Inleiding

In hoofdstuk 9 hebben we gezien dat voor een energiebehoefte tot 4 kWh per dag een relatief eenvoudig DC-systeem prima voldoet. Naast de basisuitrusting, waarvoor ongeveer 1.5 kWh nodig was, was er dagelijks 2.5 kWh beschikbaar voor allerlei extra “luxe”. De benodigde accucapaciteit varieerde van 250 Ah / 12 V voor het “basisjacht” tot 600 Ah / 12 V voor een “volledig uitgerust” jacht.
Zelfs bij een energie verbruik van meer dan 4 kWh per dag is een systeem met krachtige dynamo’s op de hoofdmotor haalbaar (en de hoofdmotor is betrouwbaarder dan een kleine 3000 toeren generatorset!) Vanwege het lawaai, stank, rendement en mogelijke schade aan de motor door teveel onbelast draaien is het echter zeker de moeite waard om de alternatieven te bekijken.
De alternatieven zijn:
- Een 230 V dieselgenerator die rechtstreeks aan de wisselstroomverbruikers levert: het AC-concept.
- Een 230 V generatorset met daarnaast nog een flinke serviceaccu: AC-concept. met generatorvrije periode
- Een DC-generator: uitbreiding van het DC-concept uit het vorige hoofdstuk tot een hoger vermogen.
Een dagelijks energieverbruik van 14 kWh is niet gering en zou wel eens het gemiddelde verbruik in uw eigen huis aan de wal kunnen zijn. U kunt het nakijken op uw elektriciteitsrekening!
Een dergelijk energieverbruik vinden op motorboten en catamaran zeiljachten tot ca.15 meter (49 ft) of monohull zeiljachten tot 18 meter (59 ft). De berekeningen zijn in dit hoofdstuk zijn gebaseerd op een serviceaccu van 24 V

Om te beginnen volgt hier de lijst met standaard uitrusting:

Uitrusting: het minimum

Navigatieapparatuur
Op grotere jachten is een navigatiecomputer bijna standaard. Met inbegrip van GPS, Marifoon, kortegolf zender, radar, Inmarsat, stijgt het gemiddelde stroomverbruik bij 24 V tot ca. 2 A.

Driekleuren toplicht en ankerlicht: 25 W

Stuurautomaat
Het energieverbruik is afhankelijk van het model, de zeegang, enz.
Gemiddeld: 5 A tot 10 A bij een duty cycle van 30 %.

Koelkast en vriezer
We gaan uit van een installatie met twee compressoren van 50 W en watergekoelde condensors. Verder nemen we aan dat er speciale aandacht aan de isolatie is besteed om het verbruik laag te houden. Dit kan de duty cycle van de compressor van de koelkast tot 25 % en van de vriezer tot 50 % beperken.

Verlichting
Meer lichtpunten en minder zuinig gebruik dan op kleinere schepen.
Gemiddeld: 20 Ah per etmaal.

Radio: ca. 2 A.

Overige verbruikers
We gaan uit ervan uit dat er meer gebruik van pompen wordt gemaakt (bijv. voor de douche) en rekenen met 10 Ah bij 24 V.

Zeilen

We zullen nu het energieverbruik berekenen voor een periode van 24 uur onder zeil.

Uit de tabel blijkt het volgende:

- Door in rendement en isolatie te investeren komt het energieverbruik van de koelkast en de vriezer nu overeen met dat van andere verbruikers. Maar al te vaak heeft een slechte installatie tot gevolg dat de compressoren bijna de gehele tijd in bedrijf zijn, wat nog eens 60 Ah aan het dagelijkse energieverbruik zou toevoegen!
- Terwijl men vaart is het minimum energieverbruik op een zeilschip van 12 tot 18 m ca. 4 kWh per etmaal. Dit komt overeen met 160 Ah uit een 24 V accu of 320 Ah uit een 12 V accu.
- De gemiddelde stroom die aan de accu wordt onttrokken is slechts 6.7 A bij 24 V en dus niet van belang als men op de motor vaart.

