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SF-Schiffsbarde

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1

Mittwoch, 7. Februar 2018, 18:53

Elektromotor: Ist 2 x halbe Leistung sparsamer als 1 x volle Leistung?

Bei allen Elektromotortests verstehe ich bisher, dass der Energieverbrauch mit zunehmender Leistung überproportional steigt.

Heißt dass, dass dann, wenn ich 4 kw-Leistung haben will, 2 Motoren mit 4 kw Spitzenleistung mit halber Kraft mit deutlich weniger Energieverbrauch betreiben kann, bei gleich starkem Vortrieb, statt einen 4 kw-Motor mit Volllast? :huh:

Oder ist das falsch gedacht, weil die Geschwindigkeit/Kraft damit nicht in diesem Verhältnis zu tun hat?

Beispiel: Ich fahre im Watt mit 2 kn Gegenströmung und bräucht, um mit 2 kn vorwärts zu kommen 4 kw-Leistung. Kann ich dann mit derselben Energiemenge länger gegenan, wenn ich 2 x 4 kw Motoren mit halber Kraft fahre im Vergleich zu einem 4 kw Motor, den ich mit voller Kraft fahre (identische Motoren vorausgesetzt, also auch bzgl Schraube)?
...und nur wer wagt, gewinnt das Leben...

Peter


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2

Mittwoch, 7. Februar 2018, 19:25

Die Wirkungsgradkurve ist vom Motortyp abhängig ...


Suboptimale kurve, geht eher darum bei welchem Leistungsbedarf welche Bauform gut ist...

pf

SF-Schiffsbarde

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3

Mittwoch, 7. Februar 2018, 19:39

Danke, ganz verstehe ich das aber nicht.

Nehmen wir doch mal einen Torqueedo Pod mit 4 kw als Beispiel: Cruise 4.0 FP
Oder den Kräutler: ACV 4,0

Sind beide in der Leistungsangabe vergleichbar. Ich kann aber auf deren websites nichts zum "Verbrauch" bei welcher Leistung sehen ;(
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Peter


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88markus88

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4

Mittwoch, 7. Februar 2018, 21:57

@pf: Der Energieverbrauch steigt mit zunehmender Geschwindigkeit überproportional an - in Bezug zur Leistung steigt er genau proportional an:
Doppelte Leistung = Doppelter Energieverbrauch
Doppelte Geschwindigkeit = Vierfacher Energieverbrauch
Oder: Wenn du weniger Gas gibst, kommst du wesentlich weiter.

Zu deiner Frage:
mit 2 Motoren zu je 4 KW und 50% aufgedreht hast du 4 KW
Mit 1 Motor zu 4 KW und 100% aufgedreht hast du 4 KW
=> du wirst bei sonst gleichen Motoren genau so schnell
(in der Realität bist du mit 2 Motoren etwas langsamer, weil du mehr Batterien mitschleppst :) - ist aber Haarspalterei)

Ich hoffe das hilft etwas,
Markus

5

Mittwoch, 7. Februar 2018, 22:49

Hallo.
Das ganze Problem ist leider etwas komplizierter.
Zuerst mal hat 88Markus88 natürlich recht. Hier wurde offensichtlich Leistung mit Geschwindigkeit gleichgesetzt, was natürlich nicht richtig ist, da der Widerstand des Boots vor allem in der Nähe der Rumpfgeschwindigkeit nicht propotional zur Geschwindigkeit ist.
Theoretisch würden nun also zwei Motoren halber Leistung genau soviel Arbeit verrichten können wie einer mit voller Leistung. Und da Arbeit eben nichts anderes ist wie verwendete Energie, bei elektrischer Arbeit also E = W = U x I x t, wäre die Stromstärke I und damit der Energieverbrauch identisch.
Aber in der realen Welt gibt es ja auch noch so etwas wie den Wirkungsgrad, kein Motor setzt 100% der eingesetzten Energie in Arbeit um. Die dankenswerter Weise von Adenalin beigebrachten Diagramme belegen nun, dass der Wirkungsgrad typischer Elektromotoren mit der erbrachten Leistung steigt. Daraus folgt, das im Gegenteil zur Annahme zwei gleiche Elektromotoren bei niedriger Drehzahl mehr Verluste produzieren als einer mit hoher.
Fertig? Nicht ganz. Würde jeweils nur ein Propeller angetrieben müsste man noch in Rechnung stellen das auch dieser je nach Drehzahl einen mehr oder weniger guten Wirkungsgrad besitzt. Meist wird man aber mit zwei Motoren auch zwei Propeller antreiben. Dann aber haben diese eine andere Größe und auch andere Drehzahl als ein einzelner, auch das beeinflusst wieder den Wirkungsgrad. Leider weiß ich da nicht wie stark, allgemein gilt aber wohl das große langsam drehende Propeller höhere Wirkungsgrade besitzen als kleine. Also ein komplexes Thema. Ich schätze aber es läuft auf einen Motor raus.
Ein Freund ist, wer Dich für gutes Schwimmen lobt, nachdem Du beim segeln gekentert bist.

