Inleiding

Nu we het een en ander weten over accu’s en het laden van accu’s is het tijd om te kijken waar de in de accu’s opgeslagen energie voor gebruikt wordt. Om meer inzicht te krijgen in het energieverbruik van de verschillende verbruikers aan boord is het handig om in 3 verschillende categorieën te denken:
- Continue verbruikers; voorbeelden hiervan zijn de standby-stroom van de VHF of de SSB, en de koelkast en vriezer.
- Langdurige verbruikers (navigatieverlichting, stuurautomaat, kajuitverlichting, watermaker) die één of meerdere uren per dag stroom gebruiken.
- Kortstondige verbruikers (pompen, elektrische winches, boegschroef, magnetron, wasmachine, vaatwasmachine, elektrische kookplaat) die een paar seconden tot ca. een uur per dag elektriciteit gebruiken.

Naar mijn ervaring heeft iedereen, ik zelf incluis, de neiging om het dagelijkse energieverbruik van continue en langdurige verbruikers te onderschatten en het energieverbruik van kortstondige verbruikers te overschatten.

Vermogen en energie

Het is belangrijk onderscheid te maken tussen (elektrisch-) vermogen en energie.

Vermogen is energie per seconde en wordt gemeten in Watt (W) of Kilowatt (1 kW = 1000 W).

Energie is vermogen vermenigvuldigd met tijd. Een accu slaat geen vermogen op, maar energie.
Weinig vermogen, maar over een lange periode kan leiden tot veel verbruikte energie en een accu ongemerkt ontladen. Energie wordt o. a. gemeten in Watt-uren (Watt x uren, of Wh) of Kilowatturen (1 kWh = 1000 Wh).

Energie is tevens het product van de accucapaciteit (Ampère-uren) en spanning: Wh = Ah x V en kWh = Ah x V x 1000.

Dus een opgenomen vermogen van 2 kW gedurende 1 uur betekent een energie verbruik van 2 kW x 1 uur = 2 kWh. Hierdoor zal 2 kWh / 12 V = 2000 Wh / 12 V = 167 Ah aan een 12 V accu onttrokken worden.

Een vermogen van 2 kW gedurende 1 seconde (d.w.z. 1 / 3600 ste van één uur) zal slechts (2000 / 3600) / 12 = 0.046 Ah aan een 12 V accu onttrekken.

Een vermogen van 2 kW gedurende 1 minuut (d.w.z. 1 / 60 ste van één uur) zal (2000 / 60) / 12 = 2,7 Ah aan een 12 V accu onttrekken.

Een vermogen van 2 kW gedurende 10 uur zal 2000 x 10 / 12 = 1667 Ah aan een 12 V accu onttrekken!

Ter voorbereiding op de komende hoofdstukken worden in de volgende paragrafen enkele voorbeelden van vermogen- en energieverbruik besproken.

Energieverbruik koelkast en airconditioning (Koelingen)

Inleiding
Vaak is de koelkast aan boord een echte nachtmerrie.
Op kleine jachten onttrekt de koelkast soms meer energie aan de accu dan alle overige apparatuur bij elkaar. Op middelgrote jachten zijn het de koelkast en de vriezer die de zwaarste belasting van de accu vormen.
En op grotere jachten is het de airconditioning die tot gevolg heeft dat dag en nacht een dieselgenerator moet draaien. Om inzicht te krijgen in de vraag waarom dit zo is en om te zien of daar iets aan kan worden gedaan is enige theoretische achtergrondinformatie nodig. Dat is het onderwerp van de volgende paragraaf.

Theorie van de warmtepomp
Bijna alle koelsystemen zijn tegenwoordig van het compressorwarmtepomp type. De werking is als volgt:
Een compressor, die door een wisselstroom of gelijkstroom motor wordt aangedreven perst een gas samen. Door de drukverhoging wordt het gas warm. Het gas wordt vervolgens afgekoeld tot kamertemperatuur in een warmtewisselaar: de condensor. Op een jacht is de condensor vaak een kleine radiator met een ventilator in het kastje onder de gootsteen, of het is een veel grotere, op natuurlijke wijze geventileerde radiator aan de achterkant van de koelkast (normaal huishoudtype koelkast), of het is een watergekoelde condensor. In de condensor condenseert het gas tot vloeistof en tijdens dat proces komt veel warmte vrij. De vloeistof gaat vervolgens naar de verdamper, de koude plaat in de koelkast of vriezer. Daar wordt de druk verlaagd en de vloeistof verdampt. Voor het verdampingsproces is warmte nodig; deze warmte wordt aan de koelkast of vriezer onttrokken. Vervolgens stroomt het gas zich naar de compressor, enzovoort.