Voor anker of afgemeerd zonder 230 V aansluiting

De volgende tabel geldt voor zowel motorboten als zeilschepen.

Extra’s

Van het vorige hoofdstuk genoemde extra’s zijn het elektronische navigatiesysteem, de kortegolf zender en radar in de lijst van opgenomen. Naast de andere extra’s die werden genoemd zijn er nog een paar meer die op grotere jachten voor kunnen komen.

Waterkoker
Heel handig voor het snel koken van water voor thee of instant soep. De warmtecapaciteit van 1 liter water is 1.16 Wh per °C. Dus het aan de kook brengen van 1 liter water onttrekt ca. 0.1 kWh, d.w.z. 4.2 Ah aan een 24 V accu.

Elektrische kookplaat
Gas aan boord is gevaarlijk en het verslepen van gasflessen is geen leuk karwei. Met 2 elektrische kookpitten van 1,5 kW elk is het afgenomen vermogen maximaal 3 kW (d.w.z. bijna 150 A bij 24 V), 4 pitten vragen maximaal 6 tot 8 kW. Het koken van een maaltijd voor 4 personen vergt ca. 1.2 kWh, d.w.z. 50 Ah bij 24 V.

Kleine wasmachine
Deze is al even genoemd. Het energieverbruik van één was/droog cyclus is ongeveer 2.7 kWh. De meeste elektriciteit wordt gebruikt voor het verwarmen van het water en voor de droogcyclus. De wasmachine vullen met warm in plaats van koud water en het achterwege laten van een droogcyclus reduceert het energieverbruik tot ongeveer 0.5 kWh.

Kleine vaatwasmachine
Verbruik ca. 1 kWh Het vullen van de vaatwasmachine met warm in plaats van koud water reduceert het energieverbruik tot minder dan 0.5 kWh.

We zullen nu het totale verbruik per etmaal berekenen als al deze luxe aan boord zou worden gebracht en gaan daarbij uit van een bemanning van 4 en een subtropisch klimaat, zodat in plaats van de verwarming de airconditioning wordt gebruikt. In ons voorbeeld staat de airco 12 uur per dag aan en draait de compressor met een gemiddelde duty cycle van 50 %. Op dezelfde wijze wordt een watermaker met een hoge druk pomp gebruikt in plaats van het veel energiezuiniger DC waterhydraulische type. We gaan er ook van uit dat de wasmachine en de vaatwasmachine niet met warm water worden gevuld.

Uit de tabel blijkt dat de airconditioning bijzonder veel energie verbruikt, hoewel we zijn uitgegaan van slechts 12 uur gebruik per dag. Met een energiebehoefte van 8.4 kWh per dag, wat 350 Ah per dag betekent als de airconditioning (met een omvormer) op de accu zou draaien heeft de airconditioning meer energie nodig dan alle andere apparatuur samen!
Er zou een accu van 1500 Ah nodig zijn om een generatorvrije periode van 20 uur te realiseren. Hoewel dergelijke installaties wel bestaan is de meer gebruikelijke oplossing om een generator te laten draaien wanneer de airco aan staat en het lawaai, onderhoud en brandstofverbruik voor lief te nemen.

De eerste stap voor het reduceren van het energieverbruik, als airco echt nodig is, is om airconditioning tot het minimum te beperken en tevens om de watermaker te vervangen door het efficiëntere (en veel minder lawaai producerende) DC waterhydraulisch type. Het resultaat is als volgt:

Samen met het basisverbruik bedraagt het verbruik per etmaal nu:

- met airconditioning: 160 + 407 = 567 Ah per periode van 24 uur
bij een accustroom van gemiddeld: 567 / 24 = 24 A.
totaal energieverbruik per etmaal: 567 x 24 = 13.6 kWh.

