Seit ungefähr einem Jahr arbeite ich nun am E-Antrieb für Morgenstern. Die Entwicklung am PC fing noch viel früher an und die Entscheidung, einen Elektroantrieb fürs Schiff zu entwickeln, hatten wir bereits kurz nach der Übernahme im November 2016 getroffen.
Dass ich bis auf ein paar wenige Detailfotos bisher noch nicht viel vom Antrieb hier gezeigt habe, liegt vor allem daran, dass mein Antrieb ziemlich experimentell ausgelegt ist. Ich hatte bei diesem Konzept von Anfang an Bedenken, dass er enttäuschen könnte und ich möchte nicht, dass sich jemand auf eine Idee stürzt, die vielleicht Murks sein könnte.
Mein Antriebskonzept besteht aus 2 Motoren, welche unabhängig voneinander auf eine Wellenanlage wirken. Dem Konzept liegen konkrete Berechnungen und Überlegungen zugrunde, die es interessant erscheinen lassen. Damit verbunden waren natürlich auch Hoffnungen. Vor allem die Hoffnung, einen redundanten und extrem kompakten Antrieb zu bauen, um noch mehr Platz im Maschinenraum zu gewinnen.
Der Antrieb ist so ausgelegt, dass ein Motor allein die volle Last bei Marschfahrt übernehmen kann. Das bringt Vorteile mit sich, aber auch Nachteile. Vorteil ist unter anderem die Redundanz, Nachteil ist zum Beispiel der etwas schlechtere Wirkungsgrad. Zum einen dadurch, dass zweimal ein Getriebe (Zahnriemen oder Kette) benötigt wird, zum anderen dadurch, weil beim Betrieb beider Motoren, beide nicht ihren optimalen Wirkungsgrad erreichen, da sie jeweils etwas überdimensioniert sind.
Ich hatte also seit einer Weile diverse Bedenken, was den Antrieb angeht, war aber trotzdem noch guter Dinge, dass dieses Projekt am Ende gelingen könnte.
Im letzten Jahr habe ich die beiden Rohmotoren passend zum Konzept umgebaut, danach die Wellenanlage entsprechend vorbereitet, diverse Halterungen angefertigt, verschiedene Bereiche im Schiff umgebaut und in diesem Jahr viel an der Infrastruktur um den Antrieb herum angefertigt und geändert. Neue Instrumente, neuer Kabelbaum, Stromversorgung, Drehzahlsteller, Akku, Ladegeräte usw..
Da steckt insgesamt mehr Arbeit drin, als im Antrieb selbst. Im Prinzip fing die Vorbereitung auf den E-Antrieb sogar noch viel früher an, nämlich mit der Umrüstung auf 32A im 230V System und dem deutlich überdimensionierten Verbraucherakku. Sprich, die gesamte Stromversorgung wurde im Laufe der letzten Jahre erneuert oder überarbeitet, um eine optimale Grundlage für den neuen Antrieb zu schaffen.
Im August diesen Jahres war der Antrieb schließlich für eine erste Testfahrt bereit. Alles hat prinzipiell so funktioniert wie Jahre zuvor ausgedacht und ich war echt erleichtert. Ein paar wenige Kinderkrankheiten gab es, aber die waren schnell behoben. In den Wochen nach der ersten Fahrt habe ich viel optimiert und die Kraftübertragung von Kette auf Zahnriemen geändert. Der Kettenantrieb war einfach zu laut.
Nach der Optimierung wurde schließlich der alte Volvo ausgebaut und der Maschinenraum kernsaniert. Anschließend habe ich die gesamte Elektrik endgültig ins Schiff eingebaut und der Elektroantrieb war einsatzbereit.
Jetzt nur noch den Aktivierungsschlüssel umdrehen und losfahren!
Leise war er, so leise, dass man den Motor bei niedrigen Drehzahlen fast nicht hört.
Als wir damit zum ersten Mal aus dem Hafen gefahren sind, hat das niemand mitbekommen. Das Gefühl, wenn das Schiff so leise wie unter Segeln aus dem Hafen gleitet, war schon ziemlich genial.
Auf dem See kam dann bei den nächsten Tests allerdings etwas Ernüchterung auf, als bei höheren Lasten Vibrationen und Verwindungen im Antrieb auftraten.
Diese Verwindungen waren von Anfang an ein Problem. Sie sind nur minimal, aber sie wirken sich bei meinem Konzept drastisch aus.
Bei der dritten Testfahrt habe ich mich dann noch einmal intensiv mit allen Problemzonen beschäftigt. Anschließend lange überlegt und mit anderen Tüftlern diskutiert. Zum Beispiel mit Raimund, dem seit einer Weile die MAHNENBURG bei uns im Hafen gehört. Raimund ist im Herzen eigentlich ein absoluter Verbrenner Fan. Wenn der Motor nicht nach Benzin duftet und knattert, dann taugt das nix! Aber, er ist auch offen für neue Technologien. Und so diskutieren wir oft über Antriebe und Stromversorgung und hin und wieder wirken sich seine Ideen positiv auf meine Konstruktionen aus.
