Het ontwerp van een elektrisch vaartuig: de energie voorziening, accu’s en generator

Om een elektromotor van 37 kW van de juiste hoeveelheid power te voorzien zijn er verschillende berekeningen gemaakt.

Als 37 kW het maximaal opgenomen vermogen is (met een rendement van 90% is het werkelijk afgegeven vermogen 33,3 kW) bij een spanning van 380 Volt 3 fase, is de stroom 97 A of per fase 97/3 = 32A.

De energie kan dan op verschillende manieren geleverd worden:

  1. Een heel lang verlangsnoer achter de boot, aangesloten op een 3-fase krachtstroom aansluiting J
  2. Een diesel generator die het benodigde vermogen kan leveren.
  3. Een omvormer die vanuit accu’s het benodigde vermogen kan leveren, eventueel gecombineerd met zonnepanelen.
  4. Een combinatie van 2 en 3.

Het voordeel van op accu’s varen is natuurlijk de stilte aan boord en dat het milieuvriendelijker is dan varen op diesel. Maar zo’n installatie vereist grote omvormers en natuurlijk een uitgebreid accupakket. Ik ben hiervoor terecht gekomen bij Victron Energy die een aantal forse omvormers en laders hebben die voor deze klus geschikt zouden kunnen zijn.

Het schema hierboven geeft precies aan waar ik aan zit te denken. De drie Multi omvormers van Victron kunnen een 3 fase configuratie schakelen door energie uit de accu’s de halen. Elke omvormer is een 48 Volt exemplaar die 5.000 VA (5 KVA) kan leveren en voor opladen (via walstroom o.i.d.) 70A laadstroom kan genereren voor de accu’s. Omdat de vermogenswaarde in (K)VA wordt opgegeven, kunnen we met een factor 0,8 de kW vermogenswaarde berekenen. Deze is dan dus 0,8*5=4 kW bij 40 graden Celsius, en kan zelfs iets hoger zijn bij 25 graden. Er kan een kortstondige piek worden geleverd van 10KVA. In een 3 fase configuratie kan er dus 3×4 kW aan vermogen worden geleverd, totaal 12 kW. Maar dan is dus wel een 48 Volt accu nodig. In het artikel over de motorberekening heb ik aangetoond dat 12 kW gelijk is aan 900 RPM met de oude Caterpillar en dat dit weer overeenkomt met de gewenste kruissnelheid van zo’n 10,5 km/uur. Dus de kruissnelheid kan gevaren worden op accu’s en omvormers totdat de accu’s leeg zijn.

Maar hoeveel accu capaciteit heb je dan nodig en wat doe je als de accu’s leeg zijn of als je harder wilt varen dan de kruissnelheid?

Accu capaciteit berekenen

Om voldoende vermogen te kunnen leveren zijn er eigenlijk maar twee soorten accu’s die in aanmerking komen: tractie accu’s zoals in een heftruck of LiON accu’s. Die LiON accu’s nemen de helft minder ruimte en gewicht in maar zijn 3x zo duur. LiON valt nu dus af en ik beperk mij dus tot tractie accu’s.

Stel dat je 2 uur wilt kunnen varen op kruissnelheid, dan heb je 12kW/48Volt*2uur = 500 Ah accu capaciteit nodig. Maar omdat je een tractie accu niet verder mag ontladen dan 50% om voortijdige veroudering te voorkomen, heb je dus voor de veiligheid 1000 Ah bij 48 Volt nodig. Een tractieaccu kan overigens tot 80% worden ontladen (gaat wel ten koste van de levensduur) dus er kan óf een kleinere capaciteit worden gekozen of er kan langer worden gevaren.

Uit het artikel over de motorberekening bleek overigens ook dat een snelheid van slechts 6 km/uur een vermogen vraagt van slechts 4 kW. Er kan dan dus 6 uur elektrisch worden gevaren met deze snelheid voordat de accu’s leeg zijn.

