In de winter van 2014/2015 heb ik mijn ruim honderd jaar oude sleepboot Cecilia uit 1905 geheel zelfstandig omgebouwd, van een olie verstokende en rokende diesel aangedreven schip naar een moderne energie zuinige boot, waar nu een efficiënte elektromotor voor de aandrijving zorgt. In dit artikel tref je de stappen aan die je zelf kunt uitvoeren om een ontwerp te maken voor jouw boot.

In 4 stappen ontwerp je zelf je eigen elektrische boot.

Of je de boot enkel op accu’s laat varen (opgeladen met zonnepanelen), of dit te ondersteunen door een generator, is geheel afhankelijk van jouw vaartochten.
Met het ontwerp kun je zelf aan de slag of je kunt natuurlijk de hulp inroepen van experts die de ombouw voor jou uitvoeren. Dat is natuurlijk geheel afhankelijk van je eigen handigheid en de portemonnee. Het ontwerp is alleen bedoeld voor water verplaatsende schepen. Half-gliders of planerende boten kun je hiermee niet ombouwen.

Stap 1: bepaal de ontwerp uitgangspunten

Voor mijn ontwerp heb ik vooraf een aantal uitgangspunten gedefinieerd die bepalend zijn voor het ontwerp:

• De vaareigenschappen van de boot moeten 100% behouden blijven. Voor mijn sleepboot betekende dit dat manoeuvreren op de schroef (m.b.v. de schroefwerking) en de trekkracht behouden moest blijven. Schroef en schroefas aanpassingen moesten dus achterwege kunnen blijven. Een keerkoppeling of reductie hoeft niet langer meer gebruikt te worden.
• De aandrijving is 100% elektrisch en op basis van bewezen technologie. De energie voorziening komt zowel uit accu’s als uit een generator, afhankelijk van de behoefte. Voor mijn ontwerp ben ik daarom uitgegaan van industriemotoren, 3 fase asynchroon die op krachtstroom (380V) werken i.p.v. van DC gelijkstroom. Hiermee wijkt het ontwerp sterk af van wat vele commerciële watersport bedrijven doen.
• Voor dagtochten moet rekening gehouden worden met een vaartijd van 2-4 uur, liefst geheel op accu’s.
• Opladen in jachthavens met een 6A 230 Volt aansluiting moet veilig mogelijk zijn en niet beperkend zijn voor de vaartijd.
• Als er gebruik gemaakt moet worden van diesel generatoren, moet dit zo efficiënt mogelijk zijn.
• De bediening moet veilig en eenvoudig zijn, zodat iedereen er mee kan varen.

Stap 2: Bereken het benodigde motorvermogen

Om het benodigde motorvermogen voor een elektromotor aangedreven schip te berekenen, hebben we een aantal gegevens nodig:

• Lengte over de waterlijn. Met de formule Vromp=4,49 x √Lwaterlijn kan de maximale (romp)snelheid worden berekend. Hierbij is Vromp de snelheid in kilometers per uur en Lwaterlijn de lengte in meters. Voor mijn sleepboot is Lwaterlijn 12,5 mtr en de rompsnelheid bedraagt dan dus 4,49 x √12,5 = 15,9 km/u. De totale lengte van de boot is overigens 13,5 mtr.
• Vermogen bij vereist toerental. Dit is wat lastiger te berekenen omdat we verschillende toerentallen nodig hebben en bij elk toerental een ander vereist vermogen (in PK) vereist is. Omdat uitgangspunt 1 mede bepalend is, moet een proefvaart uitgevoerd worden met de boot en de huidige aandrijving (diesel of benzinemotor, keerkoppeling en schroef). Doe deze proefvaart op een windstille dag en met een schoon onderwaterschip op diep vaarwater. Maak een tabel waarbij voor elk gewenst toerental van de verbrandingsmotor de snelheid wordt gemeten. Kijk voor een voorbeeld op http://www.haroldhalewijn.nl/2014/07/25/cecilia-ii-elektrisch-aangedreven-hoeveel-vermogen-dan/ Met deze tabel, de rompsnelheid en de Propellerwet formule P=CxN3 bepalen we eerst de constante C en met die constante kunnen we voor elk toerental het vereiste vermogen (in PK) bepalen. Voor de vaartest is het wel belangrijk dat de huidige motor en schroef passen bij het schip. Als de rompsnelheid nu al niet gehaald kan worden, is het ontwerp door de bouwer niet goed gemaakt en zal ook de ombouw tot (dezelfde) problemen kunnen leiden. Voor een schip waarvan de motor over-gedimensioneerd is, volgt uit de tabel het benodigde vermogen bij de rompsnelheid.
• Bepaal het maximale vereiste motorvermogen. Stel je daarbij de vraag of je ooit de rompsnelheid wilt behalen of dat je tevreden bent met een lagere snelheid. In 99% van de gevallen zal een lager toerental (met corresponderende snelheid) als maximaal in de werkelijkheid worden gevaren. Simpelweg omdat trillingen, golven en brandstofverbruik exponentieel toenemen. Voor onze sleepboot lag het praktische maximale schroeftoerental op 470 i.p.v. 530 (rompsnelheid), dus 88% van het toerental bij maximaal vermogen. Voor de sleepboot betekende dit een 0,6 km/u lagere snelheid (15,3 i.p.v. 15,9) een reductie van 30 PK of wel een derde (!!!) van het vermogen. ELKE VERBRANDINGSMOTOR IN EEN BOOT IS OVERGEDIMENSIONEERD!!!!! Voor het ontwerp voor de sleepboot is gekozen voor 37kW vereist voortstuwingsvermogen.
• Bepaal het maximale toerental van de schroef (=max RPM elektromotor). Aan de hand van de proefvaart gegevens bepaal je nu het maximale toerental aan de schroef waarbij het vereiste maximale vermogen (uit punt 3) geleverd moet worden. Gebruik daarna onderstaande tabel om het aantal poolparen voor de asynchrone elektromotor te bepalen bij een frequentie van 50Hz. Voor de sleepboot is gekozen voor een pooltal van 12 (470 RPM).

1. Kies nu een industrie motor die het beste past bij de verkregen waarden. In ons geval is de keuze uiteindelijk gevallen op een 55kW/8-polig motor, omdat dit financieel veel gunstiger was dan 37kW/12-polig en de 55kW motor ook het vereiste vermogen kon leveren. Deze 55kW/8polig motor wordt later via de frequentieregelaar geprogrammeerd en uitgestuurd als een 37kW motor. Je kunt bij verschillende leveranciers een prijs opvragen voor een motor compleet met een frequentie regelaar. Kies als inbouwmaat de B3 type aanduiding (voet montage). Kleinere motoren (<10 kW) met bijpassende regelaars kunnen soms met 1 fase 230 Volt gevoed worden en met 3 fasen uitgestuurd. Voor de grotere motoren is dit altijd 3 fasen.

Stap 3: Bepaal de energie voorziening

Nu dat we het motor type hebben gekozen, kunnen we de rest van de technische (elektrische) installatie ontwerpen. Bij stap 1, deel 2 hebben we een tabel gekregen waarin alle toerentallen staan vermeld. Vrijwel elke schipper heeft een aantal voorkeur toeren waarbij hij prettig vaart. Meestal gekozen bij een bepaalde snelheid of geluid (trillingen). Kies uit de tabel de waarden die je graag vaart en daarbij de tijd in uren die je op 1 dag met die snelheid wilt varen. Als er meerdere snelheden zijn, bijvoorbeeld omdat je eerst een stuk op groot water wilt varen, en daarna nog een stukje op een klein water, geef je deze allebei op. Vermenigvuldig nu het gevraagde vermogen met het aantal uur en tel alles bij elkaar op. Onderstaande tabel is een voorbeeld en afkomstig van de berekeningen voor mijn sleepboot.

