Elektroboot

Elektroboote können in vielen Touristenzentren ausgeliehen werden.

Ein Elektroboot ist ein Motorboot, das elektrisch angetrieben wird. Das geschieht üblicherweise, indem elektrische Energie aus dem Stromnetz mittels Ladegerät in eine Batterie geladen wird. Der größte Teil davon kann während der Fahrt einem mit einem Propeller verbundenen Elektromotor zugeführt werden.

Ein Solarboot ist eine spezielle Form eines Elektroboots, bei dem die Energie hauptsächlich durch an Bord installierte Solarzellen bereitgestellt wird.

Elektroboote waren von den 1880er bis zu den 1920er Jahren populär, danach dominierten Antriebe mit Verbrennungsmotoren. Seit der Energiekrise in den 1970er Jahren entstand erneut Interesse an dieser Form der Fortbewegung auf dem Wasser, zumal es inzwischen möglich ist, die Batterien direkt oder indirekt mit erneuerbaren Energien zu laden. Mit Solarbooten wurde es erstmals möglich, gleichzeitig sowohl eine theoretisch unbegrenzte Reichweite wie bei Segelbooten als auch eine Manövrierfähigkeit wie bei Motorbooten zu erreichen. Das erste praktische Solarboot wurde vermutlich 1975 in England konstruiert^[1]).

Komponenten

Wie alle Fahrzeuge brauchen Elektroboote für die benötigte Energie eine primäre Quelle, eine Speichermöglichkeit und eine Umwandlung in mechanischen Vortrieb, in der Regel Elektromotoren und Propeller oder Schaufelräder.

Energiequelle

Elektroaußenborder mit Batteriekasten

• Bei den meisten Elektrobooten werden die Batterien mittels Ladegerät am landseitigen Stromnetz aufgeladen. Die Umweltfreundlichkeit solcher Elektroboote besteht in den fehlenden direkten Schadstoffemissionen des Bootes selbst, hängt jedoch indirekt vom eingekauften Strommix ab. Wirkungsgrad und Umweltfreundlichkeit eines thermischen Kraftwerkes sind in der Regel besser als bei individuellen Verbrennungsmotoren. Elektrische Lademöglichkeiten sind in Marinas üblich. In einigen Gegenden sind sie in Häfen und bei Anlegestellen für Touristen zu finden.

• Windgeneratoren sind bei Segelyachten üblich. Sie sind wie die Schlepp-Generatoren bei starkem Wind unterwegs nützlich, noch viel mehr aber bei Liegezeiten im Hafen oder vor Anker. Bei den üblichen Größen sind es jedoch bestenfalls Hilfsantriebe. Es gibt einige Yachten mit so großen Windturbinen, dass diese den Hauptantrieb stellen. Sie arbeiten jedoch rein mechanisch; es sind noch keine primär mit Wind betriebene Elektroboote bekannt. Größere Windturbinen stellen auf einem kleinen Boot ein schwierig zu lösendes Sicherheitsproblem dar.

• Solarzellen können auf vorhandenen oder extra errichteten Flächen angebracht werden. Die meisten Solarboote haben horizontale Solardächer, da diese selbst gegenüber starken Winden relativ unempfindlich sind. Jedoch kann eine der Sonne zugeneigte Fläche mehr Leistung abgeben und verstellbare Flächen sind unabdingbar, wenn Solarboote im Winter in nördlichen Breitengraden betrieben werden sollen.

Solarzellen können auch landseitig am Liegeplatz eines Elektroboots oder Solarboots aufgebaut werden und stehen so während der meist langen Liegezeiten der Boote zur Verfügung. Üblicherweise werden solche Anlagen mit dem Stromnetz verbunden, damit die überschüssige Sonnenenergie ins Netz eingespeist werden kann, wenn die Bootsbatterie voll geladen ist, oder im Gegenteil vom Stromnetz geladen werden kann, wenn die Einstrahlung nicht reicht. Bei einigen Solarbooten werden dazu auch die Solarzellen an Bord in den Netzverbund einbezogen. Solche Boote liefern über das Jahr gemittelt meistens einen Überschuss ins Stromnetz.