De hoeveelheid energie die nodig is om met een warmtepomp een bepaalde hoeveelheid warmte aan de omgeving te onttrekken kan met de volgende formule worden berekend:

CoP = n_r x n_c = n_r x Tlaag / (Thoog – Tlaag)

waarbij CoP de Prestatiecoëfficiënt is (eng: Coefficient of Performance) , Tlaag de temperatuur van de verdamper, uitgedrukt in graden Kelvin (=°C + 273), Thoog de temperatuur van de condensor, ook uitgedrukt in graden Kelvin, n_r het machinerendement en n_c het theoretische koeleffect. Het machinerendement n_r is altijd kleiner dan 1 en wordt bepaald door alle verliezen die in de praktijk in het koelsysteem optreden.

Een voorbeeld van een koelkast:
- temperatuur van de koude plaat in de koelkast: -5°C. Maw: Tlaag = - 5 + 273 = 268°K
- temperatuur van de condensor: 45°C. Maw: Thoog = 45 + 273 = 318°K
- machinerendement: 25 %

Dan is de CoP:

CoP = 0.25 x 268 / (318 – 268) = 1.34

Dit betekent dat voor elk kWh warmte die aan de koelkast moet wordt onttrokken, 1 / 1.34 = 0.75 kWh elektrische energie nodig is.

De koelkast en de vriezer in de praktijk
De gemiddelde compressormotor van een koelkast verbruikt ongeveer 50 W, of 4.2 A igv een 12 V accu. De compressormotor wordt aan- en uit geschakeld met een thermostaat in de koelkast of vriezer. Indien de compressor continu draait (bedrijfscyclus van 100 %) wordt dagelijks 4.2 A x 24 h = 101 Ah. aan een 12 V accu ontrokken. Een nachtmerrie!
Een bedrijfscyclus van 50 % resulteert in 50 Ah dagelijks verbruik en een bedrijfscyclus van 25 % laat zich vertalen naar een dagelijks verbruik van slechts 25 Ah.

Wat we willen is een laag energieverbruik. Hoe kan dit worden bereikt?

1) De CoP verbeteren, door het temperatuurverschil tussen de verdamper en de condensator te verkleinen, of door het rendement van de compressor te verhogen.
Als bijvoorbeeld de temperatuur van de condensor door waterkoeling van wordt teruggebracht tot 20°C, in plaats van de 45°C die niet ongebruikelijk is als de verdamper zich in het kastje onder de gootsteen bevindt, dan krijgen we het volgende resultaat:

CoP = 0.25 x 268 / (293 – 268) = 2.68

Dus nu is er slechts 1 / 2.68 = 0.37 kWh nodig per kWh warmtelekkage. Met andere woorden: er is 50 % minder elektriciteit nodig! Verdere verbeteringen zouden bereikt kunnen worden door het oppervlak van de verdamper in de koelkast te vergroten, waardoor een temperatuur van een paar graden boven 0 de koelkast afkoelt tot dezelfde temperatuur als de -5°C van ons voorbeeld.

Ook de efficiëntie van de compressor en de motor kan worden verbeterd. Dit is moeilijk, want alle kleine compressoren hebben soortgelijke specificaties.

2) De isolatie verbeteren
Laten we eerst kijken hoeveel energie nodig is om eten of drinken in een koelkast af te koelen.
Hiervoor is het is belangrijk te weten dat de soortelijke warmte van water 1.16 Wh per °C is.
De soortelijke warmte van andere dranken en voedsel is ongeveer hetzelfde. Dit betekent dat om 1 liter water of andere dranken, of 1 kg voedsel, 1°C kouder (of warmer) te maken, 1.16 Wh warmte moet worden ontrokken (of toegevoegd). Dus als u 5 liter mineraalwater, dat in de zon tot 35°C is opgewarmd in de koelkast wilt afkoelen tot 10°C, dan moet er 5 x (35 - 10) x 1.16 = 0.145 kWh warmte door de koelkast aan het mineraalwater worden onttrokken. Bij een CoP van 1.34 is de hiervoor benodigde elektrische energie 0.145 / 1.34 = 0.108 kWh, d.w.z. 0.108 / 12 = 9 Ah uit een 12 V accu. Niet zo veel, 9 Ah, hoewel we van een zeer lage CoP zjin uitgegaan.