- zonder airconditioning: 160 + 232 = 392 Ah per periode van 24 uur
bij een accustroom van gemiddeld: 392 / 24 = 16 A.
totaal energieverbruik per etmaal: 392 x 24 = 9.4 kWh.

Energieopwekking

Alternatieve energiebronnen
Zonnepanelen (1 m²), een windgenerator (met een diameter van 1 meter) en een watergenerator (laten we zeggen 60 W bij een snelheid van 5 knopen) leveren samen bijna 2.4 kWh (= 100 Ah in een 24 V accu) per etmaal. Met andere woorden: de bijdrage van alternatieve energiebronnen kan het aantal motor uren dat nodig is om stroom te draaien aanzienlijk reduceren als er niet veel meer dan de basisuitrusting aan boord is.
Maar wanneer de dagelijkse energiebehoefte verder toeneemt, zijn er andere middelen nodig om elektriciteit op te wekken. De alternatieven worden in de volgende paragrafen besproken.

Dieselgenerator
De algemeen geaccepteerde methode om het (piek-) vermogen te leveren voor een wasmachine of een elektrische kookplaat een 230 V dieselgenerator, die wordt gestart wanneer de energie behoefte groot is. Om te voorkomen dat de generator continu moet draaien, of vele keren per dag gestart moet worden is er meestal ook nog een serviceaccu met omvormer aan boord. Dankzij de service accu en omvormer kunnen lange generator vrije periodes gepland worden. De generator zou bijvoorbeeld elke avond 2 tot 4 uur kunnen draaien, tijdens het koken en totdat de vaatwasmachine klaar is. Tijdens dezelfde 4 uur kan men de wasmachine en droger laten draaien, de watermaker en de acculaders aanzetten, en de boiler verwarmen (elektrisch of met koelwater van de generator). Indien nodig kan men tijdens het ontbijt een tweede generatorperiode van 1 of 2 uur inlassen.

In het algemeen wordt de generatorperiode om de volgende redenen zo kort mogelijk gehouden:
- lawaai en trillingen
- slijtage en onderhoud
- het voorkomen van gebruik met weinig belasting, omdat dit leidt tot versnelde slijtage en onderhoud (verglazen)
- brandstofverbruik

Verder is het voor de betrouwbaarheid en duurzaamheid raadzaam om een 1500 tpm model te kiezen.

Capaciteit van de serviceaccu
Als we weten hoe lang de generator zal draaien – in ons voorbeeld tenminste 4 uur per dag, kunnen we berekenen hoeveel Ah de accu tijdens de generatorvrije periode moet leveren:
a) Varend, ongeveer 24 - 4 = 20 uur van het basis energieverbruik zoals uiteengezet in par. 10.3, of 160 x 20 / 24 = 133 Ah.
b) Met betrekking tot de andere apparatuur zullen we aannemen dat het gebruik van de magnetron, waterkoker en tweederde van de airconditioning tijd ook in de generatorvrije periode vallen. Dit betekent een ontlading van de accu met 16 + 25 + 175 x 2/3 = 158 Ah.
Totaal 133 + 158 = 291 Ah. Hiervoor hebben we een accu nodig van tenminste 600 Ah, (2 laadcycli per dag, zie par. 8.5.2.) en met wat reserve (airco gebruik tijdens de nacht), komen we op 800 Ah.

Omvormers en acculaders
Als omvormer is een Multi 24/3000/70 gecombineerde omvormer/acculader groot genoeg (omdat de generator kan worden gestart wanneer er meer dan 3 kW nodig is), maar als lader levert de Multi tijdens de generatorperiode van 4 uur slechts 4 x 70= 280 Ah. Tijdens die periode moet er 291 Ah geladen worden, plus nog eens 4 uur basisbelasting, d.w.z. 6,7 x 4 = 27 Ah. Met een kleine marge hebben we dan 100 A laadstroom nodig. Daarom moet er naast de Multi nog een 24 V / 50 A lader worden geïnstalleerd.

