-
1. Waarom elektrisch varen?
-
Alleen elektrische aandrijving (ook bij auto’s) biedt vandaag de dag de mogelijkheid tot nagenoeg volledig CO2-vrije mobiliteit, tenminste als de batterijen worden geladen met groene stroom. Het gebruik van bio-brandstoffen is slechts CO2-neutraal. Los van het ontbreken van uitstoot, betekent het gebruik maken van schone, elektrische energie ook dat we minder afhankelijk zijn van energiebronnen elders in de wereld. De beperktere hoeveelheid energie, die in batterijen wordt meegenomen, zorgt er bovendien voor dat er efficiënter met energie wordt omgegaan.
-
2. Waarom is elektrisch varen energetisch efficiënter dan het rechtstreeks aandrijven met een verbrandingsmotor?
-
Het grootste deel (circa 75%) van de energie die in verbrandingsmotoren vrijkomt, wordt als warmte afgevoerd. Ondanks alle tussenschakels bij het opwekken van elektriciteit - opwekken, distributie, opladen van batterijen en weer ontladen - is deze energieketen toch nog een paar procent efficiënter. Daarin helpt het benutten van de restwarmte die bij de opwekking ontstaat ook wel mee.
Daarnaast geldt dat een verbrandingsmotor maar in een beperkt deel van het toerenbereik 'efficiënt' is. De elektronaandrijving onderscheidt zich omdat deze nooit stationair draait en alleen energie opneemt wanneer dit nodig is voor de voortstuwing. Het voordeel wordt dus groter bij schepen met veel starts en stops. In de zeescheepvaart wordt daarom al sinds 1980 - met name bij cruiseschepen - dieselelektrische aandrijving toegepast. Dit soort schepen doen vrijwel dagelijks een haven aan en mken zodoende ook veel starts en stops. Bovendien is zo’n aandrijfsysteem ondanks de dieselgeneratoren toch stiller.
De vier Rolls Royce Mermaid POD’s van de Queen Mary II
-
3. Hoeveel vermogen heb ik nodig voor mijn boot?
-
De algemene vuistregel is 2 kW per ton waterverplaatsing om de rompsnelheid te bereiken (dit is 2.74 Pk). Dit geldt voor boten met een waterlijnbreedte en lengteverhouding van 33%. Is een boot naar verhouding breder, dan moet er dus nog meer water opzij geduwd worden en is er dus meer vermogen nodig. Het is niet voor niets dat wedstrijdroeiboten altijd lang, smal en vooral licht gebouwd zijn.
De theoretische rompsnelheid is de maximum snelheid van een waterverplaatsende boot en wordt berekend vanuit de waterlijnlengte (2.45*√ waterlijnlengte). Rompsnelheid is de snelheid waarboven het extreem veel meer energie gaat kosten om nog sneller te gaan. U ziet dat ook bij boten die over hun rompsnelheid heen gaan, ze trekken dan hele grote golven. En dat is dus allemaal energieverlies. Voor elektrisch varen mag u er vanuit gaan dat er niet harder gevaren wordt dan de rompsnelheid. Een paar voorbeelden:
Een rubberboot (RIB) met een lengte van 3.10 meter en een breedte van 1.55 meter (dus 50%), met een gewicht van 40 kg. Door de slechte breedte-lengteverhouding heeft zo’n RIB 2,4 kW per ton waterverplaatsing nodig. Dat komt voor dit bootje inclusief batterijpakket uit op 0,8 kW en dan is de rompsnelheid 7,9 km/u.
Als er gekeken wordt naar een grotere RIB van 6.30 meter bij 2.50 meter (dus 39%), die 570 kg weegt, dan is per ton waterverplaatsing nog 2,2 kW nodig. Het vereiste motorvermogen komt - incl. batterijpakket - op 1,8 kW en dan vaart u maximaal 11,3 km/u. Een open polyesterboot van 5.30 meter bij 1.9 meter (dus 36%), met een gewicht van 350 kg, heeft maar 2,1 kW vermogen nodig per ton waterverplaatsing. Het komt dan inclusief batterijpakket uit op 1,3 kW en dan is de rompsnelheid 10,4 km/u.