Het dagelijks verbruik van een koelkast aan boord van een jacht is meestal veel hoger, namelijk 50 tot 100 Ah, zelfs als de deur de hele dag gesloten blijft. Dit duidt er op dat de warmte die aan de koelkast ontrokken moet worden niet zozeer te maken heeft met het afkoelen van drank of voedsel, maar het gevolg is van warmte die via wanden en de deur van de koelkast naar binnen “lekt”.

Conclusie:
Een hoog elektriciteitsverbruik van de koelkast en de vriezer aan boord wordt veroorzaakt door slechte isolatie en/of een slechte CoP en niet door het afkoelen van de dranken en het voedsel. Daarom is goed isoleren van cruciaal belang om het stroomverbruik te beperken!

Een standaard koelkast zoals in elke witgoed winkel verkrijgbaar is tegenwoordig zeer goed geïsoleerd:
Het jaarlijkse energieverbruik van een moderne koelkast is ongeveer 100 kWh, wat zich laat vertalen naar 100 / 365 = 0.27 kWh per dag, of 0.27 x 1000 / 24 = 11 W (!) gemiddeld. Met een 12 V compressor zou het Ah-verbruik 0.27 x 1000 / 12 = 23 Ah per dag zijn. Het energieverbruik van een moderne vriezer is ongeveer twee keer zo hoog en zou 46 Ah per dag van een 12 V accu vragen.

Koelkasten voor jachten worden vaak op maat gemaakt, met isolatie van schuim. De isolatie is meestal bedroevend slecht, een het stroomverbruik daarom heel hoog. Plaats daarom, indien de ruimte het toelaat, een standaard 230 V koelkast en vriezer, met een omvormer voor de stroomvoorziening.

Airconditioning
Airconditioning vereist enorme hoeveelheden energie. Vooral kleine aircosystemen met een koelcapaciteit van1 tot 5 kW (3.400 tot 17.000 Btu) hebben vaak een laag rendement. Als er toch al een generator draait is dat geen probleem, behalve misschien wat betreft het brandstofverbruik. Maar zodra de airconditioning ook op de accu moet werken wordt het rendement zeer belangrijk. Evenals de koelkast en de vriezer, is een airconditioner een warmtepomp met een compressor, een condensor en een verdamper.

Wat vertelt de CoP-formule ons over airconditioning?
Laten we uitgaan van het volgende:
- condensatortemperatuur: 27 °C (koelwater van 25 °C)
- verdampertemperatuur: 15 °C (kamertemperatuur van 25 °C)
- machinerendement: 25 %

Dan is de CoP = 0.25 x 288 / (300 – 288) = 6

In de praktijk varieert de CoP van een klein aircosysteem van 2 tot 3!
Dit heeft voornamelijk te maken met een veel hogere condensortemperatuur en een veel lagere verdampertemperatuur dan we hadden aangenomen.
Als we uitgaan van een CoP van 2.5, is er voor 2 kW koelvermogen 2 / 2.5 = 0.8 kW elektriciteit nodig, die in 10 uur tijd 0.8 x 1000 x 10 / 24 = 333 Ah aan een accu van 24 V onttrekt.

Het kan dus van belang zijn om bij de aanschaf van airconditioning goed naar het stroomverbruik te kijken!

Energieverbruik Elektrische lieren, ankerlier en boegschroef.

Zelfs op kleinere schepen verbruiken lieren en de boegschroef zeer veel stroom, maar gedurende korte tijd.
- Een elektrische lier op een schip van 15 m wordt meestal aangedreven door een 1 pk motor (1 pk = 0.736 kW). Bij nominale belasting betekent dit 736 / 12 = 61 A igv een 12 V systeem. Als de lier 1 minuut wordt gebruikt is het Ah-verbruik 61 / 60 = 1 Ah (zie par. 6.2). Dus het energieverbruik is ondanks de grote stroom geen probleem
- Een boegschroef verbruikt vaak nog meer stroom. Een 10 pk boegschroef bijvoorbeeld gebruikt 300 A bij 24 V. Eén minuut gebruik leidt tot een ontlading van slechts 300 / 60 = 5 Ah.