De generator
Voor de kookplaten zou 6 kW nodig zijn, plus 100 A x 30 V = 3 kW voor de laadapparatuur. Met enige marge om tenminste een deel van de extra apparatuur te kunnen gebruiken (bijvoorbeeld de AC-airco) zou de juiste keuze 12 kW zijn.

Walstroom aansluiting en frequentie omvormer
In ons voorbeeld kan de walstroom afname tot ca. 8 kW worden beperkt, omdat er veel meer tijd is om de accu te laden. Voor 8 kW is echter wel een driefasen (krachtstroom) aansluiting nodig.
Indien u de oceaan oversteekt krijgt u te maken met 60 Hz walstroom. Voor de 50 Hz apparatuur op uw schip heeft u dan ook een frequentieomvormer van 8 kW nodig.

Halverwege de berekening dacht u waarschijnlijk al dat dit niet praktisch is op een zeilschip van 15 meter of een motorjacht van 13 meter. Het systeem wordt te groot, te duur, te zwaar en te gecompliceerd. Dat klopt!
Daarom wordt een installatie als hierboven beschreven eigenlijk alleen op grotere schepen gebruikt, bijvoorbeeld zeiljachten vanaf 20 meter of motorjachten vanaf 15 meter.

Wat is de oplossing voor kleinere schepen?
1) De voor de hand liggende oplossing zou zijn om af te zien van de elektrische kookplaat en in plaats daarvan gas te gebruiken. Dan zou een 6 kW generator die 4 tot 8 uur per dag draait, afhankelijk van de hoeveelheid airconditioning, voldoende zijn.
2) Airconditioning kan beperkt worden tot de uren waarop de generator draait.
3) De walstroom kan door het toepassen van het DC-concept worden teruggebracht van 8 kW tot slechts ca. 1.2 kW (in Europa zou dit een 1-fase 230 V 6 A walaansluiting betekenen). Frequentie omvormen van 60 Hz naar 50 Hz is dan een in het systeem ingebouwde functie. Om het DC-concept toe te passen moet de walstroom op een gelijkrichter van 40 A of 50 A worden aangesloten die de accu laadt. Alle AC-verbruikers aan boord worden dan gevoed door 2 of 3 parallelle omvormers van elk 2.5 kW (of bij voorkeur Multi’s)

In de volgende paragraaf worden nog twee alternatieven om het vermogen van de generator te verlagen besproken.

PowerControl en PowerAssist

Het gebruik van Multi’s en PowerControl samen met een generator heeft de volgende voordelen (zie ook hoofdstuk 8):
- Ononderbroken AC-voeding. Als de generator uit is leveren de Multi’s de wisselstroom aan boord. Nadat de generator is gestart zal de belasting automatisch en zonder onderbreking naar de generator worden overgeschakeld en de Multi’s schakelen dan over op de acculader functie. Het omgekeerde proces vindt plaats als de generator wordt stopgezet.
- Door de PowerControl functie wordt het risico van overbelasting van de generator uitgesloten. De laadstroom van de accu wordt automatisch verlaagd als de energie behoefte van de Multi’s (die met 2 Multi’s op kan lopen tot 2 x 70 A x 30 V = 4.2 kW), samen met andere verbruikers anders zou leiden tot overbelasting.

PowerAssist: de MultiPlus als walstroom en generator booster
PowerAssist is de “bijlever” functie van de Phoenix MultiPlus (zie ook hoofdstuk 8).
Laten we eerst bijleveren met een generator bekijken, bijvoorbeeld de 6 kW generator uit de vorige paragraaf.
Twee Multi’s in parallel kunnen 5 kW vermogen toevoegen, zodat het piekvermogen stijgt van 6 kW tot 11 kW. Dit brengt de elektrische kookplaat terug aan boord. Als het verbruik daalt tot minder dan een van tevoren ingestelde limiet (die in ons voorbeeld 5 kW voor de generator van 6 kW zou zijn, om de generator niet voortdurend op volle belasting te laten draaien), gebruiken de Multi’s de overtollige energie van de generator om de accu’s te laden, tot maximaal 2 x 70 = 140 A.