Een kruiser van 12.5 meter bij 3.75 meter (dus 30%) heeft maar 2 kW per ton waterverplaatsing nodig. Dit komt voor dit schip inclusief batterijpakket uit op 24,5 kW en dan is de rompsnelheid 15,6 km/u.
-
4. Waar zit de grote milieuwinst in?
-
Zoals u bij de vraag 3 heeft kunnen lezen, valt het benodigde motorvermogen, bij het aandrijven van de boot met e-motoren, nogal mee. Achter het kleinste rubberbootje uit de voorbeelden hangt minstens een 4 Pk motor. De wat grotere RIB zult u niet aantreffen met een motor onder de 25 Pk. Het polyesterbootje heeft bijna altijd een 9.9 Pk motor en in de kruiser staat een 90+Pk dieselmotor.
Met dit soort motoren zijn al die boten dus overpowered en in bovenstaande berekeningen hadden we zelfs al het extra vermogen - van de batterijpakketten aan boord - meegerekend. Het grote voordeel van elektrisch varen zit hem in de milieuwinst. Met de overbemeten motoren van nu gebeuren er twee dingen:
-
of er wordt harder dan de rompsnelheid gevaren, waardoor het energieverbruik extreem toeneemt;
-
of men vaart er rustig mee en dan vervuilen de motoren verhoudingsgewijs weer meer dan bij vollast.
Dit is de aandrijving van de Tjet Rixt een boeier met een waterverplaatsing van 16 ton.
-
5. Is elektrisch varen al wel voldoende (uit)ontwikkeld?
-
Dat kunnen we eigenlijk pas over twintig jaar zeggen. Als er wordt gekeken naar de combinatie van motoren en motorcontrollers waar inmiddels efficiency waarden van dik in de 90% worden gespecificeerd, dan is daar niet zoveel winst meer te halen, al zijn er marktpartijen die claimen hier nog een paar procenten te kunnen winnen.
Op het vlak van batterijtechniek is nog wel veel te winnen. Er wordt op dit moment, zowel aan het verbeteren van de lood- als de lithiumtechnologie, wereldwijd veel onderzoek gedaan. Dit wordt vanuit de automotive sector aangejaagd en daar kunnen we goed op meeliften, waarbij ook hier algemeen de verwachting is dat de prijs voor lithium per kWh nog wat zal dalen.
Ook voor loodbatterijen zijn er op dit moment ontwikkelingen die veelbelovend zijn. Als het lukt leiden die tot een product qua performance midden tussen lood en lithium en met een kWh prijs net boven die van AGM batterijen.
De grootste winst is echter te halen bij het bootontwerp en de bouwwijze, al is dit niet specifiek iets voor elektrisch varen, het helpt energetisch voor boten met verbrandingsmotoren evenzeer. Het gaat dan om lichter bouwen, dus minder waterverplaatsing, een beter onderwaterschip en meer ruimte in het schroefraam voor andere efficiëntere schroeven. In de zeevaart en binnenvaart wordt op dit vlak al kleine stappen gezet. Dit zou moeten doorvloeien naar de recreatievaart.
-
6. Zijn er wel voldoende laadpunten?
-
Voor de ontwikkeling van elektrisch of hybride varen is de beschikbaarheid van een voldoende laadinfrastructuur van vitaal belang. Tot nu toe hadden we met e-varen een grote voorsprong ten opzichte van het e-rijden, immers de meeste steigers hebben wel stroom. Die voorsprong droogt echter wat op, omdat de capaciteit van veel van die aansluitpunten onvoldoende blijkt te zijn voor de - voor e-varen met wat grotere boten - gewenste laadstromen.
Onvoldoende capaciteit was overigens ook voor gewone jachten de laatste jaren al een toenemend probleem. De industrie is daar met het leveren van chargers/inverters met boostfunctie op ingesprongen. In de boost modes wordt dan, bijvoorbeeld om te kunnen koken, een stukje energie uit het batterijpakket benut, wat dan later weer teruggeladen wordt. Inmiddels zien wij in veel nieuw aangelegde jachthavens dat daar de capaciteit op 16 Amp per aansluiting wordt gelegd. Op dit moment streeft men er, in bijvoorbeeld de Provincie Friesland, naar om de capaciteit van de walstroominfrastructuur op te krikken. Er zijn daar zelfs ook al paaltjes met krachtstroom.