In deze tabel zie je drie met kleur gemarkeerde rijen. De blauwe rij is een veel gebruikte snelheid waarbij wij langzaam door een klein water varen, bijvoorbeeld de grachten in Amsterdam, of onze eigen Knollendammervaart. De groene rij is een snelheid die op kanalen gevaren wordt (Zaan, NH-kanaal, e.d.) De oranje rij is een snelheid die wij varen op het IJ, het Amsterdam-Rijn kanaal, IJsselmeer e.d. De kolom ‘kW’ is het benodigde vermogen dat de elektromotor opneemt bij die snelheid. In de praktijk ligt het opgenomen vermogen bij lagere toerentallen iets hoger door de lagere efficiëntie van een draaistroommotor bij lage stuurfrequentie. De kolom ‘uur’ is het aantal uur dat wij op één dag met die snelheid willen kunnen varen op accu’s. Het maximaal benodigde vermogen Pmax wordt dus vereist bij RPM 466 en bedraag 39,7kW.

De keuze die je vervolgens maakt wordt uiteindelijk bepaald door je portemonnee en de aanwezige ruimte of capaciteit voor het plaatsen van accu’s en generator. En er zijn vele opties mogelijk…….. Daarom introduceer ik hier een paar nieuwe ontwerp uitgangspunten.

1. Accu’s moeten tot maximaal 75% van de vereiste snelheid energie kunnen leveren. In ons voorbeeld betekent dit dat de snelheid tot ongeveer 11 km/u (de groene waarde uit de tabel) volledig op accu’s gevaren moet kunnen worden (15,3*75%= 11.4km/u). Die snelheid moet 2 uur lang gevaren kunnen worden. De totale hoeveelheid energie opslag is dan dus circa 10,5kW x 2h = 21 kWh. De waarde per uur (10,5kW) noemen we Pmaxaccu.
2. De grootte van de accu bank wordt bepaald door het type accu. Een AGM Loodaccu mag maximaal tot 50% worden ontladen omwille van de levensduur. Een LiFePO4 accu mag tot 100% worden ontladen (minder is beter). AGM is 3x zwaarder dan LiFePO4 en LiFePO4 is 3x duurder dan AGM. Ik heb voor de Cecilia gekozen voor AGM accu’s. De totale capaciteit is dan dus 21kWh/50% = 42kWh. Om een accu bank te maken hebben we de keuze tussen serie en parallel schakeling en een combinatie van beide. Hoe hoger de spanning, des te lager wordt de stroom, kan de bekabeling dunner (en dus goedkoper) en is het verlies lager. Een accubank van 4 accu’s van elk 220Ah in serie levert 48 V x 220Ah = 10.56 kWh. Er zijn dus 4 banken van elk 4 accu’s nodig waarbij de banken parallel worden geschakeld (4x 10.56 = 42kWh of 880Ah bij 48 Volt). In de praktijk is ook de ontlaadstroom (C-waarde) nog van belang om te bepalen of de vereiste tijdsduur gehaald kan worden. De capaciteit van een accu neemt namelijk af bij een hogere ontlaadstroom. In mijn situatie is gebleken dat ik maximaal 1,5 uur kan varen met een snelheid van 11 km/u (i.p.v. 2 uur). Omgekeerd is ook waar, bij een lage ontlaadstroom houdt de accu het langer vol.
3. Daar waar de accu’s niet meer toereikend zijn om de vereiste snelheid te behalen (de resterende 25%) of als de accu’s leeg raken, moet een generator stroom kunnen leveren. De benodigde generator capaciteit is Pmax – Pmaxaccu. Uit mijn tabel is dit 39,7kW-10,5kW=29.2kW (Pgen). Een generator draait het beste (rendement) op 70%-80% van zijn maximale capaciteit (Prime Power). We dienen dus een generator te kiezen die tussen 36,5 en 41,7 kWh Prime Power kan leveren.
4. Het knooppunt tussen accu’s, generator en de frequentieregelaar voor de elektromotor, wordt gevormd door Victron Multi (of Quattro) omvormers. Drie Multi’s kunnen worden samengesteld tot een 3-fase omvormer. De vereiste capaciteit is Pmax/3 en geeft het vereiste vermogen per omvormer. Rekening houdende met de Power factor 0,8 vraagt dit dan om drie stuks 5000 VA omvormers (4500 Watt continue). De keuze wordt ook bepaald door de maximale laadstroom voor de accu’s. De laadstroom mag maximaal 20% van de accu capaciteit zijn, dus 880Ah*0,2=176A. De laadcapaciteit van een 5000 VA Multi is 70A dus met 3 multi’s is er 210A capaciteit beschikbaar. De Multi omvormer heeft de beschikking over de functie Power Assist. Hiermee kan het maximaal te leveren vermogen uit de accu’s (Pmaxaccu) worden vermeerderd met een externe stroombron (Pgen). Pmaxaccu + Pgen = Pmax ! Dus 10,5+29,2 -39,7. In de praktijk betekent dit dat op volvermogen kan worden gevaren totdat de accu’s leeg zijn. Dan stopt Power Assist en blijft Pgen (29,2kW) over om door te varen. En als de snelheid dan wordt verlaagd tot circa 13km/h kan tot 176A*48V=8,5kW de accu’s worden geladen en blijft 29,2-8,5=20,7kW over voor de elektromotor.
5. De Victron omvormers besturen de generator (start/stop) afhankelijk van belasting en accu capaciteit. Zo wordt er dus optimaal (minimaal) gebruik gemaakt van de generator en dieselbrandstof. De 10,5 kW energie uit de accu’s is voldoende voor normaal manoeuvreren en kan kortstondig worden opgevoerd (enkele seconden tot wel 25kW) voor bijvoorbeeld hard achteruitslaan.