Accu’s laden en hogere snelheid – generator capaciteit berekenen

Wat doe je als de accu’s leeg zijn of als er een hogere snelheid dan 10,5 km/u nodig is? Immers, een vereiste in het ontwerp was dat er minimaal 13 km/u gehaald moest kunnen worden! De oplossing is simpel: een efficiënte diesel generator.

Een diesel generator draait 1.500 RPM (voor 50Hz, 1.800 RPM voor 60Hz) en levert bij dat toerental de hoogste efficiëntie die een dieselmotor kan behalen . Hoger dan de oude Caterpillar of zelfs een moderne diesel die bij kruissnelheid maar 25% van zijn capaciteit benut. En de diesel generator kan dit op 1500 RPM zeer lang volhouden.

Als de accu’s dus leeg zijn zullen de Victron omvormers een signaal naar de generator sturen die daarmee opstart en binnen 1 minuut zijn maximale vermogen kan leveren om de accu’s weer op te laden én de elektromotor voor de voortstuwing van de benodigde energie te voorzien. De accu’s zullen dan met een laadstroom van 70A per omvormer (*48=3,3 kW * 3 stuks = 10kW ofwel 210A) geladen worden. Een regel geldt dat de laadstroom voor accu’s ongeveer 20% en niet meer dan 25% van de accu capaciteit mag zijn. Dus voor onze 1000Ah capaciteit voldoen we aan die regel. Maar 10kW generator capaciteit is natuurlijk niet voldoende, we willen tegelijkertijd met het laden ook nog kunnen varen.

Voor het laden is dus 10 kW nodig en voor het varen op kruissnelheid 12 kW, totaal dus 22 kW aan generator capaciteit. Rekening houdende met 10% verlies in de omvormers en laders moeten we uitgaan van een vermogen van circa 24kW dat de generator continue moet kunnen leveren. In dat geval zijn de accu’s na 2 1/2 uur ongeveer 90% geladen en pas na 5 uur (!) geheel geladen. Dit wordt veroorzaakt door het laadproces van een loodzuur accu en kunnen we niet verder beïnvloeden.

Maar die 24 kW is niet voldoende om op volle toeren (= 37kW) te kunnen varen! Hoe lossen we dat dan op? Het kan natuurlijk met een grotere en zwaardere generator maar dit zal de efficiëntie niet ten goede komen van de generator als we met een lage snelheid varen. Er is een andere mogelijkheid en die zit in de Victron multi’s. Deze kunnen namelijk extra vermogen leveren uit de accu’s, mits die energie voorradig is in de accu’s, bovenop de beschikbare generator capaciteit.

Dus als de generator 24 kW kan leveren én de Victron multi configuratie 12 kW is er samen 36 kW beschikbaar om de elektromotor (bijna) vol uit te sturen. Als de accu’s dus vol zijn kunnen we op deze manier 2 uur vol gas varen met 13,5 km/u. Daarna moeten we terug naar de kruissnelheid van circa 10,5 km/u om de lege accu’s weer op te laden. Bij een gemiddeld brandstof verbruik van 5 ltr /u voor de generator t.o.v. van 10 ltr/u voor de oude Caterpillar is dat een besparing van 7 uur x 5 liter is 35 liter per dag. En minder herrie, minder stank en veel minder olieverbruik.

En ‘s-nachts kunnen we aan de steiger met een 220 volt snoer de accu’s weer opladen, hoewel een 6A aansluiting niet heel veel zal helpen (1,2 kW/u), beter is het om dan een gewone 16A aansluiting of zelfs een krachtstroomaansluiting te hebben. En als we stil liggen op een zonnige dag zullen de beide zonnepanelen op de stuurhut ook meehelpen (0,4 kW/u). Tot slot kunnen we met de Victron Multi’s ook de ‘huiselijke’ energiebehoefte leveren waarbij voor warmwater bereiding natuurlijk het koelwater van de generator zal worden gebruikt. De gasfles doen we weg want met de accu’s en omvormers kunnen we ook elektrisch koken.