Elektromotoren auf Yachten: Antrieb, Leistung, Reichweite, Installation und Umrüstung

Die E-Mobilität auf Yachten liegt im Trend

Die Entwicklung alternativer Antriebe für Boote und Yachten geht seit Jahren zügig voran. So ist auch das Thema Elektromotor auf dem Wasser nicht mehr wegzudenken und gerade unter dem Aspekt Umweltschutz aktueller denn je.

Während es jahrzehntelang zum klassischen Bootsdiesel kaum eine Alternative gab, werden heutzutage mehr und mehr Boote mit elektrischen Antrieben ausgerüstet. Kein Wunder: Elektroantriebe sind wesentlich leiser als Verbrennungsmotoren. Sie haben kein Getriebe und sind daher praktisch lautlos und verschleißarm. Zusätzlich schonen sie die Wasserqualität im jeweiligen Segelrevier.

Und nicht zuletzt ist im Vergleich zum Dieselmotor der Wartungsaufwand beim Elektromotor sehr gering. Dieselgeruch, Dieselpfützen oder Motoröl in der Motorbilge gibt es logischerweise nicht.

Die Ansprüche an Elektromotoren auf Yachten sind hoch

Wer sich unter Seglern umhört, findet schnell heraus, was ihnen wichtig ist – gleichwohl die Ansprüche an ein elektrisches Antriebssystem auch sehr unterschiedlich sind. Häufig genannt werden die folgenden Anforderungen an das System:

• Leise Fortbewegung
• Gute Manövrierfähigkeit
• Energierückgewinnung beim Segeln (Rekuperation)
• Kurze Batterie-Ladezeiten
• Hohe Reichweite
• Einfache Installation (Plug-and-Play)
• Seltene und/oder unkomplizierte Wartung
• Langlebigkeit
• Keine Emissionen
• Hohe Sicherheit

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Die richtige Leistung des Elektromotors einer Yacht

Bei der richtigen Wahl des Elektroantriebs für eine Yacht spielt allen voran die Leistung eine wichtige Rolle. Wird die Leistung der Anlage zu gering ausgelegt, ist die Yacht untermotorisiert und kommt beispielsweise nur schlecht gegen Wind und Welle voran, wenn das Wetter einmal nicht mitspielt. Außerdem lässt sich die Yacht nur unzureichend manövrieren, wenn der E-Antrieb zu wenig Leistung hat.

Wenn die Leistung hingegen stimmt, lässt sich eine Yacht mit E-Antrieb sogar deutlich besser als eine Yacht mit Schiffsdiesel manövrieren, da das volle Drehmoment bereits ab der ersten Umdrehung der Antriebswelle zur Verfügung steht. Das ist insbesondere bei Hafenmanövern von Vorteil. Damit das alles so funktioniert, sollten die folgenden Aspekte bei der Leistungsermittlung bedacht werden.

Allen voran spielen die Rumpfform, die Länge und das Gesamtgewicht der Yacht, beziehungsweise ihre Verdrängung eine – im wahrsten Sinne des Wortes – „gewichtige“ Rolle. Je schwerer die Yacht ist, desto mehr Leistung wird logischerweise benötigt. Wenn das Schiff womöglich sogar ins Gleiten kommen soll, ist die Leistung noch höher zu wählen.

Aber auch das Fahrtgebiet ist von Bedeutung. Für einen Törn auf der Nordsee oder im englischen Kanal mit starken Strömungen und mitunter diffusem Seegang muss für den Elektromotor eine deutlich höhere Leistung gewählt werden als auf einem Törn über die Müritz.

Diesbezüglich ist folgende Faustregel hilfreich: Für Fahrten auf Gewässern ohne Strömung ist für den Elektromotor als Leistung ein Kilowatt pro Tonne Verdrängung ausreichend. Das reicht auch dann, wenn der Elektroantrieb nur als Hilfsmotor fungieren soll oder wenn er nur benötigt wird, um mal eben aus dem Hafen zu fahren.

Für das Fahren auf Strömungsgewässern und auf offener See sollten mindestens 2,5 Kilowatt pro Tonne Verdrängung installiert werden. Dabei ist die mechanische Leistung an der Welle entscheidend.