Dieser Beitrag wurde bereits 2 mal editiert, zuletzt von »steggano« (7. Februar 2018, 23:05)


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6

Donnerstag, 8. Februar 2018, 06:42

Schade, ich dachte, wenn ich bei gleicher Batteriekapazität (die o.g. Motoren haben ja keine interne Batterie, ich müsste also die 48 V getrennt "bevorraten", an die dann einfach beide Motoren angeschlossen werden) zwei Pods unters Boot schraube (oder rechts und linkjs an das externe Ruderblatt) könnte ich einen erheblichen Reichweitenvorteil auch bei großem Leistungsbedarf (5 Bft im Kanal in Friesland gegenan über sagen wir mal 4 Stunden, oder im Watt für 2 Stunden gegen die Strömung) erzielen. Das sind ja 2 unabhängige Motoren mit identischer Schraube.

Das ist also so einfach nicht zu beantworten.
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Peter


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7

Donnerstag, 8. Februar 2018, 07:09

Die Antwort vorweg: Du wirst mit 2 Motoren (wir reden hier über elektrische Außenborder - richtig?) etwas sparsamer fahren als mit einem, weil aufgrund der doppelten Propellerfläche der Stoßverlust des Propellerstrahls geringer wird und (dies ist jetzt meine Vermutung) dieser Gewinn mehr ins Gewicht fällt als der Wirkungsgradverlust des Elektromotors bei Teillast, welcher sehr von Bauart und Regelung abhängt.

Jetzt zu den Details: @Adrenlin: Deine Kurven geben doch den Zusammenhang zwischen Nennleistung und Wirkungsgrad bei verschiedenen Baugrößen wieder und nicht etwa den Wirkungsgrad eines gegebenen Motors bei Teillast, oder? Dann hilft uns Dein Diagramm hier nicht weiter.

In der Ausgangsfrage gehen mehrere Effekte durcheinander. Bleiben wir zunächst bei der Fahrt durchs Wasser: Die Kraft, die ich benötige, um ein Boot durchs Wasser schieben, nimmt mit der Geschwindigkeit zu. Der Einfachheit halber nehme ich hier einen quadratischen Zusammenhang an. Wenn man also das Boot mit 100 N schieben muss, damit es auf 1 m/s (~zwei kn) kommt, so brauche ich schon 400 N für 2 m/s oder 900 N für 3 m/s.
Im nächsten Schritt rechne ich die Leistung aus, die hierfür erforderlich ist. Dafür werden Kraft und Geschwindigkeit multipliziert, und ich erhalte 100 Nm/s für die niedrigste Geschwindigkeit, 800 Nm/s für die mittlere und immerhin 2.700 Nm/s für die höchste der drei genannten Geschwindigkeiten. Dabei entsprechen 1.000 Nm/s = 1 kW. Wir sehen also, dass die erforderliche Leistung mit der Geschwindigkeit in der dritten Potenz ansteigt. In der Realität ist es irgendwas zwischen der zweiten und dritten Potenz, aber ich möchte es hier möglichst einfach halten.
Nun möchte man aber wissen, wieviel elektrische Leistung man in diesen Antrieb hineinstecken muss. Dazu teile ich die Energiewandlung in zwei Schritte: Der Elektromotor wandelt die elektrische Leistung in eine mechanische Wellenleistung (Wirkungsgrad des Motors), und der Propeller wandelt die Wellenleistung in eine Schubkraft bei einer Geschwindigkeit (Propulsionswirkungsgrad).
Über den Wirkungsgrad des E-Motors wissen wir hier nichts, ebensowenig über das Verhalten bei Teillast. Wenn ich es nicht besser weiß nehme ich 80 % an. Interessanter ist der Propulsionswirkungsgrad, der maßgeblich von der Anpassung des Propellers an Boot und Antrieb bestimmt wird. Er wird tendenziell besser bei steigendem Propellerdurchmesser, und hier liegt der "Hase im Pfeffer". Mit zwei E-Außenbordern hat man die doppelte Propellerfläche, erfasst damit den doppelten Strahlquerschnitt und der Propeller muss das Wasser nicht so stark über die Bootsgeschwindigkeit beschleunigen, um es mal anschaulich darzustellen. (Das vermindert den Verlust, weil die Geschwindigkeit in die Gleichung für den Impuls nur in der ersten Potenz eingeht, in die Gleichung für die Bewegungsenergie aber im Quadrat.)
Edit: Der vorstehende Absatz sollte erklären, warum sich die Hersteller nicht im Katalog zu dem Verhältnis von Leistungsaufnahme (z.B. 4 kW) zu Leistungsabgabe äußern.