Stap 4: bepaal de verliezen en de overige energie behoeften (boordnet) en verwerk deze in de resultaten hiervoor.

Nu dat we alle waarden hebben uitgerekend moeten we nog rekening houden met eventuele verliezen en rendementen. Op mijn website tref je een testverslag waarin de verschillende verliezen zijn benoemd. Belangrijkste conclusies:

• Rendement van een elektromotor is laag (70%) bij lage vermogens. In de praktijk heb je daar echter geen last van.
• Verlies in DC bekabeling moet berekend en gecompenseerd worden in kabeldikte. Verlies tot 1,5% is acceptabel in relatie tot de meerprijs voor dikkere bekabeling.
• Als je vaker op hogere snelheden vaart, let dan op de C waarde van de accu’s. Het is dan beter om meer accu capaciteit te nemen.
• Het rendement van laden met walstroom wordt sterk beïnvloed door de lengte en dikte van het verlengsnoer. Verliezen kunnen oplopen tot 0,5% per meter!
• Schoon schip is bepalend voor maximaal vereist motorvermogen (Pmax) of de maximaal haalbare snelheid. Het is de afweging tussen de kosten voor jaarlijks ‘knippen en scheren’ of de kosten voor extra motorvermogen, accu’s en omvormers.
• Ga over op elektrisch inductie koken en gebruik de restwarmte van de generator voor warmwaterbereiding. Er is voldoende capaciteit aanwezig en het is veiliger dan gas.

Conclusie

Elektrisch varen is voor elk waterverplaatsend schip haalbaar. Met standaard beschikbare componenten kun je een veilige en betrouwbare voortstuwing maken waarbij de vaareigenschappen volledig behouden blijven. Het is verrassend hoe weinig voortstuwingsvermogen je eigenlijk nodig hebt. Elke schip met een verbrandingsmotor is over-gedimensioneerd en gooit dus brandstof en geld zomaar overboord. Door behoefte en voorraad optimaal op elkaar af te stemmen ontstaat een gebalanceerd systeem dat stil, comfortabel en energiezuinig is en veel ruimte kan besparen. En als je ten slotte toch nog het geluid van een Industrie, Brons of MWM motor mist, is een MP3 met goede geluidsinstallatie misschien een alternatief?

Volg mij op Twitter