folgende Tabelle zeigt die Herleitung:

Grundlage für die Ableitung ist die notwendige Energie an der Propellerwelle aus der Tabelle „Energiebedarf an der Propellerwelle für den Verbrauch für 45 nm“. Der mechanische Wirkungsgrad ist ähnlich wie bei einem Verbrennungsmotor. Durch die Verwendung einer elektrischen Pumpe anstelle eines Kühlwasserimpellers erhöht sich der Wirkungsgrad. Hier verwenden wir die Angaben von Torqeedo und Ableitungen, die auf deren Informationen basieren. Torqeedo gibt den Wirkungsgrad für den Motor und den Regler mit 92 % an. Es sei nochmals darauf hingewiesen, dass es bereits Systeme wie die von Molabo gibt, die mit einem Systemwirkungsgrad von 95 % arbeiten (Motor: 97 %, Regler: 98 %).

Notwendige Batteriekapazität für eineen 45 nm Tag: 56 kWh bei Eco-Speed, 65 kWh bei Top-Speed

Die obige Tabelle zeigt ebenfalls den Prozentsatz der Energie, die an der Propellerwelle ankommt.

Torqeedo's Effizienz: 89% der Batteriekapazität kommen an der Propellerwelle an

Gewichtsvergleich der Antriebssysteme

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

Wie die Tabelle zeigt, ist das Gewicht des Elektroantriebs mehr als dreimal so hoch. Das liegt an der Batterie und dem vergleichsweise schweren Torqeedo Außenbordmotor.

Für den Verbrennungsaußenbordmotor wurde ein durchschnittliches Gewicht angesetzt, mit zusätzlichen 10 kg für Steuerung und Verkabelung. Der volle Kraftstofftank mit 80 Litern Benzin hat ein Gewicht von etwa 75 kg (80 * 0,75 kg/l Benzin + 15 kg Tank). Das Gewicht des Elektromotors, einschließlich Elektronik und Verkabelung, wird direkt von Torqeedo angegeben, und die hypothetische Batterie von 7,5 kg pro kWh wird aus den angegebenen Daten abgeleitet und mit der erforderlichen Energiekapazität multipliziert.

Gewicht der elektrischen Antriebssysteme: aufgrund des Gewichts der Batterien deutlich schwerer als Verbrennungsmotoren.

Torqeedo bietet 38 kWh-Batterien für seine Deep Blue Außenbordmotoren an. Mit zwei Batterien wird die Energiekapazität abgedeckt, aber das Gewicht erhöht sich um weitere 82 kg. Wenn nur eine 38-kWh-Batterie mit einem Gewicht von 284 kg verwendet wird, verringert sich die Reichweite im Eco-Speed-Modus auf 32 nm und im Top-Speed-Modus auf 27 nm.

Elektrische Antriebssysteme sind noch nicht in der Lage, alle Anwendungsfälle effektiv abzudecken.

Fazit und Ausblick

Nach der Analyse verschiedener Aspekte von Verbrennungs- und Elektro-Außenbordmotoren in der Leistungsklasse 45 kW / 60 PS ergeben sich folgende Erkenntnisse:

1. Elektromotoren haben einen höheren Wirkungsgrad, was bedeutet, dass weniger Energie verschwendet wird und der Energiebedarf für die gleiche Leistung drastisch reduziert wird.
2. Das Gewicht der Batterien für eine Reichweite von 45 nm ist mit mehr als dem Dreifachen des Gewichts relativ hoch. Das bedeutet, dass elektrische Antriebe noch nicht alle Anwendungsfälle sinnvoll abdecken können.
3. Der gemessene Geräuschpegel von 85 dB in Eco-Speed wird bereits als laut empfunden, und die 95 dB sind schon nach kurzer Zeit in einem schädlichen Bereich.
4. Aspekte wie Kosten, Vibrationen, Geruchsentwicklung und Umweltfaktoren wurden in diesem Artikel nicht behandelt, sind aber ebenfalls wichtige Faktoren bei der Entscheidungsfindung.

Hier gelten die gleichen Ansätze zur Gewichtsreduzierung bei Elektroantrieben wie im Artikel „Reichweite und Energiekapazität: 30 kW / 40 PS Leistungsklasse“:

• Auf der technischen Seite verbessert sich die Energiedichte der Batterien, wodurch das Gewicht der Batterien mit der Zeit sinkt. Außerdem können Antriebssysteme mit höherem Systemwirkungsgrad eingesetzt werden, was die Reichweite pro kWh erhöht.
• Speziell für Elektroantriebe konzipierte Boote haben aufgrund der unterschiedlichen Anforderungen, die Elektroantriebe an den Rumpf stellen, einen höheren Gesamtwirkungsgrad. Da besser geeignete Rümpfe die Effizienz erhöhen, wirkt sich dies positiv auf die Reichweite pro kWh aus. Eine weitere Möglichkeit auf der Bootsseite besteht darin, das Gewicht des Bootes zu reduzieren, was ebenfalls die Effizienz erhöht und den Energiebedarf pro Seemeile verringert.
• Der Propeller hat einen erheblichen Einfluss auf den Gesamtwirkungsgrad. Mit einem Wirkungsgrad von 40 bis 50 % bei Auslegungsdrehzahl vernichtet er mehr als die Hälfte der an der Propellerwelle ankommenden Energie. Durch den Einsatz neuer Technologien wie Hydro Impulse mit einem Wirkungsgrad von 80 % über den gesamten Drehzahlbereich wird dieser Bereich deutlich erweitert. Eine spezielle Betrachtung von Hydro Impulse wird in weiteren Artikeln folgen.

Nur noch eins ...

Das Tanken und Aufladen in diesem Bereich erfolgt nach den gleichen Grundsätzen wie bisher. Das Tanken findet in der Regel am Ende des Tages statt. Je nach Betrieb an der Tankstelle kann dies einige Zeit in Anspruch nehmen. Bei Elektroantrieben in dieser Leistungsklasse erfolgt dies noch mit einem zusätzlichen manuellen Schritt beim An- und Ablegen.