Sleepboot van grote ronkende diesel naar elektromotor

19 juni 2018

Harold Halewijn is eigenaar van een in 1905 gebouwde sleepboot met een lengte van 13,5mtr bij 3,2 mtr breed en een waterverplaatsing van 22 ton genaamd Cecilia. Is het mogelijk om dit formaat boot elektrisch voort te stuwen? U leest Harold zijn verhaal hieronder.

Zware Dieselmotor

De motor 6-cil Caterpillar van 90pk was oud (1953) en erg zwaar om te bedienen. Om het wat makkelijker te maken rees de vraag: Is het mogelijk om een sleepboot van 22T een elektrische aandrijving te geven? En hoe sterk zou zo’n elektromotor dan moeten zijn?

Elektrisch varen is dat mogelijk?

Tijdens de Hiswa van 2013 liep Harold iemand tegen het lijf die aangaf dat hij wei- nig problemen ziet in het ombouwen van een sleepboot van 13,5 meter die 22 ton weegt. Harold vond dat wat te kort door de bocht maar is er hierdoor wel over gaan nadenken. Hoe zou zo’n aandrijving er dan uitzien? Hoeveel vermogen heb je nodig, hoeveel accu’s en andere spullen maar ook wat doe je als de accu’s leeg zijn? Veel vragen en hij heeft ruim een jaar naar de antwoorden gezocht.

Welk vermogen is er nodig voor Cecillia

Welk vermogen is er dan nodig om de boot voort te stuwen? Tijdens testen op toerentallen die vaak gebruikt werden (600, 900, 1200) blijkt dat de hoogst gewenste snelheid (bij 1200 RPM) behaald wordt met 28 kW vermogen aan de schroef (circa 38 PK)

Veel leveranciers voor elektrisch varen kiezen voor een gelijkstroommotor (DC) van 24/48volt en voor hogere vermogens wordt de spanning verhoogd. Maar een DC motor draait bij hogere spanning ook een hoger toerental (evenredig) waardoor er een reductie of keerkoppeling nodig is voor de Cecilia. Bovendien is deze oplossing nogal kostbaar.

Harold heeft gekozen voor een andere optie: een 3 fasen synchrone draaistroommotor. Deze kost met een frequentieregelaar ongeveer de helft van de kosten van een DC motor met besturing. Het nadeel van een 3 fasen synchrone draaistroommotor is dat de DC-accuspanning omgevormd moet worden naar een AC 3-fasen krachtstroom.

Motorkeuze voor elektrische aandrijving

Een draaistroommotor heeft een efficiëntie van ongeveer 93 procent. De rest wordt omgezet in wrijvings- en warmteverlies. Stel je neemt 90 procent om ook rekening te houden met kabelverliezen e.d. dan hebben is er voor deze sleepboot dus een motorvermogen nodig van minstens 28/0,9=31 kW. Met 37 kW moet er dus voldoende vermogen voorhanden zijn om 400 rpm te halen (1200/3) en een snelheid van 13,5 km/u te realiseren. Als 37 kW het maximaal opgenomen vermogen is (met een rendement van 90 procent is het werkelijk afgegeven vermogen 33,3 kW) bij een spanning van 380 Volt 3 fase, is de stroom 97 A en per fase 97/3 = 32A.

De energie kan op verschillende manieren geleverd worden.

Een heel lang verlangsnoer achter de boot, aangesloten op een 3-fase krachtstroom aansluiting.
Een diesel generator die het benodigde vermogen kan leveren.
Een omvormer die vanuit accu’s het benodigde vermogen kan leveren, eventueel gecombineerd met zonnepanelen.
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. Hiervoor is Harold indertijd terecht gekomen bij Victron Energy die een aantal forse omvormers en laders hebben die voor deze klus geschikt zijn.

Accu capaciteit berekenen

Om voldoende vermogen te kunnen leveren voor dit type installatie zijn er eigenlijk maar twee soorten accu’s die in aanmerking komen: tractie accu’s zoals in een heftruck of Lithium-iON accu’s. Die LiON accu’s nemen de helft minder ruimte en gewicht in maar zijn 3x zo duur. LiON viel tijdens het maken van de keuze een aantal jaren geleden af.