Die Größe der Solarfläche bestimmt Leistungsfähigkeit und Reichweite. Solarboote mit verhältnismäßig großen solar nutzbaren Flächen erreichen bei guten Bedingungen ihre Reisegeschwindigkeit ohne Energie aus der Batterie zu nehmen, oder können gleichzeitig fahren und die Batterie laden. Solche Boote können selbst bei Bewölkung Fahrt machen, ohne die Batterie zu verwenden und haben somit meistens eine unbegrenzte Reichweite.

Ein Prototyp für die Kombination von Photovoltaik und reversibel betriebenen Wasserstoff-Brennstoffzellen, die „Solgenia“, wird als Forschungsschiff an der Hochschule Konstanz entwickelt und seit Anfang 2007 auf dem Bodensee im praktischen Betrieb eingesetzt.

• Schlepp-Generatoren sind bei Segelyachten üblich, die lange Strecken zurücklegen. Bei kräftigem Wind wird nahe der Rumpfgeschwindigkeit gesegelt. Der zusätzliche Widerstand des Generators fällt dann kaum ins Gewicht. Bei Flaute kann die so gespeicherte Energie bei eingeholtem Schlepp-Generator wieder verwendet werden. Einige Boote benutzen statt eines geschleppten Generators den normalen Propeller und den elektrischen Bootsmotor auf diese Weise. Jedoch sind bei einem üblichen Propeller die Flügel für den Generatorbetrieb falsch herum.

• Wärmekraftmaschinen können mit Generatoren auch zur Erzeugung elektrischer Energie verwendet werden. Dieselelektrische Antriebe ohne elektrische Energiespeicherung finden bei großen Schiffen Verwendung. Sie werden jedoch nicht zu den Elektrofahrzeugen gezählt. Mit elektrischer Energiespeicherung wird dieser Mischantrieb als Hybridantrieb bezeichnet. Es gibt zwei Methoden:
  • Beim Serienhybrid lädt ein kleiner Generator mit Verbrennungsmotor oder Stirlingmotor die Batterie. Der Bootsantrieb erfolgt ausschließlich über den Elektromotor.
  • Beim Parallelhybrid wirken sowohl der Verbrennungsmotor als auch der Elektromotor auf die Antriebswelle und können auch unabhängig voneinander verwendet werden. Beim Betrieb des Verbrennungsmotors kann der Elektromotor als Generator wirken und lädt dann die Batterie. Die Abwärme des Verbrennungsmotors kann durch Wärmeübertrager auch für die Heizung oder Zubereitung von Warmwasser verwendet werden.

• Brennstoffzellen finden erstmals bei deutschen U-Booten für die Tauchfahrt Anwendung.

Batterie

Wie bei Landfahrzeugen ist auch bei Booten die Batterie die Komponente, die die Eigenschaften des Fahrzeugs am stärksten einschränkt, da die Energiedichte im Vergleich zu chemischen Energiespeichern kleiner ist. Zumindest bei langsamen Verdrängungsbooten ist das allerdings weniger durch das Gewicht als durch die Kosten gegeben, besonders da alle elektrochemischen Batterien eine stark begrenzte Lebensdauer haben.

Es können alle Batterietypen eingesetzt werden. Bei kleinen Booten erlauben Nickel-Cadmium- oder Nickel-Metallhydrid-Batterien kurzzeitig hohe Leistungsdichten, so dass Geschwindigkeiten über 100 km/h möglich sind^[2]. Üblicherweise werden die bewährten, aber schweren Bleibatterien eingesetzt.

Die Größe der Batterie bestimmt mehr als jede andere Komponente die Verwendbarkeit des Elektro- oder Solarboots. Eine große Batterie erlaubt eine ordentliche Reichweite bei niedrigen Geschwindigkeiten; mit einer einzigen Ladung wurden bereits über 200 km erreicht^[3]. Extreme Solarboote haben gar keine oder nur eine sehr kleine Batterie.

Vergnügungsboote sind in der Regel mit einer Batterie ausgestattet, die für eine Tagesreise ausreicht. Andererseits sind beispielsweise bei einem Kajüt-Elektroboot^[4] am Chiemsee mit 8 Blei-Gel-Batterien von dem deutschen Hersteller Sehmataler Akkuwerk Reichweiten von bis zu ca. 200 km bei etwa 6 km/h möglich (entspricht einer Fahrzeit von über 30 Stunden). Die chemische Haltbarkeit sind laut Batteriehersteller ca. 12 Jahre oder 700 Ladezyklen.