Dazu ein Beispiel: Für eine Segelyacht mit einer Verdrängung von vier Tonnen bei einer Rumpflänge von etwa elf Metern käme für die Nutzung auf See ein zehn Kilowatt starkes Antriebssystem in Frage. In strömungsfreien Binnengewässern würde dieselbe Konfiguration sogar bis zu einer Verdrängung von etwa zehn Tonnen und einer Länge von rund 14 Metern funktionieren.

Auf einem Katamaran hingegen reichen zwei Antriebe mit je zehn Kilowatt bis zu einer Verdrängung von acht Tonnen und einer Länge von etwa 14 Metern für den Betrieb auf hoher See aus.

Ein klassisches 48-Volt-Antriebssystem kann in der Regel in Yachten mit einer Verdrängung von bis zu 40 Tonnen eingebaut werden (2 x 20 Kilowatt). Für Yachten mit einer höheren Verdrängung werden entsprechende Hochvoltsysteme im Bereich von 360 bis 420 Volt angeboten.

E-Motoren sind gerade bei niedrigeren Drehzahlen sehr effizient und leistungsfähig. Für eine Verdoppelung der Geschwindigkeit wird in etwa die achtfache Leistung benötigt. Nahe der theoretischen Rumpfgeschwindigkeit führt eine weitere Erhöhung der Leistung – egal in welchem Umfang – nicht mehr zu einer Erhöhung der Bootsgeschwindigkeit.

Wer mit dem System längere Zeit gegenan motoren will, muss die dafür erforderliche Energie auch zur Verfügung stellen.

Ein weiterer Aspekt ist der Einsatzzweck des Elektromotors. Ist es der Hauptantrieb der Yacht oder wird er nur als Nebenantrieb für die Hauptmaschine eingesetzt? Auch das spielt bei der Leistungsermittlung eine Rolle.

Den passenden Propeller zum E-Antrieb auf Yachten finden

Der Propeller ist eine Schlüsselkomponente des gesamten elektrischen Antriebssystems! Die richtige Propellerwahl ist entscheidend für die Manövrierbarkeit und die Maximalgeschwindigkeit der Yacht. Wenn alle nötigen Boots- und Antriebsdaten bekannt sind, sollte ein Fachmann daraus problemlos den optimalen Propeller für die Yacht berechnen können. Ausschlaggebend sind dabei die Rumpfform und die Verdrängung der Yacht.

Antriebsmotoren mit 1.200 Umdrehungen pro Minute eignen sich für kleine Propeller. Bei Elektromotoren mit 600 Umdrehungen pro Minute können große Propeller eingesetzt werden. Generell haben große Propeller bei den genannten niedrigen Drehzahlen einen höheren Wirkungsgrad, also eine bessere Effizienz. Eine höhere Effizienz bedeutet einen niedrigeren Energieverbrauch beziehungsweise eine höhere Reichweite bei gleicher Batteriekapazität.

Bitte bedenken: Der Propeller kann zur “Achillesferse” des Antriebssystems werden, wenn bei der Berechnung Fehler gemacht werden. Bei der Auswahl des Propellers gilt es daher unbedingt, Fehler zu vermeiden, die den Antrieb ausbremsen könnten.

Gewicht und Platzbedarf bei der Installation eines Elektromotors

Wer sich durch den Einbau eines E-Antriebs erhofft, Gewicht zu sparen, wird enttäuscht, da die Gewichtseinsparung aufgrund des leichten Elektromotors in der Regel durch das Gewicht der erforderlichen Batterien wieder wettgemacht wird. Dank der Flexibilität beim Einbau eines Elektroantriebs ist jedoch eine viel bessere Gewichtsverteilung und eine individuellere Aufteilung des Bauraums möglich.

Beim konventionellen Antriebssystem hingegen sind Dieselmotor, Getriebe und Schiffsschraube über die Antriebswelle fest miteinander gekoppelt, was mehr Platz erfordert. Der Einbauort kann nicht frei gewählt werden.