Stel dat je 2 uur wilt kunnen varen op kruissnelheid, dan heb je 12kW/48Volt*2uur = 500 Ah accucapaciteit nodig. Maar omdat je een tractie accu niet verder mag ontladen dan 50 procent om voortijdige veroudering te voorkomen, heb je voor de veiligheid 1000 Ah bij 48 Volt nodig. Een tractie accu kan overigens tot 80 procent worden ontladen (gaat wel ten koste van de levensduur) dus er kan óf een kleinere capaciteit worden gekozen of er kan langer worden gevaren. Voor een snelheid van slechts 6 km/ uur is een vermogen van 4 kW nodig er kan dan 6 uur elektrisch worden gevaren met deze snelheid voordat de accu’s leeg zijn bij een 1000ah accupakket.

Accu’s laden

Maar wat doe je als de accu’s leeg zijn of als er een hogere snelheid dan 10,5 km/u nodig is? De oplossing: een efficiënte diesel generator. Als de accu’s 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. Maar 10kW generator capaciteit is natuurlijk niet voldoende, we willen tegelijkertijd met het laden ook nog kunnen varen.

Voor het laden is 10 kW nodig en voor het varen op kruis- snelheid 12 kW, totaal dus 22 kW aan generator capaciteit. Rekening houdende met 10 procent verlies in de omvormers en laders moest er uitgegaan worden 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 procentgeladen en pas na 5 uur geheel geladen.

Als de generator 24 kW kan leveren én de Victron multi con guratie 12 kW is er samen 36 kW beschikbaar om de elektromotor (bijna) vol uit te sturen. Wanneer de accu’s 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. Eventueel als we stilliggen op een zonnige dag zullen de beide zonnepanelen op de stuurhut ook een heel klein beetje meehelpen (0,4 kW/u). Tot slot kunnen we met de Victron Multi’s ook de ‘huiselijke’ energiebehoefte leveren waarbij voor warmwater bereiding het koelwater van de generator wordt gebruikt. Ook koken ze elektrisch koken, hierdoor is er geen gas meer aan boord.

Accu’s plaatsen

Accu’s totaal 18 stuks, 16 stuks AGM 214Ah accu’s en 2 voor het 24 volt boardnet. Voor de voortstuwing worden de 16 accu’s in 4 banken van elk 4 accu’s geplaatst. Totaal dus 840Ah bij 48 Volt. Harold heeft nog overwogen om een DC omvormer te nemen die van 48 Volt 24 Volt maakt voor het boardnet. Maar hij had de accu’s en de lader nog liggen en heeft besloten deze gewoon opnieuw te gebruiken. Aan bakboordzijde heeft hij meer accu’s geplaatst dan aan stuurboord- zijde. Het schip is van zichzelf scheef en hiermee kon hij mooi balanceren. Het totaal gewicht van de boot is ongeveer gelijk als voor de hele operatie maar de stabiliteit is fors toegenomen omdat de accu’s op het laagste punt liggen.

De 4 banken van elk 4 accu’s zijn gegroepeerd geplaatst om de onderlinge verbin- dingskabels zo kort mogelijk te houden. Ik heb telkens de langste kabel opgemeten en deze dan vier keer nagemaakt. De kabels tussen de accu’s en de distributiepunten zijn 35mm2. De kabels tussen de distributiepunten onderling zijn dubbel uitgevoerd 70mm2. In principe moeten de kabelverliezen hiermee voldoende beperkt zijn.

1e ervaringen met elektrisch varen

Voor een gangetje van 10 km/u heb je voldoende aan 12 PK ofwel een kleine 9 kW! Waarom wil je dan een 80PK dieselmotor?
Boven de circa 950 RPM schakelen de Victrons automatisch over op het aggregaat. Er is veel gevaren met de elektrische sleepboot. Veel korte stukken maar ook een ‘duurtests’ zijn er uitgevoerd. Belangrijk om gegevens te noteren van het varen, het accu gebruik en het opladen. Aan de hand van bevindingen zijn er nog wat parameters in de Victron omvormers aangepast. Verder was er toen een goed beeld van de omzetverliezen die optreden bij het laden en ontladen van de accu’s. En dat leverde weer wat werk op.

Harold ging ervan uit dat de accu’s wel tot 20kWh konden leveren (840Ah*- 48Volt=40kWh dus bij 50 procent discharge rate=20kWh). Maar deze waarde is al- leen geldig bij een ontlaadstroom van C20 (214Ah/20=10,7A). In ons geval is de ont- laadstroom totaal 220A. Gedeeld door 4 (aantal accubanken) levert dit per accubank een ontlaadstroom van 55A. En volgens de opgave van de accu fabrikant Leoch is dit C3 met een bijbehorende capaciteit van 160Ah.