Alles klar? :S

Gruß
Robert

Dieser Beitrag wurde bereits 1 mal editiert, zuletzt von »Robert M« (8. Februar 2018, 07:23)


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8

Donnerstag, 8. Februar 2018, 07:20

@RobertM:

Herzlichen Dank, das kann ich zumindest mit verfolgen, stellt zwar keine Sparrelationen vor, lässt aber sehr gut erahnen, dass die Richtung tendenziell nicht falsch ist.

Das bestätigt dann meine Vermutung, dass EIN größerer Motor in Teillast gefahren bei gleichem Propeller trotz Teillast eher mehr verbraucht, als zwei kleinere Motoren, die dieselbe Last erbringen, aber doppelte Propellerfläche haben. Der Zusammenhang mit der Propellerfläche kommt aus Deinem Beitrag hervorragend heraus. Dafür ganz recht herzlichen Dank, weil mir das so nicht bewusst war.

P.S.: Wir reden nicht über elektrische Außenborger, sondern über POD's, also elektrischer Motoren die fest unter das Boot (oder seitlich ans Ruderblatt) montiert werden. Die sind -als dauerhafter Antrieb) in vieler Hinsicht einfacher.
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Peter


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9

Donnerstag, 8. Februar 2018, 07:30

Das bestätigt dann meine Vermutung, dass EIN größerer Motor in Teillast gefahren bei gleichem Propeller trotz Teillast eher mehr verbraucht, als zwei kleinere Motoren, die dieselbe Last erbringen, aber doppelte Propellerfläche haben.
Ja, der Effekt der größeren Propellerfläche sollte überwiegen. Der eine größere Motor muss der Propeller ja auf eine höhere Drehzahl bringen um den gleichen Schub zu erzeugen. Aber ist es in der Realität nicht so, dass der größere Außenborder auch einen größeren Propeller hat?

P.S.: Wir reden nicht über elektrische Außenborger, sondern über POD's, also elektrischer Motoren die fest unter das Boot (oder seitlich ans Ruderblatt) montiert werden. Die sind -als dauerhafter Antrieb) in vieler Hinsicht einfacher.
OK, das ist für die vorstehenden Überlegungen aber egal.

Henning

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10

Donnerstag, 8. Februar 2018, 07:48

Könnte man nicht einfach für das Geld vom zweiten Motor eine weitere Batterie für den ersten Motor kaufen?
Versteckt den Rum! :sparrow:


"Das Dumme an Zitaten aus dem Internet ist, dass man nie weiß, ob sie wahr sind."
(Leonardo da Vinci)

da darf man auch schon mal ein bisschen ein mulmiges Gefühl haben während der Nordfriese noch draußen Uno spielt :-)

Squirrel

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11

Donnerstag, 8. Februar 2018, 08:10

Interessanter ist der Propulsionswirkungsgrad, der maßgeblich von der Anpassung des Propellers an Boot und Antrieb bestimmt wird. Er wird tendenziell besser bei steigendem Propellerdurchmesser, und hier liegt der "Hase im Pfeffer". Mit zwei E-Außenbordern hat man die doppelte Propellerfläche, erfasst damit den doppelten Strahlquerschnitt und der Propeller muss das Wasser nicht so stark über die Bootsgeschwindigkeit beschleunigen, um es mal anschaulich darzustellen


