Inleiding

De omvang, het gewicht en de complexiteit van het energiesysteem kunnen dankzij nieuwe technologie aanzienlijk worden verminderd. Hieronder zullen we nog hogere energievereisten bekijken en zien wat de rol van Phoenix Multi’s kan zijn.

De belangrijkste verbruikers

Een gemiddeld verbruik van 10 kW geldt voor schepen tot ca. 30 meter.
- De grootste elektriciteitsverbruiker is in het algemeen de airconditioning, die in tropische gebieden dag en nacht aan zal staan. De nominale koelcapaciteit kan bijvoorbeeld 100,000 BTU (= 30 kW) zijn. Met een CoP van 4 betekent dit dat er 30 / 4 = 7.5 kW nodig is als de airconditioning op volle toeren moet draaien. Bij een gemiddeld opgenomen vermogen van 5 kW is het koelen van lucht goed voor de helft van de energie behoefte aan boord!
- De andere belangrijke verbruikers zijn keukenapparatuur, wasmachines/drogers, de watermaker en de verlichting. De gemiddelde vermogensbehoefte zal ‘s nachts lager zijn dan overdag, bijvoorbeeld in een verhouding van 5 tot 15 kW.

Energieopwekking

Generatoren
De hoofdgenerator kan bijvoorbeeld een vermogen hebben van 50 kW. Een tweede generator van bijvoorbeeld 8 kW kan worden ingezet als er minder mensen aan boord zijn:
- Om een ononderbroken stroomvoorziening te garanderen wanneer overgeschakeld wordt van de ene naar de andere generator of van de generator naar de walaansluiting, moeten synchronisatiesystemen worden toegevoegd.
- Er is een walstroomaansluiting nodig van 50 kW.
- Er is een dure en zware 50 kW frequentieomvormer nodig om aan de andere kant van de Atlantische Oceaan op walstroom aan te sluiten.
- Een generator van 50 kW die 24 uur per dag draait zou een gemiddelde belasting hebben van slechts 10 / 50 = 20 %! Dit is niet goed voor de generator en ook niet goed voor het brandstofverbruik. Door een tweede, kleinere generator toe te voegen stijgt dit cijfer tot ongeveer 30 %. Dit is beter, maar nog steeds slecht.
- En dan natuurlijk het lawaai, de trillingen, de dieseldampen en de vervuiling 24 uur per dag…(en vergeet niet dat er steeds meer jachthavens en natuurreservaten zijn waar het gebruik van een generator verboden is).

Een extra accu voor een generatorvrije periode, en accu-ondersteund generatorgebruik (PowerAssist)

Dit alternatief heeft alleen zin als een vermogensbehoefte van 50 kW slechts bij uitzondering voorkomt en kortstondig is, en meestal beneden de 20 kW blijft.

De accu
Als het verbruik gedurende flinke periodes kan worden gereduceerd tot een gemiddelde van 4.5 kW, bijvoorbeeld 8 uur tijdens de nacht en 6 tot 8 uur overdag, zou de maximale hoeveelheid door de accu te leveren energie 4.5 x 16 = 72 kWh dwz 72 kWh / 24 V = 3000 Ah zijn. Als we onze vuistregel van par. 8.5.2 toepassen is er een accu van 6000 Ah nodig.

De generator, Multi’s en walstroom
Nu moeten we anders gaan denken, en niet meer naar de benodigde piekstroom kijken maar in plaats daarvan naar de dagelijkse energiebehoefte (zie par. 8.5.).
Van de 240 kWh die per dag nodig is wordt in dit voorbeeld 72 kWh door de accu geleverd en de resterende 168 kWh rechtstreeks door de generator. De hoeveelheid energie die nodig is om de accu op te laden is 3000 Ah x 30 V = 90 kWh.
De dagelijks door de generator te leveren energie bedraagt dus 168 + 90 = 258 kWh. De generator, die tenminste 8 uur per dag draait moet een nominaal vermogen hebben van 258 / 8 = 32 kW. Met enige marge kan 40 kW worden geïnstalleerd.