Dus 160*4=640 * 48 Volt *50 procent = +/- 15kWh. Het klopt dus allemaal. Maar wel iets om rekening mee te houden. Als je vaker een hogere ontlaadstroom verwacht, vermeerder dan de totale accucapaciteit. Andersom is ook waar, als er op laagvermogen gevaren wordt doe je ook veel langer met de accu’s en is meer dan 15kWh wel haalbaar.

Varen op het aggregaat

Daarbij is gezocht naar een optimaal laadproces voor de accu’s en voldoende power voor de motor. Door het motortoerental op te voeren tot circa 340rpm (circa 12,8kW, 11,5km/u) is de laadstroom voor de accu’s 9,5kW. Totaal levert het aggregaat dan 22kW. De belasting van het aggregaat is dan 62,5 procent. Dit is lager dan het gewenste niveau van 80 procent en is te beïnvloeden door parameters op de Victron te veranderen. Eigenlijk kun je stellen dat er bij 340 RPM nog generator vermogen over is maar de maximaal opgenomen laadstroom gedimensioneerd wordt door de accu’s. Een groter accu pakket behoord dus tot de toekomstige mogelijkheden.

De stilte van elektrisch varen is enorm. Zo erg dat je je aan andere dingen gaat ergeren. Zo hoor je het schroefwater tegen de onderkant van het schip, vooral bij een vermogen vanaf 8-9 kW. Het meest hinderlijk is het zingen van de schroef. Dat was natuurlijk altijd al maar dat viel door het geronk en getril van de Caterpillar niet zo op.

Accu problemen met elektrisch varen

Na een jaar met veel tevredenheid elektrisch te hebben gevaren, bemerkte Harold serieuze problemen. Het eerste signaal was dat de generator eerder aansprong. Een snelle blik op de meetinstrumenten leerde dat de accuspanning onder een vooraf ingestelde drempel viel. Deze drempel was ingesteld op 48,8 Volt. Aanvankelijk werd gedacht dat de accu’s vanwege hun nieuwigheid meer dan de specificaties konden leveren en dat na 12 ontladingen van 65 procent de accu’s nu ‘ingewerkt’ zouden zijn. De grenswaarde verlaagd, maar dat hielp niet. De generator sloeg al snel weer aan omdat de lage spanning bereikt werd. Na enkele keren varen was dit al op het bedenkelijke niveau van SoC=80 procent. De accu’s konden het vermogen dus niet meer leveren dat nodig was om te kunnen varen. Dit vroeg om grondig onderzoek.

Accu’s balanceren kan een oplossing zijn.

Tijdens de ontwerpfase was er bewust gekozen voor de AGM accu in plaats van een tractie accu, niet alleen vanwege de prijs of de fysieke maatvoering. Een AGM accu heeft een gemiddelde gebruiksrange van 50 procent terwijl een tractie accu tot 70 procent kan gaan. Door de AGM accu’s serieel/parallel te schakelen kon Harold toch de gewenste ontlaadstromen krijgen en voldoende capaciteit. Maar daar waar de cellen van een tractie accu redelijk gebalanceerd zijn, blijken de interne weerstandsverschil- len van AGM accu’s onderling in de praktijk behoorlijk te verschillen, ondanks een le- vering uit dezelfde productie. Het wordt nog veel erger als blijkt dat de laadspanning van één accu in een string zover stijgt dat de AGM accu toch gaat gassen. Boven een spanning van 15Volt kan dat zomaar gebeuren. En in één van mijn eerdere tests werd er met gemak 17Volt bereikt. Ga maar na, 4 accu’s in verschillende ladingstoestand bijv. A:13,6 + B:13,8 + C:17 + D:14,6 = 58,8Volt. Voor de lader niets aan de hand, die denkt dat de absorptie fase is aangebroken en houdt dit wel een paar uur vol. Maar accu C is al vol en wordt dus overladen, D is bijna vol en A en B nog lang niet. Eigenlijk is daar met AGM accu’s (geldt ook voor gel) maar één oplossing voor: de balancers die te laat geplaatst zijn moeten het onbalans alarm signaal doorscha- kelen naar de laders zodat deze onmiddellijk stoppen met laden om onderladen/ overladen te voorkomen.