So einfach ist das nicht. Die Verluste des Propellers haben verschiedene Komponenten, u.a.:
Verluste durch Reibung an der Blattoberfläche -> Blattbreite
Verluste durch Verdrängung an der Blattvorderkante -> Blattanzahl
Verluste durch Radialbeschleunigung des Mediums -> Verhältnis Umfang zur Fläche
Verluste durch Störungen in der An- und Abströmung
...
Diese Verluste verhalten sich bei der Umstellung von einer auf zwei Schrauben anders als bei der Vergrößerung einer Schraube. Deine Betrachtung ist deshalb so nicht korrekt. In aller Regel steigen die Verluste, wenn man auf zwei Schrauben geht. In der Berufsschiffahrt siehst Du Zweischraubenschiffe meistens nur da, wo mit der zweiten Maschinenanlage ein weiterer zusätzlicher Zweck verknüpft ist, zum Beispiel Ausfallsicherheit oder begrenzter Tiefgang.
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unregistriert

12

Donnerstag, 8. Februar 2018, 08:35

Moin, kann es sein das es sich bei all diesen Verlusten um Effekte "hinter dem Komma" handelt? Also jedenfalls im Freizeitbereich. Wenn man das so liest bleibt ja fast nur noch rudern als Alternative übrig...

Gruß Hendrik

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13

Donnerstag, 8. Februar 2018, 08:36

So einfach ist das nicht

Diese Verluste verhalten sich bei der Umstellung von einer auf zwei Schrauben anders als bei der Vergrößerung einer Schraube

In aller Regel steigen die Verluste, wenn man auf zwei Schrauben geht.

Ich stimme Dir in allen Punkten zu (ist ja auch kein Wunder ;) ).
Ich hatte den TE so verstanden, dass er erwägt, einen vorhandenen E-AB um einen zweiten, baugleichen zu ergänzen, und vermutet, dass er einen leichten Gewinn an Propulsionswirkunsgrad erzielt. Das ist eine etwas künstliche Situation, verglichen mit der regulären Auslegung eines Schiffsantriebs.

In meiner Darstellung war ich in erster Linie um Anschaulichkeit bemüht. Hier im Forum sind nicht alle Ingenieure, und so versuche ich, die Darstellung soweit es irgend geht zu vereinfachen und mit (Zahlen-)Beispielen zu arbeiten, ohne direkt falsche Dinge zu schreiben. Das ist nicht immer einfach. :|

Gruß
Robert

Squirrel

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14

Donnerstag, 8. Februar 2018, 08:52

und so versuche ich, die Darstellung soweit es irgend geht zu vereinfachen und mit (Zahlen-)Beispielen zu arbeiten, ohne direkt falsche Dinge zu schreiben. Das ist nicht immer einfach.


Das ist ein sehr guter Ansatz, und daran habe ich auch gar nix zu kritisieren. Nur Deine Vermutung ging halt in die falsche Richtung. Es ist ein einfacher, auch für nicht-Ingenieure verständlicher und universell gültiger Ansatz, zu sagen: Der beste Wirkungsgrad wird immer mit der einfachsten Anlage erzielt. Je mehr Komponenten man hinzu fügt, desto mehr steigen die Verluste.
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pks

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15

Donnerstag, 8. Februar 2018, 08:59

Je mehr Komponenten man hinzu fügt, desto mehr steigen die Verluste.

beste Beschreibung sei langem für den Arbeitskreis :D :D
Gruß aus Mittelfranken
Peter

Squirrel

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16

Donnerstag, 8. Februar 2018, 09:02

Zitat

Je mehr Komponenten man hinzu fügt, desto mehr steigen die Verluste.

beste Beschreibung sei langem für den Arbeitskreis :D :D


Sag ich doch: Universell gültig. :verstecken:
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brico2

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17

Donnerstag, 8. Februar 2018, 09:03

Der TE spielt offenbar mit dem Gedanken, zwei Pods zu installeren statt bloss einem.
Bevor das vergessen geht, sollte man vielleicht noch daran erinnern, dass zwei (gleich grosse) Pods in aller Regel einen doppelt so grossen Widerstand aufweisen, wenn man sie nicht zum Antrieb nutzt. Ab und zu will man ja auch segeln.

brico
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18

Donnerstag, 8. Februar 2018, 09:06

@Henning:
Nein, Batterien sind Verschleißteile, ein E-Motor sollte deutlich länger halten. Hinzu kommt eine gewisse Ausfallsicherheit.

