Inleiding

We hebben gekeken naar schepen die maximaal 14 kWh elektrische energie per dag nodig hebben. We concludeerden dat 14 kWh per dag voldoende is voor 1 huishouden van 4 tot 6 personen, ongeacht of zij op een schip of in een huis wonen, met alle gebruikelijke elektrische huishoudelijke apparatuur tot hun beschikking, zolang airconditioning niet nodig is of beperkt wordt gebruikt.
We hebben ook gezien dat een dagelijkse elektriciteitsbehoefte van 4 tot 14 kWh kenmerkend is voor motorboten of catamaran zeiljachten van 9 tot 15 meter of monohull zeiljachten van 12 tot 18 meter.
Op een jacht van slechts een paar meter langer neemt het elektriciteitsverbruik vaak onevenredig toe. Deze jachten, of ze nu gehuurd zijn of niet, hebben vaak een professionele bemanning aan boord en in plaats van 4 tot 6 personen aan boord zijn het er 8 tot 12. Er wordt meestal in subtropische of tropische wateren gevaren en de airco staat vaak 12 uur of zelfs 24 uur per dag aan.
Het energieprobleem wordt meestal als volgt opgelost:
- Een dieselgenerator 24 uur per dag laten draaien, of
- behalve een dieselgenerator ook een grote accu installeren voor een generatorvrije periode van 8 tot 20 uur. Er is ook veel walstroom nodig (en dit beperkt de mogelijkheden aanzienlijk als men een aanlegplaats in een jachthaven zoekt), omdat de accu in het algemeen niet als peak shaver wordt gebruikt. Een dure en zware frequentieomvormer is nodig om 60 Hz walstroom om te vormen tot 50 Hz of omgekeerd.

Laten we een kijkje nemen aan boord van een jacht met een gemiddelde dagelijkse energiebehoefte van 48 kWh, wat neerkomt op een gemiddeld stroomverbruik van 2 kW.

De belangrijkste verbruikers

De belangrijkste continue en langdurige verbruikers zijn:
- Koelkasten en vriezers: gemiddeld 300 W
- Airconditioning: 12 kW (41.000 BTU) met een opgenomen elektrisch vermogen van 3 kW

De belangrijkste kortstondige verbruikers die veel elektriciteit verbruiken zijn:
- Een elektrische kookplaat met 6 kookplekken + ovens: 12 kW
- Een watermaker van het hogedruk pomp type voor 300 l per uur: 3 kW (aanloopstroom 15 kW)
- Wasmachine(s) en vaatwasmachine(s): 6 tot 12 kW
- Eventueel een duikcompressor

Andere verbruikers zijn minder belangrijk voor het bepalen van de omvang van het systeem. We gaan uit van een gemiddeld verbruik van 2 kW.

Energieopwekking

Het generator schip: de generator draait 24 uur per dag
Ervan uitgaande dat andere belangrijke kortstondige verbruikers tijdens het koken uitgeschakeld zijn en dat in de praktijk de kookplekken en ovens nooit gelijktijdig op maximum vermogen staan is een generator van minstens 15 kW nodig. In de praktijk wordt dan een generator van 20 kW geïnstalleerd. Vaak wordt deze generator ook voorzien van een hydraulische power take-off voor de boegschroef. Als voor continu generator gebruik wordt gekozen kan er een tweede, kleinere generator van laten we zeggen 6 kW worden toegevoegd voor de periodes waarin veel minder stroom nodig is. De accu’s en acculaders zouden in dit geval zeer klein blijven: bijna al het vermogen wordt immers door de generatoren geleverd.

Hoewel op het eerste gezicht eenvoudig en goedkoop, heeft deze oplossing enkele ernstige nadelen:
- 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 (complex en duur).
- Er is een walstroom aansluiting nodig van 20 kW (32 A driefasen).
- Er is een dure en zware 20 kW frequentieomvormer nodig om aan de andere kant van de Atlantische Oceaan op walstroom aan te sluiten.
- Een generator van 20 kW die 24 uur per dag draait zou een gemiddelde belasting hebben van slechts 2 / 20 = 10 %! Dit is niet goed voor de generator en ook niet goed voor het brandstofverbruik. Door een tweede, kleinere generator toe te voegen stijgt de gemiddelde belasting tot ongeveer 20 %. 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 accu toevoegen voor een generatorvrije periode
De accu wordt dan veel groter.