Op dezelfde wijze voegen de 2 Multi’s 5 kW aan de walaansluiting toe. Een walaansliuting van 16 A (dwz 16 x 230= 3680 W, of 3.7 kW) kan met 2 Multi’s dus van 3.7 kW tot 3.7 + 5 = 8.7 kW “opgevoerd” worden.

Elektrisch koken op walstroom is geen probleem meer!

Nog minder walstroom: het DC-concept
Het DC-concept verlaagt de benodigde walstroom tot ongeveer twee keer het gemiddelde stroomverbruik aan boord (zie par. 8.4.3.). Als het gemiddelde verbruik 600 W of minder is (= tot 14 kWh per etmaal) zou een 50 A acculader (stroomlimiet ingesteld op 1200 W / 30 V = 40 A) op een 6 A walaansluiting nog in staat zijn om de gemiddeld benodigde energie te leveren. Twee, of zelfs drie parallelle Multi’s (die ook parallel met de generator kunnen draaien) kunnen alle AC-apparatuur aan boord voeden.
Van de 40 A die de acculader levert is ongeveer 20 A beschikbaar om de 800 Ah accu te laden. Indien de accu tot 50 % ontladen was, duurt dit 400 / 20 = 20 uur.
Met het DC-concept is de stroomvoorziening aan boord ongevoelig voor spanningsfluctuaties en andere storingen van de walaansluiting. Bovendien werkt het systeem net zo goed op een 60 Hz als op een 50 Hz aansluiting.

De 230 V dieselgenerator op een relatief klein schip: conclusie
Gewoonlijk wordt het generatorvermogen bepaald op basis van de maximale vermogens behoefte die aan boord voor kan komen.Tengevolge van alle huishoudelijke apparatuur die tegenwoordig wordt geïnstalleerd is de gebruikelijke walstroom aansluiting van ten hoogste 16 A te zwak. Gevolg: ook in de haven moet de generator gestart worden om te wassen of te koken. In plaats van concessies te doen wat betreft het comfort aan boord, kan nieuwe technologie worden toegepast om de kosten, omvang en gewicht van het elektrische systeem te verlagen.

Door aan het systeem 3 Multi’s met PowerAssist en een acculader van 50 A toe te voegen wordt het mogelijk om:
- 2 generatorvrije periodes per dag van in totaal 20 uur te introduceren
- Het vermogen van de generator van 12 kW terug te brengen tot 6 kW
- De benodigde walstroom terug te brengen van 8 kW (driefasen 16 A) tot slechts 1.3 kW (6 A walstroom aansluiting)
- De noodzaak van een frequentie omvormer voor aansluiting op 60 Hz walstroom te elimineren;
- Ononderbroken AC-voeding aan boord te realiseren;
- Gas aan boord te elimineren en daarmee de veiligheid aanzienlijk te verhogen.

De diesel-gelijkstroomgenerator of DC-generator
Naast conventionele 230 V generatoren bieden steeds meer leveranciers ook DC-generatoren aan. Met vermogens tot 10 kW kan hiermee een accu laadstroom tot ongeveer 300 A bij 28 V worden gerealiseerd. DC-generatoren zijn kleiner en lichter en hebben een hoger rendement dan AC-genera-toren. Bovendien kan het motortoerental op de stroombehoefte worden afgestemd, zodat het rendement hoog blijft, zelfs bij lage belasting.
De DC-generator wordt gebruikt om de accu’s te laden. Met omvormers wordt vervolgens wisselstroom gemaakt. Het kiezen van het vermogen van een DC-generator is een kwestie van acceptabele acculaadstroom en het aantal bedrijfsuren per dag. Met een elektriciteitsbehoefte van 14 kWh per dag zou een DC-generator van 6 kW bijvoorbeeld 2-3 uur per dag draaien.