Ich habe ja gar keine Elektroantrieb, weil es sich bisher bei meinem Einsatz (Friesland, Ijsselmeer und Waddenzee) bisher als nicht geeignet angesehen hat. Weil einfach zu viele Batteriekapazität benötigt würde, um gleichbleibend Sicherheit zu haben. Wenn ich am Wochenende unterwegs bin, sind auch mal 4 Stunden in Friesland Motorfahrt zurück gegen 5 Bft nötig (Grou oder Sneek nach Lemmer), das zeigt die Erfahrung. Oder auch mal mit 4-6 Bft im Urlaub ein paar Stunden im Watt gegenan (mit Strömung) oder 2 Stunden gegen die Strömung, um einen Hafen zu erreichen. Oder Enkhuizen nach Lemmer = ca. 18 sm bei Windstille zurück. Das muss alles funktionieren in bezahlbarem Rahmen.

Wenn ich spiele, statt AB, den ich bisher im Schacht fahre, einen Diesel einzubauen, kostet mich das ca. 10000 € alltogether. Die Frage ist, wie weit komme ich mit E-Motoren bei vergleichbarer Situation (wobei ich dann den Einbau sparen würde, das ist ja selbst einfach machbar bei Emotor gegenüber Diesel, wo noch nie ein Diesel montiert war).

Daher überlege ich hin und wieder, ob sich technische Neuerungen ergeben haben, die einen solchen Umbau jetzt sinnvoll erscheinen lassen. Die Pod's gibts mittlerweile auch von Torqueedo, die ja als sehr effizient gelten. Aber wenn ich hier die Verbräuche bei Volllast rechne, ist selbst mit 400 AH schon nach wohl späestens 2 Stunden bei dem POD 4.0 wie oben dargestellt Schluss, wenn überhaupt so lange. Endlos Batterien einbauen macht auch keinen Sinn, sind ja auch nur Verschleißteile, bei denen keiner weiß, wie lange die halten 5 Jahre? 10 Jahre?

Also ist die Frage, kann ich ohne Leistungsverlust die Leistung günstiger durch andere Konfigurationen abrufen? Daher die Idee 2 Motoren auf Teillast laufen zu lassen, statt einen auf Volllast.

Mein 9,9 PS hat bisher nur im Watt längere Zeit (ca. 1,5/2 h) (nahezu) Vollast gebraucht, vor Terschelling, weil man hier keinen Weg hat, um komplette Strecke mit dem Strom zu haben. Da war dann so viel Strömung, dass man für das Reststück mit 1,8 - 2,1 kn Fahrt über Grund bei ca. 5. - 5.500 U/min unterwegs war. Die 4 kW-Pods sollten mit 8 PS vergleichbar sein, die nächste Leistungsklasse bei den PODs liegt bei Torquedoo bei 20 kw, wenn ich es richtig im Kopf habe.

Das sind also die Überlegungen in einem Thema, in dem für mich so wenig greifbar ist :O


Nachtrag:
@brico2:
Wenn ich 2 Pods installiere kommt der Schacht für den AB wieder zu. Da können 2 Pods nur weniger Widerstand erzeugen ;) Der Schacht kostet mich aktuell ca. 0,5 kn (habe den Schacht nachträglich einbauen lassen, kenne insofern den Vergleich).
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Peter


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brico2

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19

Donnerstag, 8. Februar 2018, 09:22

Wenn Du jetzt einen Schacht hast, dann würde ich mir ganz ernsthaft einen einziehbaren Elektromotor überlegen. Z.B. so was

brico
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Ente 24

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Donnerstag, 8. Februar 2018, 09:37

@pf

es gibt sicher zur Zeit keine kostengünstige Alternative zum AB.

Nach meiner Einschätzung bleibt selbst bei 1x 4 kW E-Motor plus 2 große LiFePos keine absolute Sicherheit (unberücksichtitigt bleibt Totalausfall, kan mit jeder Variante passieren).

Lange Diskussionen mit den Torqueedo Technikern mündeten in der Empfehlung, 1 x 4kW mit 1x LiFePo plus 2kW Genni. Damit sollte der E-Antrieb bis zum Ende des Benzinvorats laufen.
Damit wäre die Elektrifizierung etwa doppelt so teuer wie ein AB, aber wesentlich günstiger als ein Dieselantrieb, der insgesamt mehr als 10k kostet.

Dafür hat man dann Ruhe für die überwiegende Zeit und bei Bedarf ist der Genni nicht wesenlich lauter als der Diesel.

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