Door 5 Multi’s per fase toe te voegen wordt het continue uitgangsvermogen verhoogd met 15 x 2.5 = 37.5 kW tot 40 + 37.5 = 77.5 kW. Als de behoefte aan AC verder toeneemt dan een van tevoren ingestelde limiet, bijvoorbeeld 35 kW om de generator niet op volle belasting te laten draaien, beginnen de Multi’s “bij” te leveren. De beschikbare energie van de 6000 Ah accu (24 x 6000 x 0.5 = 72 kWh) is meer dan voldoende om enige tijd 10 tot 20 kW bij te leveren. Zodra het afgenomen vermogen daalt tot minder dan 35 kW, zullen de Multi’s de overtollige energie van de generator gebruiken om de accu’s op te laden. De maximale laadstroom van 15 parallelle Multi’s is 15 x 70 = 1050 A, wat 1050 A x 30 = 31.5 kW aan de generator onttrekt. Veel meer dan nodig is.

Een aantrekkelijke bijkomende eigenschap van de Multi’s is dat zij de belasting van de generator per fase automatisch in balans brengen: de Multi’s nemen de het hoogste vermogen op van de fase(n) die anders de laagste belasting zouden hebben. Een oplossing om de walstroom te reduceren is alweer het DC-concept. De dagelijkse energie van 240 kWh laat zich vertalen naar (240 kWh / 24 h) / 24 V = 416 A bij 24 V, die kan worden geleverd door 6 acculaders van 100 A. De benodigde walstroom is dan 18 kW (32 A driefasen). Beperking van de walstroom tot 18 kW kan ook door de Multi’s met PowerAssist als walstroom booster te gebruiken, maar dan is frequentieconversie niet mogelijk.

Door een accu van 6000 Ah, 15 Multi’s met PowerAssist en 6 acculaders van 100 A aan het systeem toe te voegen, kunnen we:
- 2 generatorvrije periodes per dag van in totaal 16 uur introduceren
- het vermogen van de generator terugbrengen van 50 kW (3-fasen) naar 40 kW (3-fasen)
- de benodigde walstroom reduceren van 50 kW (3-fasen 75 A) naar 20 kW (3-fasen 32 A)
- de frequentieomvormer van 50 kW voor aansluiting op 60 Hz walstroom elimineren
- een ononderbroken stroomvoorziening aan boord realiseren;
- de redundantie van het systeem en daarmee de veiligheid aanzienlijk verhogen.

Toevoeging van een 8 kW AC “hulp” generator teneinde het aantal draaiuren van de grote generator en de benodigde accucapaciteit te verminderen
Op een groot schip kan een kleine generator zodanig geïnstalleerd worden dat hij onhoorbaar is.
- De accu capaciteit zou dan verlaagd kunnen worden tot ca. 2000 Ah.
- Deze (1-fase) generator kan samen met 3 van 9 Multi’s een piekvermogen van 8 + 7.5 = 15.5 kW leveren, terwijl op de 2 andere fases 3 Multi’s 7.5 kW kunnen leveren.

Een vergelijking van de alternatieven voor een gemiddeld gebruik van 10 kW

Energie behoefte tot 240 kWh per etmaal (gemiddeld 10 kW)
	40 kW generator met 9 Multi’s en PowerAssist. 2000 Ah service accu 8 kW hulpset.	AC-concept
Generatoren
Vermogen	1 x 40 kW + 1 x 8 kW	1 x 50 kW + 1 x 10 kW
Draai-uren per etmaal	1 x 4 uur + 1 x 20 uur	1 x 10 uur
		1 x 14 uur
Verbruik per etmaal	95 liter	120 liter
Gewicht	800 kg	1200 kg
Accu
Capaciteit	2000 Ah	400 Ah
Gewicht	2000 kg	400 kg
Walstroom	18 kW	50 kW
Nominaal vermogen	3 x 32 A	3 x 100 A
Gewicht van de autotransformer		n.v.t.
Gewicht van de frequentieomvormer van 50 kW	Niet nodig	1300 kg
Omvormer
Vermogen	37.5 kW (15 Multi’s)	6 kW
Gewicht	270 kg	54 kg
Acculaders
Stroom	600 A	75 A
Gewicht	80 kg	10 kg
Totaal gewicht	3000 kg	2964 kg
2 weken brandstofverbruik (zie noot)	1330 liter	1680 liter
Totaal gewicht incl. Brandstof voor 2 weken	4017 kg	4375 kg

Uit de tabel blijkt het volgende:
De belangrijkste les is dat met 240 kWh elektrische energie per dag, de grens van de nieuwe componenten en concepten die in dit boek worden gepresenteerd is bereikt.De accu die nodig is om PowerAssist en het DC-concept toe te kunnen passen is erg zwaar en duur. Alleen als een generatorvrije periode noodzakelijk is, of als de benodigde energie meestal veel minder dan 240 kWh per dag is, zijn PowerAssist of het DC-concept aantrekkelijke opties.