Rendement van een dieselgenerator
Het rendement van een dieselgenerator is meer dan 30 % bij volle belasting. Het rendement daalt bij afnemende belasting. Op een jacht zal een generatorset meestal op lage belasting draaien. Het rendement zal dan 10 tot 20 % zijn. Het rendement kan aanzienlijk worden verbeterd met PowerControl of PowerAssist omdat dan met een kleinere generator die wel voldoende belast wordt volstaan kan worden .

De energievoorziening op een motorjacht van 9 tot 15 meter of een jacht dat voor anker ligt.
Zelfs als de complete wensenlijst is geïnstalleerd kunnen de wisselstroomdynamo’s op de hoofdmotoren van een motorjacht het gemiddelde verbruik van 24 A bij 24 V DC gemakkelijk bijhouden tijdens het varen. Met andere woorden: als men verwacht bijna elke dag een paar uur te varen of als er elke avond walstroom beschikbaar is, kan een dagelijks energieverbruik van 14 kWh geleverd worden zonder een dieselgenerator te installeren.
Als de boot voor anker ligt neemt het verbruik af tot ca. 22 A, omdat de navigatieapparatuur is uitgeschakeld. Als men gedurende langere tijd voor anker ligt zal er een generator nodig zijn.

Conclusie.

In de volgende tabel worden de besproken alternatieven opgesomd.

Energie behoefte tot 14 kWh per etmaal (gemiddeld 600 W)
	5 kW DC generator	6 kW dieselgenerator met PowerAssist	12 kW dieselgenerator
DC generator
Uren per etmaal	3 tot 8
Verbruik per etmaal	7 liter
Gewicht	150 kg
Dieselgenerator
Uren per periode van 24 uur		3 tot 8	4 tot 8
Verbruik		9 liter	11 liter
Geluid		67 dBA	69 dBA
Gewicht		250 kg	350 kg
Accu
Capaciteit	24 V / 800 Ah	24 V / 800 Ah	24 V / 800 Ah
Gewicht	700 kg	700 kg	700 kg
Walstroom
Vermogen	6 A	6 A (DC-concept)	3-fasen 8 kW
Acculaders	50 A 8 kg	50 A 8 kg	50 A 8 kg
50 / 60 Hz walstroomconversie	Ja, geen extra frequentie-omvormer voor walstroom nodig	Ja geen extra frequentie-omvormer voor walstroom nodig	Nee, extra frequentie-omvormer voor walstroom nodig
DC-AC omvormers
Vermogen	7.5 kW (3 x Phoenix omvormer 2.5 kW)	7.5 kW (3 x MultiPlus)	2.5 kW Multi
Gewicht	54 kg	54 kg	18 kg
Totaal gewicht van de installatie	962 kg	1012 kg	1076 kg
2 weken brandstof	98 liter	126 liter	154 liter
Totaal gewicht met inbegrip van 2 weken brandstof	990 kg	1118 kg	1205 kg

Uit de tabel blijkt het volgende:

De conventionele oplossing: een 12 KW generator
Dit alternatief is zwaar en volumineus.

De gemiddelde belasting van een generator van 12 kW zou zijn:
-bij 4 bedrijfsuren per dag: 14 / (4 x 12) = 29 %
-bij 6 bedrijfsuren per dag: 14 / (6 x 12) = 19 %

De walstroombehoefte zal in de orde van grootte liggen van 8 kW, tenzij het DC-concept voor de walstroom wordt gebruikt; in dat geval is een aansluiting van 6 A (= 1,38 kW) voldoende.

Een betere oplossing: minder gewicht en ruimte met een generator van 6 kW en PowerAssist, of een 5 kW DC generator
Voor het gebruik van PowerAssist bij een dieselgenerator van 6 kW zouden in ons voorbeeld van het volledig uitgeruste jacht 2 Multi’s nodig zijn. Bij toepassing van het DC-concept voor walstroom zouden 3 Multi’s nodig zijn.