De leverancier wil graag meedenken in het vinden van een oplossing. En volgens hen komt een tractie pakket dan het dichtst in de buurt. Garantie van
accuproducent Leoch is niet te verwachten. De loodprijs is op dit moment redelijk hoog, dus er is enige inruil maar alles bij elkaar kost deze hobby dus best veel geld. Door opgedane kennis tijdens Lithium training is Harold nu op zoek naar alternatieven om zijn accuprobleem op te lossen.

Lithium accu’s in Cecilia

Na de problemen met de AGM accu’s is Harold in 2017 voor de sleepboot Cecilia op zoek gegaan naar een oplossing voor zijn accu’s. In eerste instantie een offerte aanvraag gedaan voor Winston LifePo4 cellen van 400A. De cellen moeten serieel geschakeld worden om de cellen goed te kunnen beschermen moet er een uitgebreid BMS-systeem geïnstalleerd worden. Deze BMS zorgt ervoor dat de cellen bewaakt worden en tijdens het laden gebalanceerd worden. Deze losse cellen moeten dan wel samengebouwd worden en dan moeten ook de individuele bms modules op de cellen gemonteerd worden. Dat is een punt wat gevoelig gaat zijn voor storingen. Daarbij de prijs van het systeem incl BMS kwam al snel richting de € 11500,- waardoor er nog even voor gekozen is om door te varen met het huidige accupakket. Maar in de winter van 2017 – 2018 was de overgebleven capaciteit nog maar voldoende om 30 min elektrisch te kunnen varen. Nu was het toch wel duidelijk dat er echt iets moest gebeuren.

Uiteindelijk is Harold in 2018 benaderd door Wolter Buikema van ACES Energy BV | Lithium accu’s. Wolter heeft een aantal jaren geleden een serie lithium accu’s en laders ontwikkeld. In 2017 zijn er een 100-tal proefmodellen verkocht en deze zijn in verschillende omstandigheden getest. De testen waren positief en hierop zijn later in 2017 de Aces lithium accu’s voor een groter publiek beschikbaar gekomen. De Aces accu’s worden in Nederland ontwikkeld ook het BMS en de behuizing maar het geheel wordt in China geproduceerd.

De technische specificaties van de Aces accu’s was dusdanig dat het Harold zijn interesse gewekt had. Hierop heeft Harold, Wolter ontmoet tijdens de Boot Holland beurs Leeuwarden en alles doorgesproken. De accu’s zijn geen LiFePo4 accu’s maar de samenstelling is Nikkel Mangaan Cobalt oftewel de NMC. Groot voordeel van de NMC cellen zijn een veel hogere energie dichtheid. Nadeel kan zijn dat er een iets hogere interne weerstand is wat voor hoger laad- en ontlaad-stromen kan zorgen. Maar voor de toepassing in de sleepboot Cecilia valt dit allemaal ruim binnen de specificaties. Hierop heeft Harold 2 stuks 48volt 200A (AL48V200HP) besteld. Helaas wel een behoorlijke levertijd maar na een 5-tal maanden zijn ze geleverd.

De accu is volledig IP67 dus waterdicht. De behuizing is van RVS en goed geseald. Met 2 van deze accu’s heeft Harold een bruikbare capaciteit van 360A op 48volt want de accu mag maximaal 90% ontladen worden. Een mooie voordeel van deze accu is dat alle veiligheidssystemen ook in de accu gebouwd zitten. Er hoeft niet apart nog een BMS geplaatst te worden. De accu heeft ook een ingebouwde kortsluitveiligheid, dit ism de BMS zorgt voor bescherming bij te hoge ontlaatstromen, te ver ontladen, temperatuur. Deze accu kon zo geplaatst en aangesloten worden. De Aces accu’s wegen 85kg per stuk dat is totaal een verschil van 800kg met het oude accupakket. De instellingen van de laders moest iets worden aangepast omdat deze oorspronkelijk voor loodaccu’s waren afgesteld. Harold is nu verschillende tests aan het doen en wil zijn opgedane ervaring gaan delen zodat nieuwe klanten van Aces hier profijt van kunnen hebben. Met de oude accu’s uit Cecilia gaat Harold waarschijnlijk een thuis batterij maken om zijn zonne-energie op te slaan.

Zoals u boven heeft kunnen lezen is het dus mogelijk om een grote sleepboot om te bouwen naar elektrisch varen. Het vergt wel wat aanpassingen en ook de stroomvoorziening geeft een uitdaging. Hopelijk gaat de komende jaren de energieopslag nog vele malen verbeteren waardoor het elektrisch varen ook voor grotere boten meer binnen hand bereik komt.