Für eine der Problemzonen an unserem Antrieb hatte er zum Beispiel die Idee, ein weiteres Lager an einer ganz bestimmten Stelle einzubauen. Mit einem weiteren Lager und diversen neuen Halterungen hätte man einige Probleme effektiv beheben können. Darüber habe ich einige Zeit nachgedacht.
Ich hätte zusammen mit einer neuen Lagerung zwar für jede der Problemzonen eine Lösung, mit der die hohen dynamischen Belastungen in der Kraftübertragung abgefangen werden könnten, aber ich bin mittlerweile davon überzeugt, dass ich selbst beim Umbau aller relevanten Teile im derzeitigen System nie 100%ig zufrieden wäre.
Die Schwingungen und dynamischen Belastungen sind einfach zu groß für mein bisheriges Konzept. Solche dynamischen Belastungen sind im Vorfeld sehr schwer zu berechnen.
Also habe ich vor wenigen Tagen zusammen mit Sabrina eine endgültige Feststellung getroffen, die mir mein Bauchgefühl schon seit Monaten unterschwellig mitgeteilt hat:
Der von mir konstruierte Antrieb ist Murks!
Die Erkenntnis hat mich ein paar Tage ganz schön frustriert. Aber es macht einfach keinen Sinn, an einem Konzept festzuhalten, wenn man am Ende damit nicht das erreichen kann, was man sich als Mindestziel gesetzt hat.
Und mein Mindestziel ist es, einen E-Antrieb zu bauen, der haltbarer und unkomplizierter ist, als aktuelle Verbrennungsantriebe.
Der E-Antrieb bringt diese Möglichkeit mit, nur nützt der beste Elektromotor nichts, wenn die Kraftübertragung auf die Wellenanlage nicht gut funktioniert.
Denn das ist ganz wichtig:
Nicht der Elektromotor in unserem E-Antrieb ist Murks, sondern die Kraftübertragung auf die Welle und das Konzept der Lagerung.
Der Elektromotor selbst und das Fahrverhalten des Schiffs mit dem E-Antrieb waren vom ersten Test an Klasse.
Der Motor hat in Sachen Leistung und Effizienz alle Erwartungen erfüllt oder noch übertroffen. Auch die Steuerung, die Ladetechnik und das Handling des Schiffs waren absolut zufriedenstellend.
Den Strom für die drei Fahrten hat Morgenstern bereits selbst mit ihrer Solaranlage erzeugt und der 22kWh Fahrakku funktioniert wunderbar.
Das Anlegen mit dem Schiff in unserer Box hat sehr präzise geklappt. Millimetergenaues Aufstoppen am mittleren Poller, weil sich der E-Motor im Gegensatz zum Verbrenner in seiner Drehzahl weich runterdosieren lässt. Nur das fehlende Geräusch ist am Anfang etwas gewöhnungsbedürftig. Aber wenn man einmal das Gespür für die geänderte Steuerung hat, ist das ein herrliches Fahrgefühl.
Was Verbrauch und Wirkungsgrad angeht, so kann ich nach den ersten Fahrten endlich auch eine Aussage machen. Auf diese Zahlen warten ja bereits einige von euch sehnsüchtig. Wir haben „out of the box“ Wirkungsgrade von ca. 85% bei Marschfahrt erreicht.
Die Reichweite nur unter Akku mit dem derzeitigen Antrieb und 30kWh maximal nutzbarer Energie aus dem Fahrakku und dem Verbraucherakku beträgt bei Marschfahrt (6,5kn) 22 Seemeilen. Bei reduzierter Fahrt steigt die Reichweite etwas an. Bei 3,5kn Fahrt liegt die Reichweite bei 30 Seemeilen, bei 2kn bei 43 Seemeilen.
Scheint die Sonne, steigt die Reichweite ebenfalls an, weil mit den Solarmodulen nachgeladen werden kann.
Wird mehr Reichweite unter Maschine benötigt, kann derzeit ein effizienter Generator mit Ottomotor als sogenannter Range Extender zugeschaltet werden. Damit kann dann genauso wie beim klassischen Antrieb so lange gefahren werden, bis der Tank leer ist.