Der Elektromotor ist zudem kleiner und leichter als ein herkömmlicher Verbrennungsmotor. Über Kabel wird der E-Motor mit Energie versorgt, die in einer Batteriebank gespeichert beziehungsweise zwischengespeichert wird. Der Einbauort der Akkus ist dabei unerheblich. Folglich gilt das System als platzsparender und flexibler.

Der Energiespeicher an Bord einer Yacht mit Elektroantrieb

In der Regel wird die Energie in leistungsstarken 48-Volt/Hochvolt-Batteriebänken gespeichert. Die gängigsten Batterien, die zum Einsatz kommen, sind AGM- oder Lithium-Eisen-Phosphat-Akkus (LiFePO4). Läuft der Elektromotor, wird den Akkus in Abhängigkeit von der Leistung Energie entnommen.

Lithium-Akkus haben den Vorteil, dass sie im Vergleich zu Akkus auf Bleibasis sehr langlebig sind und deutlich schneller wieder aufgeladen werden können. Sie verfügen zudem über mehr nutzbare Kapazität und sind leichter. Hinsichtlich ihrer Sicherheit gilt: Bei allen hochwertigen Lithium-Akkus wird die Sicherheit heutzutage durch ein Batteriemanagement-System (BMS) gewährleistet. Das alles hat im Umkehrschluss seinen Preis: Für Lithium-Akkus muss man tiefer in die Tasche greifen.

Bis etwa 20 Kilowatt werden die Systeme mit einer Gleichstrom-Spannung von 48 Volt betrieben. Bei höheren Leistungen bis 100 Kilowatt wird eine Gleichstrom-Spannung von 360 bis 420 Volt genutzt. Dahinter steckt, dass hohe Entladeströme die Lebensdauer der Akkus negativ beeinflussen. Durch eine Erhöhung der Spannung wird dieser Effekt ausgehebelt.

Je nach System kann während des Segelns die verbrauchte Energie wieder aufgefüllt werden, sofern die Yacht mit einem feststehenden Propeller ausgerüstet wurde. Segelt die Yacht mit einer bestimmten Mindestgeschwindigkeit, dreht sich der Propeller mit und erzeugt Strom. Die Akkus können dabei mit etwa zehn Prozent der tatsächlichen Leistung des Elektromotors geladen werden.

Weitere Methoden der Energiegewinnung für das Wiederaufladen der Akkus für den E-Antrieb bieten Generatoren, Solarmodule, Hydro- oder Windgeneratoren.

Die Komponenten des Elektroantriebs für Yachten

Die Bedienung des Elektroantriebs ist vergleichsweise einfach. Der Motor wird per Knopfdruck gestartet. Mit einer stufenlosen Leistungssteuerung lässt sich die Bootsgeschwindigkeit regulieren. Zwischen Vorwärts- und Rückwärtsfahren kann unkompliziert ohne Schalten gewechselt werden.

Darüber hinaus besteht ein moderner E-Antrieb an Bord einer Yacht logischerweise aus dem elektrischen Antriebsmotor, den es wahlweise als Schaft-, Pod- oder Parallel-Antrieb gibt. Dazu gehören ein Motorcontroller, eine Absicherung und eine Spannungsversorgung sowie die Batteriebank.

Je nach Anzahl der Antriebsmotoren besteht der Fahrhebel aus einem oder zwei Hebeln. Beim Katamaran mit zwei E-Antrieben wären es beispielsweise zwei Hebel. Dazu sollte immer eine Bedieneinheit inklusive Display gehören. Über sie findet die Überwachung, Einstellung und Steuerung aller Funktionen statt.

Optional sind ein Akkuladegerät für Landstromanschluss und gegebenenfalls ein Generator sinnvoll.

Motortypen und Installationsvarianten für E-Mobilität auf Yachten

Damit Elektromotoren leistungsstark sind, müssen sie bestimmte Merkmale aufweisen. So wird beispielsweise bei Elektromotoren, die mit der Permanentmagnet-Technologie arbeiten, ein sehr hoher Wirkungsgrad von bis zu 96 Prozent erreicht.