Elektromotor

Der Elektromotor ist die zentrale Komponente jedes Elektroboots. Neben den Inbordmotoren beliebiger Bauart gibt es für kleine Boote ein große Auswahl an Außenbordern. Um das Boot zu manövrieren ist mindestens ein Vor- und Rückwärtsschalter nötig, am besten mit einigen Stufen. Heute sind elektronische Regler üblich, die eine stufenweise Anpassung bis zu den kleinsten Geschwindigkeiten erlauben. Solche Boote sind besonders einfach zu fahren. Moderne Regler erlauben einen 4-Quadranten–Betrieb, das heißt Antrieb und Bremsung sind jeweils vorwärts und rückwärts möglich. Üblicherweise wird jedoch durch Antrieb in Rückwärtsstellung gebremst.

Vortriebserzeugung

Der Propeller ist der moderne Bootsantrieb schlechthin, obwohl auch Schaufelräder möglich sind, die beim Anfahren und Bremsen ihre Vorteile haben. Um eine befriedigende Reichweite zu erhalten, ist bei Elektrobooten ein besonders hoher Wirkungsgrad notwendig. Deshalb werden eher große, langsam drehende Propeller eingesetzt, wobei jedoch ein Kompromiss mit den Gebrauchseigenschaften gefunden werden muss, vor allem bezüglich Tiefgang und Anfälligkeit auf Seegras. Die geforderten niedrigen Drehzahlen lassen sich nur mit Spezialmotoren, besonders großen Motoren oder mit Getrieben erreichen.

Der magnethydrodynamische Antrieb wurde bisher nur als Prototyp realisiert und ist Forschungsgegenstand.

Typen

• Historische Elektroboote sind vor allem in Großbritannien populär.^[5].

Ein Elektroboot der Bay. Seenschifffahrt am Königssee für ca. 80 Passagiere

• Elektroboote für Binnengewässer: Viele Kanäle, Flüsse und Seen sind relativ klein und windgeschützt und haben oft Geschwindigkeitsbeschränkungen. Auf einigen Gewässern sind Elektroboote die einzigen zugelassenen Motorboottypen. Auf Grund der geringen Energiedichte sind Elektroboote nicht für Anwendungen mit dauerhafter hoher Leistungsanforderung (zum Beispiel dauernd hohe Geschwindigkeiten oder lange Fahrten gegen Strömung, Wind und Wetter) geeignet.

• Offene Motorboote im klassischen Stil, die mit Lithium-Akkus und leistungsstarken Elektromotoren Gleitgeschwindigkeiten erreichen.

• Elektroaußenborder: Die als Massenprodukt erhältlichen Elektroaußenbordmotoren für kleinere Boote haben wegen der kleinen, schnell drehenden Propeller eher schlechte Wirkungsgrade, sind aber ausgereift. Einige in Kleinserien oder als Prototypen hergestellte Außenborder haben höhere Wirkungsgrade und eignen sich für Vergnügungsboote. Die Lebensdauer mancher Typen ist ohne intensive Wartung ungenügend für den professionellen Einsatz, beispielsweise bei Fähren.

• Segelyachten haben heute fast immer einen Hilfsmotor. Es gibt zwei hauptsächliche Verwendungszwecke, zum einen als Flautenschieber und zum anderen, um in Häfen oder engen Einfahrten zu manövrieren. Für beide Zwecke kann ein Elektroantrieb gute Dienste leisten, denn bei langsamer Fahrt bei Flaute wird sehr wenig Leistung benötigt und es kann auch mit einer kleinen Batterie sehr lange gefahren werden. Hafenmanöver dauern hingegen meistens wenige Minuten und selbst kleine Elektromotoren können während dieser Zeit größere Leistungen bereitstellen und sind sehr fein regelbar.

• Hybridboote verwenden, wie weiter oben beschrieben, meistens einen Verbrennungsmotor und ein Elektromotor. Bei kleinen oder besonders widerstandsarmen Booten haben sich stattdessen auch Muskelkraft-Antriebe bewährt.