-
7. Waarom kiezen mensen nu al voor elektrische aandrijving?
-
Hier bestaan meerdere redenen voor. Om te beginnen de macro milieuproblematiek, maar ook het vaarcomfort. Het manoeuvreren met een elektrisch aangedreven schip is echt een belevenis. Het vaart veel gemakkelijker doordat steeds direct het volle motorvermogen beschikbaar is, zowel vooruit- of achteruitvarend. Maar ook de (micro)milieuaspecten zijn belangrijk; het niet meer in uw eigen stank hoeven varen, is een groot voordeel. Tenslotte is de stilte een belangrijke reden. Dit is toch wel het grootste directe eigen genot; kunnen varen met alleen het kabbelen van het boegwater en vervolgens genieten van de geluiden van de natuur om u heen.
-
8. Kan ik zelf de ombouw van diesel naar elektrische aandrijving doen?
-
Eigenlijk niet. Ook al bent u nog zo’n getalenteerd knutselaar, hier komen namelijk een aantal zaken bij kijke, die u niet kent, of waarvoor u ook niet het gereedschap heeft. Bijvoorbeeld het afstellen van de software-settings van de motorcontroller voor uw eigen boot. Ook het ophangen van de motor en de plaatsing van het schroefassysteem steekt veel nauwer, als u tenminste een stil functionerende aandrijving wilt hebben.
Wat u natuurlijk wel zelf kunt doen is het demonteren van uw diesel en alle ingrediënten die daarbij hoorden. En in overleg met degene die de inbouw gaat doen, zou u de plek(ken) waar de batterijen komen te staan kunnen voorbereiden.
-
9. Moet ik mijn bestaande diesel opgeven als ik elektrisch wil gaan varen?
-
Nee, het hangt weliswaar van uw vaarwensen af, maar het kan een goed idee zijn de bestaande diesel juist te laten staan en er een e-motor aan toe te voegen. Er ontstaat dan een zogenaamde parallel hybride installatie, waarbij zowel diesel als de e-motor de schroefas kunnen aandrijven. Onafhankelijk van elkaar en afhankelijk van de software-settings zelfs gelijktijdig. Maar de e-motor kan dan ook als dynamo gebruikt worden om al dieselend de batterijen op te laden. Deze oplossing kan natuurlijk ook met een nieuw te plaatsen diesel. Dit lijkt te kunnen met e-motoren tot 20 kW in combinatie met diesels tot circa 200 Pk.
Er zijn inmiddels ook een aantal dieselmotorfabrikanten, die de e-motor in het vliegwiel van de dieselmotor hebben geïntegreerd.
-
10. Ik ga een boot bouwen, moet ik nu kiezen voor een inboard, outboard, of een POD?
-
Voor de kleinste boten is een outboard te overwegen, maar hou daarbij wel rekening met de extra diefstalgevoeligheid. Voor grotere boten is het eigenlijk om het even of u kiest voor een inboard of een POD, althans in vermogens tot 20 kW. De POD is weliswaar iets duurder, maar bespaart ook weer de kosten van een schroefasinstallatie en het timmeren van een motorkist. De POD heeft als voordeel dat deze in de boot ruimte bespaart en als u voor een stuurbare POD kiest bevordert dit de manoeuvreerbaarheid, al is er alleen stuurwerking zolang de schroef draait. Hier moet je beslist wel even aan wennen en is dus daardoor misschien iets minder geschikt voor verhuur toepassingen. Een goede tussenoplossing is het in het roerblad opnemen van de POD, al kan dit alleen bij schepen met een redelijk haaks op de kielbalk staand hek.
Maar bij de keus tussen inboard en POD speelt nog een aantal andere zaken zoals voorkeur voor toe te passen motortechniek, en dan gaat het om efficiency en geluidniveau.
-
11. Wat is de meest efficiënte en de meest stille e-motor?
-
De borstelloze permanentmagneet z.g. synchroonmotoren zijn met > 90% het meest efficiënt. Ze zijn doorgaans niet helemaal stil en duurder vanwege de zeer geavanceerde bouwwijze en de complexe bijbehorende vermogenselektronica.
De permanentmagneetmotoren met borstels zijn goedkoper. Ze zijn echter door de borstels ook niet stil en halen bij vollast een efficiency van 88%. Dit percentage daalt als er minder vermogen gevraagd wordt. Dit motortype is echter alleen beschikbaar (zonder reductie) tot vermogens van 5 kW.