Accucapaciteit
De accucapaciteit hangt af van de duur van de generatorvrije periode en, heel belangrijk, het gebruik van airconditioning. Laten we aannemen dat de generator tenminste twee keer per dag draait, wanneer de kookplaat en/of ovens in gebruik zijn, als de watermaker is ingeschakeld en tijdens het wassen en/of afwassen. Met andere woorden: gedurende ongeveer 8 uur per dag. Verder gaan we uit van een gemiddelde accubelasting tijdens de generatorvrije periodes van 1.5 kW (= 63 A), wat resulteert in 1.5 x (24 – 8) = 24 kWh of 24 kWh / 24 V = 1000 Ah die per dag aan de accu wordt onttrokken. Toepassing van de vuistregel van par. 8.5.2 betekent een accucapaciteit van 2000 Ah.
Van de 48 kWh die per etmaal nodig is wordt in dit voorbeeld 24 kWh door de accu geleverd en de resterende 24 kWh direct door de generator.

De generator
Binnen 8 uur moet de generator 1000 Ah laden. We hebben een laadstroom nodig die iets hoger is dan 1000 / 8 = 125 A, bijvoorbeeld 175 A. Voor de generator betekent dit een belasting van 175 x 30 = 5.25 kW. Dit kan worden gedaan met de eerder genoemde generator van 20 kW, mits de acculaders zijn uitgeschakeld als er piekstroom nodig is voor het koken plus enkele andere elektrische apparaten die tegelijkertijd worden gebruikt. De door de generator te leveren energie is dan 1000 Ah x 30 V = 30 kWh voor de accu, plus de 24 kWh die direct aan de aangesloten apparatuur wordt geleverd: totaal 30 + 24 = 54 kWh, met inbegrip van de laad/ontlaad verliezen.

Door een accu van 2000 Ah aan het systeem toe te voegen hebben we:
- stilte aan boord dankzij 2 generatorvrije periodes van gemiddeld 8 uur
- het generatorgebruik van 24 naar 8 uur per dag teruggebracht;
- de gemiddelde belasting van de generator van 2 kW naar 54 / 8 = 6.75 kW verhoogd.

Maar we hebben nog steeds een walstroomaansluiting van 15 kW en een 50/60 Hz frequentieomvormer nodig.

Parallelle Multi’s met PowerControl en het DC-concept voor walstroom:
Het gebruik van Multi’s en PowerControl samen met de generator heeft de volgende voordelen (zie ook hoofdstuk 8):
- In plaats van een driefasen generator kan een één fase model worden gebruikt. Walstroom wordt ook één fase (zie onder).
- Ononderbroken voeding. Als de generator stil staat 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 acculaderfunctie. 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 5 Multi’s op kan lopen tot 5 x 70 A x 30 V = 10.5 kW), samen met andere verbruikers anders zou leiden tot overbelasting.
- Door het DC-concept toe te passen kan de walstroom van 15 kW tot 3.5 kW worden teruggebracht (in Europa zou dit een één fase walaansluiting van 230 V 16 A betekenen in plaats van een driefasen aansluiting) en 50/60 Hz frequentieconversie is een ingebouwde functie van het systeem. Om het DC-concept toe te passen moet de walstroom worden aangesloten op een of meer acculaders die gezamenlijk 100 A kunnen leveren. De installatie aan boord wordt dan door de 5 parallelle Multi’s gevoed. De 5 parallelle Multi’s hebben 10 kW continu vermogen en kunnen gedurende korte tijd 15 kW leveren.
Op het eerste gezicht lijkt 100 A laadstroom misschien een beetje weinig: een dagelijkse energie behoefte van 48 kWh betekent bij 24 V een gemiddelde stroom van (48 kWh / 24 h) / 24 V = 83 A. Maar aan de andere kant is het zeer aantrekkelijk om met een walaansluiting van slechts 16 A te kunnen volstaan. In de praktijk zal wanneer de boot aan de wal ligt de energie behoefte bovendien veel lager zijn omdat de watermaker, navigatieapparatuur enz. niet worden gebruikt en de bemanning met verlof aan de wal is.

1 stap verder: de MultiPlus en PowerAssist
Als de energie behoefte 48 kWh is per etmaal, en 54 kWh inclusief laad/ontlaad verliezen, dan moet de generator gedurende de 8 generator uren gemiddeld 54 / 8 = 6.75 kW leveren. Op basis van het gemiddelde vermogen plus wat marge zou dus ipv een 20 kW een 10 kW generator toegepast kunnen worden.
Installatie van 5x MultiPlus en PowerAssist. verhoogt het vermogen van 10 kW tot 10 + 5 x 2.5 = 22.5 kW.
Zodra het afgenomen vermogen toeneemt tot boven een van tevoren ingestelde limiet (bijvoorbeeld 8 kW om de generator niet op volle belasting te laten draaien), gaan de Multi’s vermogen bijleveren. De beschikbare energie van de 2000 Ah accu (24 x 2000 x 0.5 = 24 kWh) is meer dan voldoende om aan de kortstondige energiebehoefte tijdens bijlever periodes te voldoen.
Zodra het afgenomen vermogen daalt tot minder dan 8 kW, zullen de Multi’s de overtollige energie van de generator gebruiken om de accu’s te laden. De maximale laadstroom van 5 parallelle Multi’s is 5 x 70 = 350 A, wat 350 A x 30 = 10.5 kW aan de generator zou onttrekken. Veel meer dan nodig is en zelfs meer dan de generator kan leveren.