Bürstenlose Motoren sind heute Stand der Technik. Hat der E-Motor dann noch ein integriertes Drucklager und kommt ohne Sensoren aus, vereinfacht das die Installation und erhöht die Betriebssicherheit (geringerer Wartungsaufwand). Das im gesamten Drehzahlbereich konstante, maximale Drehmoment macht das Manövrieren im Hafen zum Kinderspiel.

Der Schaft-Motor

Schaftmotoren werden an einer vorhandenen Propellerwelle installiert. Quasi genauso, wie der typische Einbaudiesel mit Welle. Sie verfügen idealerweise über ein doppelwandiges, wassergekühltes Aluminium-Gehäuse mit integriertem Drucklager. Der Motor treibt die Welle an, an der der Propeller befestigt ist. Durch den Direktantrieb, der kein Getriebe erfordert, werden Geräusche und Vibration minimiert. Schaftmotoren können auch parallel zum Hauptmotor als Hilfsmotoren montiert werden.

Der Dual-Motor

Denkbar ist auch eine Kombination aus zwei Elektromotoren, die direkt ohne Getriebe mit der Antriebswelle und dem Propeller verbunden sind. Jeder der Antriebsmotoren wird mit zwei separaten elektrischen Wicklungen ausgeführt und verfügt über eine eigene Steuerung und einen eigenen Fahrhebel. Die Motoren sind über einen Antriebsriemen miteinander verbunden. Diese Ausführung bietet eine hohe Redundanz und Flexibilität. Je nach Leistungsbedarf kann ein Elektromotor zu- oder abgeschaltet werden.

Um die Redundanz innerhalb des Systems noch weiter zu erhöhen, können die Motoren je nach Bedarf von separaten Batteriebänken angetrieben werden. Mittels Wärmetauscher können die Motoren auch mit Seewasser gekühlt werden.

Der Pod-Motor

Beim Pod-Antrieb befindet sich der Motor in einem kompakten, wasserdichten Gehäuse unter dem Schiffsrumpf. Solche Pod-Motoren können wahlweise auch drehbar installiert werden. Optional sind sie zudem auch mit einem Ruder- und/oder Propellerschutz erhältlich.

Bei Pod-Motoren ist es ratsam, dass sie aus Edelstahl gefertigt werden und eine dreistufige Abdichtung haben. Das bietet ein Höchstmaß an Sicherheit und einen minimalen Wartungsaufwand (gilt für Motoren bis zu 100 Kilowatt). Der Vorteil bei dieser Ausführung ist, dass die Unterwassermotoren keine zusätzliche Kühlung erfordern. Sie können an ein vorhandenes Ruder oder Steuersystem angebaut werden. Ein seriöser Hersteller bietet diesbezüglich Motor-Halterungen für unterschiedliche Rumpfformen gleich mit an.

Alternativ eignet sich auch ein Pod-Antrieb für die Erstausrüstung von Yachten mit Saildrive-Motorfundament. Oder es kann eine existierende Dieselmotor-Saildrive-Kombination durch einen Elektromotor ersetzt werden, was neue Möglichkeiten für die Innenraumplanung bietet.

Der Pod-Antrieb benötigt nur wenig Platz im Schiffsinneren, da sich der eigentliche Motor komplett außerhalb der Yacht im Wasser befindet. Nur die Batteriebank und die Motorsteuerung werden im Rumpf eingebaut. Die elektrischen Verbindungen zur Motor-Wicklung führen durch das Mittelrohr des Antriebs nach außen. Je nach Leistung kann das Gewicht des Motors zwischen 15 und 120 Kilogramm betragen (48-Volt-System).

Saildrive

Im Vergleich zum Pod-Antrieb, wo sich der komplette Elektromotor unter Wasser befindet, reichen beim Saildrive die Komponenten des Motors in die Yacht hinein. Meistens handelt es sich um einen feststehenden Motor. Gesteuert wird die Yacht weiterhin mittels der Ruderanlage. Der Sockel des E-Motors befindet sich direkt am Bootsrumpf.