Het meest stil zijn de z.g. a-synchrone motoren. Deze halen afhankelijk van de motorgrootte een efficiency van 89%. Dit percentage blijft door vrijwel het hele toerenbereik ook gelijk. Dit type motor heeft voorts de eigenschap om tijdelijk tot wel 75% meer vermogen dan het nominale motor af te geven, al loopt daarbij de efficiency wel wat terug. Deze motoren zijn veelal wat groter en zwaarder en hebben ook een wat ingewikkelder vermogenselektronica.
De meest goedkope motor is de seriegewonden motor met borstels. De efficiency van deze motor ligt doorgaans aanzienlijk lager en hij is door de borstels ook niet stil. Dit motortype wordt dan ook nauwelijks meer toegepast.
Bovengenoemde efficiencyverschillen en prijsindicaties gelden voor de combinatie van motor en vermogenselektronica. De keus welke motortechnologie in uw specifieke situatie het meest geschikt is, hangt van veel factoren af. Al kun je wel, dankzij de hoge mate van stilte, zeggen dat de a-synchrone motor het meest voor de hand ligt.
-
12. Is er net als voor auto’s ook een range extender voor boten?
-
Ja, in wat grotere sloepen en in kruisers wordt er een kleine generatorset geplaatst, die al varend bij langere tochten de extra benodigde energie levert. Deze mag maximaal een vermogen (voor de Friese subsidieregeling Schoon Varen geldt als maximum 60% van het geïnstalleerde E-motorvermogen) hebben van 20% van de capaciteit van het batterijpakket, omdat anders op het moment dat de motor geen energie vraagt de batterijen overladen worden.
In plaats van een op diesel draaiende generatorset kan ook een brandstofcel worden toegepast. Deze maakt dan vanuit waterstof of ethanol elektriciteit aan. Er zijn inmiddels twee boten in Nederland die hiermee zijn uitgerust. De technologie is tamelijk complex en nog extreem kostbaar.
-
13. Kan ik al zeilend elektriciteit opwekken?
-
Ja, dat kan. U moet zich er echter van bewust van zijn dat het 'zeilend terugladen' van de verbruikte elektriciteit in één uur tijd op de E-motor bij snelheid x, meer dan drie uur zeilen bij diezelfde snelheid vergt. Dit komt doordat het schroefrendement doorgaans ligt op 50% en de schroeven voor voorwaartse stuwkracht zijn geoptimaliseerd.
Gebruikt u op uw zeilschip een klapschroef of een schroef met vaanstand, dan heeft u dus de keus om wel of niet te regenereren. Regeneratief zeilen is bij uitstek geschikt als u per dag langere afstanden aflegt.
-
14. Hoe kies ik een batterijpakket?
-
Batterijen zijn er in veel soorten en maten en daarbinnen ook nog toegespitst op verschillende toepassingen:
Zo zijn startbatterijen er op gebouwd om in korte tijd heel veel energie af te geven, maar ze mogen beslist niet al te diep ontladen worden. Daarmee zijn ze dus volledig ongeschikt voor elektrisch varen.
Dan zijn er z.g. stationaire batterijen, deze hebben een erg lange levensduur en worden toegepast in UPS-systemen van bijvoorbeeld telecominstallaties. Er bestaan binnen deze soort batterijen echter wel types die zich voor cyclisch gebruik (het regelmatig ontladen en weer opladen) lenen.
De volgende categorie is de tractie- of semitractie batterij. Deze is er in drie uitvoeringen: de z.g. 'open-nat', de AGM en de GEL-uitvoering. Deze batterijen zijn juist gemaakt voor cyclisch gebruik en niet zo geschikt voor piekbelastingen. Het heeft daarnaast ook een (type afhankelijk) wat kortere levensduur. Dit type is het meest geschikt voor elektrisch varen.
Voor alle - voor cyclisch gebruik bedoelde - batterijen (tot en met lithium) geldt dat ze zich het beste houden als ze niet zwaarder worden belast dan een vijfde van hun z.g. 20 uurs ontlaadcapaciteit. Dus bij een 4 kW motor hoort een batterijpakket van 20 kWh.