Die Reichweite mit Range Extender ist bei gleicher Treibstoffmenge allerdings größer, als beim klassischen Verbrenner. Der Grund liegt im besseren Gesamtwirkungsgrad des Systems. Ein Generator mit Verbrennungsmotor ist immer effizienter, als ein elastisch ausgelegter Motor für einen direkten Antrieb. Selbst die Wirkungsgradverluste der Stromerzeugung beim Generator werden ausgeglichen. Dazu kommt, dass es beim E-Antrieb keine Leerlaufverluste gibt, was sich ebenfalls positiv auf die Gesamtbilanz auswirkt.
In konkreten Zahlen:
Der Volvo MD31A hat bei 2.400rpm (Marschfahrt) im Motor und bei 950rpm an der Welle ziemlich genau 5,0l Diesel pro Stunde verbraucht. Unser Generator zieht sich hochgerechnet pro Stunde 4,2l Benzin rein, um die Leistung zu erzeugen, die nötig ist, damit der E-Motor die Welle mit 950rpm drehen kann.
In der Praxis werden wir diesen Generator nicht sehr oft benötigen, denn die wichtigste Energiequelle stellt auf See für uns der Wind dar. Sobald Morgenstern segelt, rekuperiert der E-Antrieb und läuft als Generator. Die Schraube wird vom Wasser angetrieben und der E-Antrieb lädt den Fahrakku wieder auf. Dabei fallen je nach Geschwindigkeit beachtliche Leistungen an. Ab ca. 60% Segelzeit läuft das Schiff praktisch autark, ohne Energie von Außen zu benötigen. Dann ist die Reichweite des Schiffs im Prinzip unlimitiert.
Der Generator wird dann in der Praxis nur noch für Haurucketappen von Hafen zu Hafen benötigt, oder wenn mal längere Strecken einen Fluss hinauf gefahren wird. Im Hafen kann natürlich auch mit Landstrom geladen werden.
Im Fluss lässt sich allerdings auch schön vor Anker rekuperieren. Das hätte mir auf der Donau mit Sicherheit hin und wieder einen Tankstopps erspart. Damals habe ich bis Österreich fast jede Nacht vor Anker im Fluss gelegen.
Was die derzeitige Reichweite nur unter Akku angeht, so sind die 22kWh Fahrakku erst der Anfang. Morgenstern könnte ohne Probleme noch 2 weitere dieser 22kWh Packs aufnehmen. Meiner Meinung nach lohnt sich eine solche Investition jetzt allerdings noch nicht. Die Entwicklung von Akkus geht nach wie vor rasant weiter und die Energiedichte dürfte sich in den nächsten Jahren noch deutlich verbessern.
Was das Antriebskonzept von Morgenstern angeht, so habe ich vor wenigen Tagen „Nägel mit Köpfen“ gemacht und das Konzept mit 2 seitlich wirkenden Elektromotoren zugunsten eines zentralen Motors endgültig verworfen.
Das tut schon ein bisschen weh, all die schönen Teile in Kürze wieder aus dem Schiff zu reißen, aber ich freue mich jetzt hauptsächlich auf den neuen Motor.
Der wird dann klassisch gelagert, so wie einst der Volvo. Er wird über eine Gleichlaufgelenkwelle die Wellenanlage des Schiffs von vorne antreiben.
Ich greife dabei auf das Originale Motorfundament zurück und muss ansonsten nicht viel ändern. An der Elektrik wird praktisch nichts verändert, nur ein neuer Controller (statt bisher zwei) muss eingebaut werden.
Die neue Halterung für den Motor wird eine Herausforderung werden. Sie ist nicht einfach zu bauen. Aber es gibt mit ihr viel weniger Ungewissheit, als beim Konzept mit den 2 Motoren.
Den Motor selbst habe ich vor ein paar Tagen in Auftrag gegeben. Er wird nun so gebaut, wie von mir entworfen. Er bekommt einen speziellen Flansch und wird nach meiner Vorgabe gewickelt. Das hätte ich mich beim ersten Anlauf ohnehin nicht getraut. Auch, weil mir exakte Messungen zum Energiebedarf und Leistungskurven gefehlt haben.
Bisher war das halt alles graue Theorie, jetzt habe ich durch den aktuellen Antrieb exakte Werte, mit denen ich den neuen Antrieb genau berechnen konnte.
Es sollte dadurch gelingen, Wirkungsgrade von knapp über 90% bei Marschfahrt zu erreichen. Der Motor selbst gibt das her. Er erreicht 94 bis 95% unter Idealbedingungen.
Die Sonderanfertigung braucht allerdings seine Zeit. Vor Anfang Januar werde ich ihn wahrscheinlich nicht haben.
In der Zwischenzeit wird es trotzdem nicht langweilig. Der neue Halter muss gebaut werden und einen neuen Flansch für die Gleichlaufgelenkwelle braucht es ebenfalls.
Dann gibt es ja auch noch den Trabant. Daran bastle ich seit einer Weile ebenfalls wieder öfter herum. Dazu demnächst etwas mehr.