Passagier-Solarboot Solifleur, Yverdon 1995

• Solarboote. Photovoltaik wird auch bei Booten eingesetzt. Im Gegensatz zu Elektrobooten nutzen Solarboote die direkte Sonnenstrahlung als Energiequelle. Jedoch besteht eine stufenlose Übergang zwischen reinen Elektrobooten und reinen Solarbooten. Es gibt extreme Solarboote ohne Batterie für Rekordzwecke, solche mit einer ganz kleinen Batterie für Rennzwecke, Gebrauchssolarboote für Reisezwecke, und Vergnügungsboote mit wenig Solarzellen, die den Verbrauch am Wochenende etwa decken können, wenn sie die Batterie im Sommer während der Woche laden können. Weitere Angaben und Verweise siehe Solarfahrzeug.

• Oberleitungsfähren beziehen ihre Energie aus einer Oberleitung ähnlich O-Bussen.

• Elektrisch betriebene Kettenschiffe werden bis heute in Frankreich eingesetzt um lange schlecht belüftete Tunnel zu bewältigen.

• Die meisten Unterseeboote fahren im getauchten Zustand elektrisch, zivile U-Boote meist sogar rein elektrisch.

Details: Offene Motorboote im klassischen Stil

• Man bezeichnet elektromotorisch angetriebene, offene, kleine Motorboote mit klassischer Formgebung des Rumpfs als "Elektro-Runabouts". Sie können bis ca. 8 Personen transportieren. Die erzielbaren Leistungen genügen bereits für den Betrieb weiterer Wassersportarten. So ist beispielsweise das Wasserski-Fahren im Nachstrom eines Elektro-Runabouts möglich.

• Entwurfsziele:

Im Unterschied zu bisherigen Elektro-Booten, ist das Entwurfsziel eines Elektro-Runabouts das Erzielen eines Maximums an Fahrspaß. Fahrspaß-Maximierung: Das Maximum an Fahrspaß als Entwurfsziel wird durch besondere Fokussierung(??) auf die Teilbereiche Antriebstechnik, Hydrodynamik und Aerodynamik erzielt. Insbesondere die Antriebstechnik bietet aktuell große Fortschritte im Bereich elektromotorischer Konzepte. Gewichts-Minimierung: Die Gesamtmasse eines Elektro-Runabouts hängt entscheidend von seinem Energiebedarf ab. Das bedingt ein weiteres Entwurfsziel. Die Minimierung der Gesamtmasse. Um den Fahrspaß, das übergeordnete Ziel, einzuhalten, müssen die (oben genannten) weiteren Bereiche (Hydrodynamik, Aerodynamik) optimiert werden.

• Technische Details:
  • Antriebstechnik: Die Konzeption der Elektro – Runabouts setzt eine hohe Leistungsfähigkeit der Akku – Zellen voraus. Auf Lithium-Technologie basierende Zellen bieten die nötige Leistungsfähigkeit .
  • Energiespeicherung: Als Energiespeicher dienen dem Elektro-Runabout Akkumulatoren. Sie werden in mehreren Einheiten (sog. Akku-Zellen) an geeigneten Orten an Bord der Boote platziert. Abhängig vom Energiebedarf des Bootes bestimmt sich die Größe und Anzahl der Akku-Zellen.
  • Propulsionsanlagen: Als Propulsionsanlagen kommen sowohl alle gängigen- sowie auch Ungewöhnliche in Betracht.
  • Strömungsmechanik: Eine Optimierung der Strömungsverhältnisse erfolgt mit der Analyse der vorhandenen Strömung entlang des Boots.
  • Hydrodynamik: Die Hydrodynamik ist optimal, wenn die Widerstandskraft des Bootes bzgl. des Wassers minimiert ist.
  • Aerodynamik: Die Aerodynamik ist optimal, wenn die Widerstandskraft des Bootes bzgl. der Luft minimiert ist.

Einzelnachweise

1. ↑ Electrical Review Vol. 201 No. 7, 12. August 1977
2. ↑ Electric Boat News Vol. 18 Nr. 4, Winter 2005/2006
3. ↑ Electric Boat News Vol. 14 Nr. 4, Winter 2001/2002
4. ↑ Dieses Boot ist zu sehen unter www.Chiemsee-Classic-Yacht.de
5. ↑ Mary Gordon Electroboot (englisch)