ESSY-Konzept-Antrieb

Aktuelle Situation – Antriebstechnik

Gekennzeichnet durch den fast ausschließlichen Einsatz von Verbrennungsmotoren (meist Diesel), damit verbunden:

Bedingt durch Großserienfertigung relativ niedriger Preis
Ausgereifte Technik, Zuverlässigkeit trotz hoher Komplexität und vieler Nebenaggregate befriedigend
Verwendung mit Motoren mit relativ großer Leistung und damit großem Gewicht, Verbrauch und Kosten, um den ungünstigen Drehmomentverlauf vom Verbrennungsmotoren zu kompensieren
Schlechter Propeller-Wirkungsgrad bedingt durch Auslegung auf Drehmomentverlauf des Verbrennungsmotors
Häufiger Betrieb des Motors im Teillastbereich, damit schlechter Motorwirkungsgrad, höherer Verschleiß und Verbrauch, schlechte Abgaswerte u.a. auch beim Aufladen der Bordbatterien über die Lichtmaschine
Ungünstiges Manövrierverhalten durch träges Drehzahlregelverhalten und langsame Drehrichtungsänderung (mechanische Umschaltung über Getriebe)
Relativ hoher Wartungsaufwand für den Motor (Service, Ölwechsel,..)

ESSY – Konzept für den elektrischen Antrieb

Antriebsleistung:

Die notwendige Antriebsleistung für Antriebssystem mit Elektromotor kann wesentlich kleiner dimensioniert werden als bei Verbrennungsmotoren, bedingt durch:

Wesentlich höheres Drehmoment und damit höherer Leistung des Elektromotors auch bei kleinen Drehzahlen im Verhältnis zur maximalen Leistung des Motors
Verwendung von Antriebspropellern mit höherem Wirkungsgrad (z.B. durch größeren Durchmesser)
Große kurzeitige Überlastbarkeit des Elektromotors, also hohe Spitzenleistung

In der Tabelle auf der folgenden Seite sind Beispiele für notwendige Antriebsleistungen zur Erreichung von verschiedenen Geschwindigkeiten für verschiedene Bootstypen angegeben. Basis für die Berechnung der Leistungen sind die Untersuchungen der Firma Fischerpanda zu dieser Thematik. Zu sehen ist z.B., dass selbst eine 18 Tonnen-Yacht (Hanse 545) mit nur 10 kW Antriebsleistung immerhin noch 6,5 kn schnell ist.

Die allgemeinen Vorteile von elektrischen Antriebssystem, wie stark verbesserte Manövriereigenschaften, bessere Beschleunigung, größere Laufruhe, bessere Ruderwirkung auch bei langsamer Fahrt, flexiblere Möglichkeiten der Raumaufteilung, wesentlich verringerter Kraftstoffverbrauch usw. sind sicher hinlänglich bekannt.

Beispiele für die notwendige Antriebsleistungen für verschiedene Schiffs- Typen und Geschwindigkeiten:

Antriebsvarianten:

Als Elektromotor sollte entweder ein robuster und kostengünstiger Asynchronmotor oder ein permanent erregter Synchronmotor eingesetzt werden.

Neben den üblichen Antriebsvarianten, wie Wellenantrieb, Z-Antrieb, Saildrive-Antriebe (auch drehbar) sind mit Elektromotoren (nur mit Elektromotoren) auch Pod-Antriebe möglich. Diese zeichnen sich dadurch aus, dass diese, inklusive dem Elektromotor, unterhalb des Schiffsrumpfes in einer Art Gondel angebracht sind.

Pod-Antriebe haben folgende Vorteile :

Direkte Verbindung Motor – Antriebsschraube, ohne Getriebe
Kühlung durch das umgebende Wasser, dadurch sehr kompakte Bauweise möglich
Drehbare Ausführung mit relativ wenig Aufwand möglich, dadurch extrem gute Manövrierfähigkeit
Einfache Realisierbarkeit der doppelten Anordnung zweier Pod-Antriebe nebeneinander, wie oft bei Motorbooten, damit Verdoppelung der Antriebsleistung und wesentliche Verbesserung der Manövrierfähigkeit sowie Schaffung von Redundanz.
Evtl. ist auch ein Pod-Antrieb mit kleinerer Leistung im Bugbereich einsetzbar, was ein Bugstrahlruder unnötig machen würde und als Notantrieb bei Ausfall des Hauptantriebes einsetzbar ist

ESSY – Konzept – Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen

Verbrauch und Umwelt:

Die großen Unterschiede im Verbrauch zwischen dem konventionellen Antrieb und dem Elektrischen Antrieb ergeben sich aus den folgenden Merkmalen:

Das zu Verfügung stehende Drehmoment des E-Motors ist über den gesamten Drehzahlbereich (auch im unteren Drehzahlbereich) annähernd konstant, die Leistung des Motors steigt also linear mit der Drehzahl. Dadurch ist es möglich den Propeller entsprechend optimiert auszulegen (u.a. größerer Durchmesser), wodurch dieser letztlich einen wesentlich höheren Wirkungsgrad hat.
Das Drehmoment eines Verbrennungsmotors (Diesel wie auch Benzin) sinkt unterhalb von ca. 40% der Nenndrehzahl rapide ab. Dadurch wird meist ein größerer Motor, als für das Erreichen der Rumpfgeschwindigkeit eigentlich notwendig wäre, gewählt, um auch bei langsamer Fahrt, also bei keiner Drehzahl, noch genügend Drehmoment und damit Manövrierfähigkeit zu haben.
Bedingt durch diesen eigentlich zu großen Motor wird dieser meist (unterhalb von 90% der Rumpfgeschwindigkeit, aber auch beim Aufladen der Batterien bzw. der Bordstromversorgung) im ineffizienten Teillastbereich betrieben. Damit verbunden sind ein wesentlich schlechterer Wirkungsgrad des Motors (statt der möglichen 35% eben nur 15% oder weniger), wesentlich schlechtere Abgaswerte, höherer Verschleiß, verkürzter Lebensdauer usw.
Der spezifische Kraftstoffverbrauch ist dadurch z.B. bei ca. 60% der Rumpfgeschwindigkeit beim konventionellen Antrieb etwa 3 mal höher, als bei einem elektrischen Antrieb. Noch schlechter ist die Situation beim Betrieb des konventionellen Antriebs zur Versorgung des Bordnetzes bzw. beim Laden der Batterie über dessen Lichtmaschine.
Auf der folgenden Seite sind diese prinzipiellen Zusammenhänge in einem Diagramm dargestellt.

Erläuterungen zum Diagramm:

Die Differenz zwischen der Kurve der notwendigen Antriebsleistung und der jeweiligen Kurve der verfügbaren Leistung des Motors steht zur Beschleunigung zur Verfügung. Im Diagramm erkennt man deutlich, wie wenig Leistung zur Beschleunigung beim Dieselmotor im unteren Drehzahlbereich zur Verfügung steht. Da der Motor aber mit der Propellerwelle starr verbunden ist, muss er immer beim Beschleunigen aus dem Leerlauf diesen Drehzahlbereich durchfahren, was das Manövrieren besonders bei häufigen Änderungen der Drehrichtung, besonders träge macht. Deshalb wird meist ein bezüglich der Erreichung der Rumpfgeschwindigkeit zu großer Verbrennungsmotor eingesetzt.
Wesentlich anders ist die Situation beim E-Motor. Durch das über den gesamten Drehzahlbereich vorhandene gleichgroße Drehmoment kann sogar aus dem Stillstand stark beschleunigt werden, dazu kommt noch, dass auch der Drehrichtungswechsel vergleichsweise rasend schnell erfolgen (kein mechanisches Getriebe) kann, was das Manövrieren, besonders mit kleinen Geschwindigkeit im Hafen, sehr vereinfacht. Da der sich Wirkungsgrad des E-Motor mit sinkender Drehzahl nur minimal verschlechtert, ist dieser besonders bei kleiner Fahrt wesentlich besser als konventionellen Dieselmotorantrieb.
Letztlich wird durch den Umweg vom Verbrennungsmotor über Generator, Batterie und E-Motor ein „stufenloses Getriebe“ realisiert, was die Nachteile des Verbrennungsmotors bezüglich des Drehmomentverlaufs kompensiert. Zwar reduziert dieser Umweg den Gesamtwirkungsgrad des Systems, aber am Ende der Kette beträgt dieser unter allen Lastverhältnissen immer noch bis ca. 24% (35%x0,92×0,95×0,9×0,95×0,9=24%). Ein im starken Teillastbereich betriebener Dieselmotor hat da einen wesentlich schlechteren Wirkungsgrad und dabei noch die wesentlich schlechteren Abgaswerte.
In Kraftfahrzeugen versucht man ebenfalls dieses „stufenlose Getriebe“ zu realisieren. Allerdings geschieht dies nicht völlig stufenlos, was zu aufwendig ist, sondern durch eine möglichst großen Anzahl von Stufen durch das Schaltgetriebe (auch Automatikgetriebe mittlerweile bis 7 stufig). Auf der Segelyacht kann dieses „stufenlose Getriebe“ gleichzeitig als Basis für das leistungsfähige elektrische 230V AC Bordnetz genutzt werden, was den Komfort an Bord stark verbessert.
Aus all diesen Fakten ergibt sich schlussendlich die wesentlich bessere Umweltbilanz des ESSY- Konzepts, ein um den Faktor 2 bis 4 geringerer Kraftstoffverbrauch und ein wesentlich geringerer Schadstoffausstoß (bis Faktor 50 besser), da der zur Erzeugung des elektrischen Stromes verwendete Dieselmotor immer im optimalen Betriebspunkt betrieben werden kann.
Auf der folgenden Seite sind die Verhältnisse zwischen Antriebsleistung (hellblauer Balken) und Verlusten (alle anderen Farben) bei verschiedenen Belastungen bei konventionellen Antrieb und einen Antrieb entsprechend dem ESSY- Konzept dargestellt. Deutlich ist zu erkennen, das beim elektrischen Antrieb der Wirkungsgrad bei den verschiedenen Lastverhältnissen relativ konstant auf hohem Niveau bleibt, während dieser beim konventionellen Antrieb im Teillastbetrieb stark nach unten geht.