Aber Achtung: Ein Saildrive erfordert einen vergleichsweise hohen Wartungsaufwand, bei dem die Yacht möglicherweise aus dem Wasser geholt werden muss. Generell ist ein Saildrive aufgrund seines Getriebes nicht so geräuscharm wie ein Wellenmotor ohne Getriebe.

Paralleler Hybrid-Antrieb

Beim parallelen Hybrid-Antrieb wird der Elektromotor mit seiner elektromagnetischen Kupplung parallel zur bereits existierenden Antriebswelle des Dieselmotors geschaltet. Dazu sind keine Veränderungen am Antriebsstrang notwendig. Mehr noch: Parallel-Hybrid-Motoren sind leicht zu installieren, kostengünstig und sehr leise.

Bei diesem System wirkt der Elektromotor beim Fahren unter Dieselmotor oder beim Segeln als Generator (Energierückgewinnung) und bei abgeschaltetem Dieselmotor kann das Boot alternativ mit dem Elektromotor gefahren werden.

Wichtig: Da die Leistungen von Dieselmotor und Elektromotor in der Regel sehr unterschiedlich sind, muss die Untersetzung jeweils passend berechnet werden.

Der Hybrid-Antrieb mit Parallelschaltung ist ideal für Fahrten und Manöver vor allem bei niedrigen Geschwindigkeiten. Je nach Ausführung kann das Gewicht des Parallel-Hybrid-Antriebs etwa 70 bis 100 Kilogramm betragen.

Die Reichweite von Elektromotoren

Eine Frage, die jeden Skipper interessiert, ist: Wie lange oder wie weit kann ich mit meinen Akkus elektrisch fahren? Klar, wer längere Strecken zurücklegen möchte, benötigt logischerweise mehr Energie und folglich auch mehr Batteriekapazität, um diese zu speichern.

Um den maximalen Verbrauch zu ermitteln, wird die Leistung des Motors mit der Fahrtzeit multipliziert. Möchte ich beispielsweise sechs Stunden motoren, benötige ich bei einem Elektromotor mit einer Leistung von 10 Kilowatt entsprechend 60 Kilowattstunden (kWh) Energie. Bei 48 Volt entspricht dies 1.250 Amperestunden (Ah). In Abhängigkeit vom Batterietyp ergibt sich daraus dann die erforderliche Kapazität der Akkus.

Im Rahmen der Betrachtungen zur Reichweite müssen auch die Möglichkeiten der Wiederaufladung in Betracht gezogen werden. Neben der Kapazität der Batteriebank spielen sowohl die Ladeleistung des Ladegeräts als auch die Leistung, die aus dem Landanschluss entnommen werden darf, eine Rolle. Auf See oder am Ankerplatz gilt das entsprechend für die Leistung eines gegebenenfalls vorhandenen Generators.

Die Integration eines Generators in das elektrische Antriebssystem ist insbesondere auf längeren Törns sinnvoll, wenn kein Landstromanschluss zur Verfügung steht. Liegt dabei der Fokus darauf, vorwiegend 230-Volt-Geräte an Bord zu versorgen, ist im Allgemeinen ein Wechselstrom-Generator (AC-Generator) die richtige Lösung. Wenn der Fokus allerdings primär auf dem Fahren liegt, empfiehlt sich ein Gleichstrom-Batterielade-Generator (DC-Generator).

Bei langsamer Bootsgeschwindigkeit kann der überschüssige Strom für die Elektrogeräte an Bord verwendet werden. Wird kein Strom für die anderen Verbraucher an Bord benötigt, steht der Generator ausschließlich für das Laden der Batteriebank zur Verfügung, was die Reichweite entsprechend erhöht. Umgangssprachlich nennt man den Generator dann auch Range Extender.

Wichtig: Der Betrieb des Elektromotors nur mit dem Generator – also ohne Batteriebank – ist nicht ratsam, da die Batteriebank als Puffer nötig ist, um Lastspitzen vom Generator fernzuhalten. Als mechanisches System kann ein Generator nicht schnell genug reagieren, wenn der Vorwärtsschub plötzlich deutlich erhöht oder gesenkt wird (Lastspitze oder Lastabfall). Spannungseinbrüche oder Spannungsspitzen im System wären die Folge, was zum automatischen Abschalten des gesamten Systems führen kann.