Walstroom
Wanneer men gebruik maakt van walstroom is de beste oplossing, het DC- concept.

De dieselgenerator: conclusie
Door een accu van 2000 Ah, 5x MultiPlus met PowerAssist en een gelijkrichter van 100 A aan het systeem toe te voegen kunnen we nu:
- 2 generatorvrije periodes per dag van in totaal 16 uur introduceren
- het vermogen van de generator terugbrengen van 20 kW (driefasen) naar 10 kW (één-fase)
- de benodigde walstroom reduceren van 15 kW (driefasen 25 A) tot slechts 3 kW (16 A 230 V walaansluiting);
- een frequentieomvormer van 15 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.

De DC-generator
Een alternatief voor de 230 V generator van 10 kW is een DC-generator van 10 kW.

Toevoeging van kleine DC “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. 1000 Ah.
- De grote generator hoeft minder gebruikt te worden.

Conclusie

Een vergelijking van de alternatieven voor 48 kWh per dag:

Energie behoefte tot 48 kWh per etmaal (gemiddeld 2 kW)
	10 kW AC generator met PowerAssist, plus een hulp set	20 kW dieselgenerator met PowerControl plus een hulp set	20 kW dieselgenerator met generatorvrije periode
Hulp set, 5 kW
Uren per etmaal	12	12	n.v.t.
Verbruik per etmaal	8 liter	8 liter	n.v.t.
Gewicht	150 kg	150 kg	n.v.t.
Generator
Uren per etmaal	6	6	8
Verbruik per etmaal	15 liter	20 liter	30 liter
Gewicht	300 kg	450 kg	450 kg
Accu
Capaciteit	24 V 1000 Ah	24 V 1000 Ah	24 V 2000 Ah
Gewicht	1000 kg	1000 kg	2000 kg
Walstroom	3,5 kW	3,5 kW	15 kW
Aansluitwaarde	16 A 1-fase	16 A 1-fase	32 A 3-fase
Auto-transformer 110 – 230 V	Niet nodig als acculaders met universele 90-265 V ingang worden gebruikt	Niet nodig als acculaders met universele 90-265 V ingang worden gebruikt	n.v.t.
Gewicht 15 kW frequentie omvormer	Niet nodig	Niet nodig	545 kg
Laders / Omvormers
Acculaders	100 A 12 kg	100 A 12 kg	200 A 24 kg
Omvormers	12.5 kW (5 x MultiPlus)	10 kW (4 x Multi)	2.5 kW
Gewicht	90 kg	72 kg	18 kg
Totaal gewicht van de installatie	1552 kg	1684 kg	3037 kg

Uit de tabel blijkt het volgende:

De 20 kW generator met generatorvrije periode (rechterkolom)
Dit alternatief is zwaar en de accu van 2000 Ah is duur, met het risico van hoge kosten als er een fout wordt gemaakt bij het beheren van de accu of zich een ongeluk voordoet, zoals bijvoorbeeld een defecte cel. Het alternatief, de generator 24 uur per dag gebruiken is ook niet erg aantrekkelijk.
Een tweede generator van bijvoorbeeld 6 kW zou het grootste deel van de dag kunnen worden gebruikt, waarbij de generator van 20 kW wordt ingezet als er meer vermogen nodig is. Naast lawaai en vervuiling zullen de gebruikskosten hoog zijn: zelfs een 1500 tpm generator zal elke 8000 tot 25000 uren (1 tot 3 jaar) een grondige revisie nodig hebben en natuurlijk regelmatig onderhoud. Voor aansluiting aan de andere kant van de oceaan zal een dure en zware frequentieomvormer geïnstalleerd moeten worden.

PowerControl en het DC-concept voor walstroom, en een hulp set om de accucapaciteit te reduceren (middelste kolom)
Door het DC-concept toe te passen wordt het walstroom probleem opgelost
Door een kleine generator (AC of DC) toe te voegen kan de accucapaciteit tot 1000 Ah worden gereduceerd, waardoor ook het gewicht met 1000 kg wordt verminderd.

Een kleinere generator met PowerAssist, het DC-concept voor walstroom en een DC generator (linker kolom)
Het belangrijkste verschil in vergelijking met de kleinere generator (10 kW ipv 20 kW), waardoor het gewicht met nog eens 130 kg wordt gereduceerd.