Een batterij mag ook nooit helemaal leeg gevaren worden. De uiterste ontlaaddiepte is 80%. Gaat u verder, dan wordt de levensuur van de batterij sterk verminderd. Voor een aantal batterijtypen geldt zelfs 50% of 60% vermindering. Dit komt er op neer dat u beter een wat groter dan een kleiner batterijpakket kunt installeren. Echter, er zijn een aantal omstandigheden waar toch van deze hoofdregel moet worden afwijken, zoals bij te weinig ruimte, of wanneer de boot te zwaar wordt. Of u vindt het te duur en verwacht niet zo vaak met de boot te zullen varen. Dan doet de levensduur er immers ook minder toe, want die wordt dan toch ingehaald door de algemene veroudering van de batterij.
Voor de keuze tussen voltractie, semitractie, AGM of Gel zie vraag 17.
-
15. Hoe lang kan ik puur elektrisch varen?
-
Met de vuistregel - dat de capaciteit van een batterijpakket tenminste een vijfvoud van het maximum vermogen van de E-motor moet zijn - in het achterhoofd, is één batterijpakket doorgaans voldoende zijn om er een dag mee te kunnen varen. Daarbij gaan we er vanuit dat op circa 70% van de rompsnelheid wordt gevaren.
Het laden van batterijen
Net als bij ontladen geldt ook voor opladen, dat de laadstroom maximaal een vijfde van de capaciteit van het batterijpakket mag zijn. Daarnaast geldt ook een minimale laadstroom van 10% van de batterijcapaciteit, anders wordt het chemische proces in de batterij niet voldoende geactiveerd.
Loodbatterijen kunnen het best direct na elke ontlading weer helemaal opgeladen worden (zie hiervoor ook de vraag over de levensduur). De loodbatterijen moeten altijd geheel opgeladen worden opgeslagen, zeker als het vriest. Ze lopen echter zelf ook al een beetje leeg, daarom moet u de batterijen minimaal eens in de twee maanden weer helemaal volledig opladen.
Laders zijn er in allerlei soorten. Volg altijd het advies op, over de bijpassende lader, dat de leverancier van de batterijen u geeft. Houd u daarnaast aan de gebruiksinstructies.
Batterijconditiemeter
Dit is een meetinstrument dat u informeert over de beschikbare resthoeveelheid energie terwijl u vaart. De capaciteit van batterijen wordt door fabrikanten doorgaans gespecificeerd als de ontlading in 20 uur en de ontlading in 5 uur. In het laatste geval is de capaciteit groter, namelijk circa 80% ten opzichte van de batterij met een capaciteit van 20 uur. Hoe harder een batterij moet werken des te minder energie er in totaal in die cyclus komt. Dit fenomeen werd ooit ontdekt door professor Peukert. Dit z.g. Peukert effect is specifiek voor bepaalde batterijtypen en heeft te maken met de bouwwijze van de batterij en de hoeveelheid en de zuiverheid van het toegepaste lood.
De microprocessor in uw batterijconditiemeter houdt niet alleen bij hoeveel stroom u heeft verbruikt, maar ook de hoeveel per tijdseenheid. Aan de hand van de in de meter ingevoerde Peukert-kromme wordt de nog aanwezige restvoorraad benutbare energie berekend. De berekening houdt natuurlijk ook rekening met de maximale ontlaaddiepte van uw type batterijen.
U begrijpt dat het van vitaal belang is dat bij het opleveren van een installatie deze meter goed geprogrammeerd wordt.
-
16. Wat is de levensduur van batterijen?
-
Batterijen zijn onderhevig aan een algemeen verouderingsproces dat - dit is type/merkafhankelijk - tussen de 5 en 12 jaar ligt. Daarnaast slijt een batterij door het laden en ontladen en gaat dus gaandeweg minder goed presteren. Algemeen wordt een batterij als 'versleten' aangemerkt als de prestatie tot 80% is terug gelopen.
De levensduur van batterijen wordt uitgedrukt in het aantal keren dat u ze kunt ontladen en weer opladen. Dit aantal is overigens vrijwel lineair afhankelijk van de toegepaste ontlaaddiepte. Hoe dieper u een batterij ontlaadt hoe harder deze slijt.