Über einen zusätzlichen Wechselrichter können die Ladung via Landstrom und Generator kombiniert werden – beispielsweise ermöglicht ein Multifunktionswechselrichter die Batterieladung, die 230-Volt-Bordstromversorgung und Landladung in einem Gerät. Dabei schaltet der Multifunktionswechselrichter automatisch zwischen den Eingangsquellen wie Generator und Landstrom um. Ergänzend kann über einen DC/DC Wandler Energie geliefert werden, die zum Laden der Starterbatterien und zur Bordstromversorgung (Licht, Navigationselektronik uvm.) verwendet werden kann.

Welcher Antrieb ist preiswerter?

Wer einen Kostenvergleich zwischen einem elektrischen oder hybriden Antriebssystem im Vergleich zu einem klassischen Dieselmotor-Antrieb anstrebt, wird schnell feststellen, dass ein direkter Vergleich nicht möglich ist.

Durch den Doppelnutzen des hybriden Antriebssystems (Antrieb und Energierückgewinnung) kann allenthalben nur ein Standard-Dieselantrieb inklusive einer Bordstromversorgung mit Generator mit den Kosten für ein Hybrid-Antriebssystem verglichen werden. Dabei darf jedoch nicht vergessen werden, dass fossile Brennstoffe begrenzt sind. Mittelfristig ist zu erwarten, dass der Kraftstoffpreis steigen wird und eine CO2-Abgabe hinzukommt.

Und nicht zuletzt müsste auch die Installation einer Solaranlage oder die Zufuhr von Windenergie mit in die Betrachtungen einfließen, da diese Energie zum Laden der Batterien und folglich auch für den Elektroantrieb genutzt werden kann.

Inbetriebnahme, Service und Wartung von E-Antrieben auf Yachten

Wie die vorstehenden Zeilen erkennen lassen, sollte sowohl die Planung als auch die Inbetriebnahme von einem Fachmann durchgeführt werden. Eine fehlerhafte Installation oder die Ladung mit einem nicht geeigneten Ladegerät kann zu Überhitzungen der Batteriebank und Störungen im System führen, was unweigerlich ein hohes Sicherheitsrisiko birgt.

Werden die richtigen Systemkomponenten korrekt miteinander kombiniert, sind die Systeme extrem wartungsarm. Viele Lieferanten bieten auch eine Fernüberwachung an.

Bezüglich eines gegebenenfalls vorhandenen Generators an Bord können einfache Wartungsaufgaben wie beispielsweise Ölfilter-, Dieselfilter- Keilriemen- oder Impellerkontrolle beziehungsweise -wechsel mit Hilfe des Handbuchs auch selbst durchgeführt werden.

Fazit

Wer an seinem elektrischen Antriebssystem lange Freude haben möchte, sollte nicht blauäugig einfach ein System „von der Stange” kaufen. Vielmehr ist es wichtig, das Zusammenspiel aus der Bauart der Yacht (Größe, Gewicht, Verdrängung), dem potenziellen Fahrprofil und Fahrtgebiet sowie den Bedürfnissen der Crew zu verstehen und in Einklang zu bringen.

Daraus ergibt sich, welcher elektrische Antrieb der richtige ist, welche Leistung er benötigt und wie groß die Batteriebank sein muss. Darüber hinaus müssen Systembausteine wie das Ladegerät und gegebenenfalls ein Generator betrachtet werden, was insbesondere für Blauwassersegler von Bedeutung ist.

Ich persönlich würde das System immer bei einem Hersteller erwerben wollen, der alle Komponenten aus einer Hand liefert und den gesamten Prozess von der Planung bis zur Installation der Antriebstechnik inklusive des Energiekonzeptes begleitet. Nur unter diesen Voraussetzungen steht dem nahezu lautlosen Fahrspaß auf See nichts mehr im Wege – auf Einrumpf- oder Mehrrumpfyachten, mit einem oder zwei Antrieben und vor allem klimaneutral.