Energieverbruik wasmachine en vaatwasmachine.

Een wascyclus op 60 °C met een wasmachine verbruikt 0.9 kWh elektrische energie, of 900 / 24 = 38 Ah uit een 24 V accu. Bij 40°C neemt het verbruik af tot 0.6 kWh of 600 / 24 = 25 Ah.
De voor een vaatwasmachine benodigde energie ligt in dezelfde orde van grootte.
De meeste energie gaat naar het verwarmen van het water (vandaar het grote verschil in energieverbruik tussen een cyclus op 60 °C en één op 40 °C). Toepassen van ‘hot fill’ (de wasmachine en vaatwasmachine voorzien van water dat al op de juiste temperatuur is in plaats van koud water) zou het energieverbruik met nog eens een paar honderd Wh verminderen!
Het energieverbruik van een wasdroger is wel aanzienlijk. Een wasdroger vraagt 3 kW. Een uur drogen vraagt dus 3 kWh, dwz 3000 / 24 = 125 Ah uit een 24 V accu. Dit komt doordat voorverwarmde lucht wordt gebruikt om al het resterende vocht te verwijderen. En ik ken geen enkele droger die de lucht verwarmt met een heetwater warmtewisselaar in plaats van een elektrische verwarmer …
Een complete was/droog cyclus van een kleine was/droger zoals vaak op boten wordt gebruikt vraagt ca. 2.7 kWh.

Energieverbruik elektrisch kooktoestel.

Ik dacht te weten dat het stroomverbruik veel te hoog zou zijn, totdat ik de berekeningen maakte en in de praktijk toetste. En sinds die tijd heb ik een tweepits inductiekookplaat op mijn trimaran, die werkt op een Phoenix Multi 24/3000/70 en een 24 V 200 Ah serviceaccu. Het aantrekkelijke van elektrische inductie is dat het niet de kookplek is die wordt verwarmd, maar rechtstreeks de bodem van de pan. Om die reden is elektrische inductie ook 20 % efficiënter dan andere elektrische kookplaten.

Maar nu de theoretische achtergrond, die heel eenvoudig is:
Zoals bekend is de soortelijke warmte van water 1.16 Wh per °C. Theoretisch zou het aan de kook brengen van 1 liter water van 20°C daarom 1.16 x (100 – 20)  = 93 Wh vergen. In de praktijk vergt het meer dan 100 Wh, afhankelijk van de warmtecapaciteit van de pan en andere verliezen. Deze verliezen kunnen worden gecompenseerd door te beginnen met warm water uit de boiler. Kortom, 100 Wh per liter is goede vuistregel.

En dan het eigenlijke koken:
Vandaag wordt er spaghetti gegeten met een zelfgemaakte saus, en pudding als dessert. We koken voor 4 personen.
Voor de spaghetti brengen we 4 liter water aan de kook, voegen de spaghetti toe, brengen het geheel opnieuw aan de kook en laten het langzaam 8 minuten doorkoken. Energieverbruik: 400 Wh om het water aan de kook te brengen, 100 Wh om het geheel opnieuw aan de kook te brengen en 400 W gedurende 8 minuten om de spaghetti gaar te laten worden, totaal 400 + 100 + 400 x 8 / 60 = 550 Wh.
Voor de saus bakken we de uien (150 Wh), voegen het gehakt toe en bakken het geheel opnieuw (150 Wh), daarna voegen we verse tomaten, kruiden enz. toe en brengen de saus aan de kook (1 liter, dus 100 Wh) en we laten de saus gedurende 20 minuten sudderen (200 W gedurende 20 minuten), totaal 150 + 150 + 100 + 200 x 20 / 60 = 470 Wh.
Voor het dessert verwarmen we 2 liter koude melk direct uit de koelkast (300 Wh), plus 3 minuten sudderen (30 Wh), totaal 300 + 30 = 330 Wh.
Totale benodigde energie: 550 + 470 + 330 = 1350 Wh, of 1350 / 24 = 56 Ah uit een 24 V accu.
Ik heb het bovenstaande ook in de praktijk getest en het resultaat is dat voor de meeste maaltijden van 3 gangen en voor 4 personen inderdaad 1200 tot 1400 Wh nodig is, dwz 50 tot 60 Ah uit een 24 V accu.