Im praktischen Betrieb auf einer Segelyacht wird der Antriebsmotor in erster Linie zum Manövrieren im Hafen / in der Marina sowie zur Ein- und Ausfahrt in diesen / diese genutzt. Außerdem ist die Versorgung des Bordnetzes ein häufiger Betriebfall. Auf der vorhergehenden Seite sind diese Betriebsfälle dargestellt.

12,5% der Nennleistung des Motors beim konventionellen Antrieb reichen aus, um etwa 70% der Rumpfgeschwindigkeit zu erreichen, damit sicher ein häufiger Betriebspunkt.

Weniger als 10% der Nennleistung reichen aus, um mit einer Hochleistungslichtmaschine etwas 1,5 kW elektrische Leistung für das Bordnetz zu erzeugen, damit auch ein typischer Betriebspunkt.

Gerade in diesen Betriebspunkten ist aber der Wirkungsgrad des Gesamtsystems beim konventionellen Antrieb katastrophal schlecht (3% bzw. 6,5%).

Beim elektrischen Antrieb ist die Situation wesentlich besser, die Wirkungsgrade betragen mit diesem System vergleichsweise 9,5% bzw. 27%.

Diese Situation hat zur Folge, dass der Stromgenerator beim elektrischen Antrieb zur Versorgung des Bordnetzes z.B. nur ein Drittel der Laufzeit benötigt, um die gleiche Energiemenge zu erzeugen. Der damit verbunden Komfortgewinn (weniger Geräuschbelastung, weniger Abgase usw.) ist ebenfalls erheblich.

Größere Antriebsleistungen werden auf Segelyachten in erster Linie nur beim Manövrieren benötigt, wenn man schnell die Fahrtrichtung ändern muss oder von Fahrt voraus auf Fahrt zurück wechselt. Gerade hierfür zeigt sich der E-Motor, mit seiner hohen kurzzeitigen Überlastbarkeit (z.B. Faktor 1,5 für 1 min), als besonders geeignet, ganz im Gegenteil zum Verbrennungsmotor. Auch ist z.B. die Ausfahrt aus einer Marina ohne störenden Motorlärm (kürzere Strecken im reinen Batteriebetrieb sind kein Problem) einer Segelyacht viel angemessener.

Im praktischen Betrieb auf einer Segelyacht wird der Antriebsmotor in erster Linie zum Manövrieren im Hafen / in der Marina sowie zur Ein- und Ausfahrt in diesen / diese genutzt. Außerdem ist die Versorgung des Bordnetzes ein häufiger Betriebfall. Auf der vorhergehenden Seite sind diese Betriebsfälle dargestellt.

12,5% der Nennleistung des Motors beim konventionellen Antrieb reichen aus, um etwa 70% der Rumpfgeschwindigkeit zu erreichen, damit sicher ein häufiger Betriebspunkt.

Weniger als 10% der Nennleistung reichen aus, um mit einer Hochleistungslichtmaschine etwas 1,5 kW elektrische Leistung für das Bordnetz zu erzeugen, damit auch ein typischer Betriebspunkt.

Gerade in diesen Betriebspunkten ist aber der Wirkungsgrad des Gesamtsystems beim konventionellen Antrieb katastrophal schlecht (3% bzw. 6,5%).

Beim elektrischen Antrieb ist die Situation wesentlich besser, die Wirkungsgrade betragen mit diesem System vergleichsweise 9,5% bzw. 27%.

Diese Situation hat zur Folge, dass der Stromgenerator beim elektrischen Antrieb zur Versorgung des Bordnetzes z.B. nur ein Drittel der Laufzeit benötigt, um die gleiche Energiemenge zu erzeugen. Der damit verbunden Komfortgewinn (weniger Geräuschbelastung, weniger Abgase usw.) ist ebenfalls erheblich.

Größere Antriebsleistungen werden auf Segelyachten in erster Linie nur beim Manövrieren benötigt, wenn man schnell die Fahrtrichtung ändern muss oder von Fahrt voraus auf Fahrt zurück wechselt. Gerade hierfür zeigt sich der E-Motor, mit seiner hohen kurzzeitigen Überlastbarkeit (z.B. Faktor 1,5 für 1 min), als besonders geeignet, ganz im Gegenteil zum Verbrennungsmotor. Auch ist z.B. die Ausfahrt aus einer Marina ohne störenden Motorlärm (kürzere Strecken im reinen Batteriebetrieb sind kein Problem) einer Segelyacht viel angemessener.