De meningen van deskundigen lopen wat uiteen als hte gaat om de vraag of er ongeacht de ontlaaddiepte sprake is van een z.g. cyclus à la het afstempelen van een rit op een rittenkaart. Ik denk, kijkend naar specificaties zoals sommige fabrikanten afgeven, te kunnen constateren dat ontladingen tot 30% in de levensduur niet een z.g. hele cyclus kosten (voor lithium geldt dit in ieder geval wel). Hoewel ik overigens wel aanbeveel loodbatterijen na elke ontlading direct weer volledig op te laden.
Probleem is echter dat fabrikanten best zorgvuldig - aan de hand van laboratoriumtests - de prestaties van hun producten specificeren, terwijl de praktijk aan boord heel anders is. Bijvoorbeeld: geen constante temperatuur van 26 graden Celsius, gebruik van de batterij bij 5 graden en geen constante belasting, maar ook wisselende belasting met stevige pieken, bijvoorbeeld als u achteruitslaat om te remmen. Voor dit laatste is na een lange tocht de al wat dieper ontladen batterij ook nog eens extra gevoelig.
Maar niemand houdt echt bij hoe diep en hoe vaak en bij welke temperatuur batterijen werden ont- en opgeladen. Dus de getallen voor levensduur in cycli zijn met name interessant om batterijen onderling te vergelijken. Er zijn overigens wel laders op de markt die tot tien jaar toe het cyclische gebruik van een accupakket in hun geheugen kunnen loggen, zodat we achteraf alle informatie in detail hebben.
Doorgaans kunnen overigens de uit praktische levensduur te berekenen z.g. slijtagekosten van batterijen wel vergeleken worden met de som van jaarlijkse onderhoud- en periodieke vervangingskosten van een dieselmotor.
-
17. Welk type batterijen moet ik kiezen?
-
Over welk type batterij u het beste kunt gebruiken, lopen de meningen van deskundigen sterk uiteen. Ik denk dat u met het onderstaande een verstandige keuze maakt.
Natte lood tractiecellen, of lood tractieblocks, hebben als voordeel dat ze de meest gunstige prijs/W/kg/volumeverhouding (in hun meest toegepaste maatvoeringen) hebben, en een levensduur tot 12 jaar bij wel 1.500 cycli kunnen behalen. Dit komt doordat ze tot 80% ontladen kunnen worden. D.m.v. een semi-automatisch watering- en ontgassingsysteem kunnen ze ook op moeilijker toegankelijke plekken worden geplaatst. Maar ze zijn vrij groot en kunnen enkel rechtop toegepast worden.
Compacter en in meer maatvoeringen beschikbaar, is de natte lood semitractie. Deze is, dit geldt niet voor alle merken en types, toe te rusten met water- en ontgassing, tot circa 60% ontlaadbaar bij 5 jaar en circa 500 cycli.
Semitractie AGM is een alternatief dat weliswaar duurder is, maar wel volledig onderhoudsvrij. Daarnaast is hij flexibeler qua plaatsing, hij kan bijvoorbeeld schuin of liggend geplaatst worden, met vergelijkbare specs als die voor de nat lood semitractie.
Zoekt u nog meer volume/gewichtbesparing en een groot vermogen, dan komt lithium in zicht. Deze is weliswaar in aanschaf nog extreem duur, maar hij heeft ook een extreem lange, gespecificeerde levensduur (tot 2.000 cycli), een hoge belastbaarheid (tot 3C) en is wat minder temperatuur gevoelig.
-
18. Hoe kan ik elektrisch of hybride gaan varen?
-
Om u wat op weg te helpen geef ik u één generiek advies dat voor iedere sloepbezitter, met als wenspatroon gewoon een dag ombekommerd stil, schoon kunnen varen, geschikt is:
Kies voor een asynchrone motortechniek (in-board of POD) met een nat tractie of semitractie batterijpakket met watering- en ontgassingsysteem. Wilt u grotere tochten kunnen maken, laat dan in uw bestaande boot de diesel staan (als deze nog voldoende fit is) en koppel hier parallel een e-motor aan, of kies naast de e-motor voor een range extender.
Voor zeilschepen waar toch al vaak een generatorset aanwezig is, kan een asynchrone inboard of saildrive in combinatie met uitbreiding van het batterijpakket een goede oplossing zijn. De verschillende gespecialiseerde aanbieders voor e-varen hebben beslist een oplossing die aansluit op uw wensen.
