Hybride voortstuwing spaart energie

Siemens Marine Solutions heeft een compact voortstuwingssysteem op de markt gebracht voor de dieselelektrische en hybride aandrijving van grote jachten, patrouilleschepen en binnenvaartschepen. Het Siship-Eco Prop-systeem gebruikt een combinatie van generatoren, frequentieomvormers, elektromotoren en tandwielkasten op een manier die tot nu toe vrijwel alleen werd toegepast op grote cruiseschepen of ijsbrekers en voor industriële aandrijvingen.

Twee paarsgewijs geplaatste elektromotoren drijven via één reductiekast de schroef aandrijven. De elektromotoren zijn watergekoeld. (Foto Bernard Bos)

1/1

Gerelateerd nieuws

Binnenvaart moet technisch vernieuwen

Versluis sr. verbouwt loodsboot en doopt haar Nelson Mandela

40.000 pk en nog steeds een kleintje

Impuls nodig om dalende trends binnenvaart te keren

Meer over

Actueel

De elektromotoren zijn zeer compact. ‘Dat kan omdat we watergekoelde omvormers en motoren gebruiken. Door het hoge toerental wordt bij een kleine omvang van de motoren een relatief hoog vermogen opgewekt', zegt Martien Koornneef van Siemens Nederland. De elektromotoren werken op 400 Volt wisselstroom (drie fasen). Het toerental wordt met frequentieomvormers geregeld. ‘Ook die zijn watergekoeld en compact.'

Generatoren, omvormers en elektromotoren worden aangestuurd door een centraal management- en besturingssysteem. ‘Dat maakt het behalen van grotere brandstofbesparingen mogelijk dan met andere dieselelektrische systemen. Een van de bijzonderheden is, dat de generatoren met een variabel toerental draaien, dat zich aan de belasting aanpast. De frequentieregelaars kunnen een variabele ingangsspanning en frequentie aan. De eerste helft van de frequentieregelaar, de gelijkrichter, zit bij de generator en zet de wisselende spanningen om in gelijkstroom van 400 Volt.'

De frequentieregelaar kan dat vanaf een frequentie van ongeveer 35 Hertz. Het toerental van de generator bedraagt dan zestig procent van het normale toerental, dat bij vijftig Hertz is bereikt. Een generator die dat bij 1500 toeren levert kan dus al bij 900 toeren stroom leveren. Het managementsysteem voorkomt dat het toerental bij een lage vermogensvraag daaronder daalt of schakelt een generator af. Het variabele toerental maakt het mogelijk zeer zuinig te draaien en steeds de optimale belasting te zoeken. ‘De variabele ingangsspanning naar de frequentieregelaar is de crux van het systeem. Wanneer een schroef minder vermogen vraagt dan de generatoren leveren, gaat één van de generatoren langzamer draaien. Het is mogelijk drie generatoren met verschillende toerentallen te laten draaien. Zo kunnen we de motoren heel efficiënt gebruiken. Synchroniseren van generatoren is met frequentieregelaars niet nodig, dus het bijspringen van een generator bij stijgende belasting gaat ook snel', zegt Koornneef.

De gelijkstroom die de verschillende generatoren leveren wordt in de tweede helft van de frequentieregelaar, bij de elektromotoren, omgevormd tot wisselstroom van nul tot 400 Volt. De frequentie wisselt met het gevraagde toerental van de schroef en kan traploos variëren van nul tot vijftig Hertz. Bij grote jachten kan een accubank deel uitmaken van de voortstuwingsinstallatie. Grote jachten kunnen dan geruisloos en zonder CO2-uitstoot de haven uitvaren.

Hybride binnenvaart
Voor zwaardere toepassingen, zoals op binnenschepen, kan Siemens de dieselelektrische voortstuwing combineren met directe dieselaandrijving, zodat een hybride aandrijving ontstaat. Bij deze variant kan de schroef alleen door een dieselmotor worden aangedreven, alleen door een elektromotor of door beiden. Bij deze oplossing kan een binnenvaartschip met een kleinere hoofdmotor toe. ‘Bij deze variant zitten diesel- en elektromotor, via een speciaal ontwikkelde koppeling van ZF, parallel op de schroefas aangesloten en wordt steeds de meest efficiënte optie gekozen. Wanneer je geladen van Rotterdam naar Duisburg vaart, gebruik je bijvoorbeeld alleen de dieselmotor die dan met een belasting van tachtig tot negentig procent, optimaal wordt belast. Wanneer bij harde tegenstroom even wat extra toeren en vermogen nodig zijn, springen de generatoren en de elektromotor bij en draaien de motoren dus samen. In de afvaart volstaat alleen de elektromotor misschien, wanneer deze door drie generatoren wordt aangedreven. Op de Duitse kanalen of kleine Belgische waterwegen kan men elektrisch varend misschien al met twee generatoren toe.'

Binnenvaartschepen varen zo altijd met optimaal belaste motoren. ‘Wanneer het schip manoeuvreert en veel van toerental wisselt, kan de stuurman het telkens bij- en afspringen van generatoren voorkomen door de regeling te overrulen.'

In de sluis of wachtend voor een brug, kan het managementsysteem hoofdmotor en overbodige generatoren automatisch afzetten. Wanneer het schip weer gaat varen springen ze automatisch bij. ‘Dat werkt net als bij een hybride auto in de file of voor een stoplicht. De motoren staan dan helemaal stil. Het consequent afzetten van onbelaste motoren wanneer een schip stilligt, levert over een jaar genomen behoorlijke brandstof- en onderhoudsbesparingen op. Bovendien vervuilen de motoren zo niet.'

Vaarprofiel
Of een hybride systeem aantrekkelijk is voor een vrachtschip hangt af van het vaarprofiel. ‘Wie altijd lange afstanden vaart met een min of meer gelijke belasting van de schroef is met alleen een dieselmotor het beste af, dan heeft een hybride systeem geen zin. Maar wanneer de belasting wisselt is het wel zinvol. Ook voor passagiersschepen, pontjes en patrouilleschepen, die de ene keer langzaam en dan weer snel varen is het interessant.'

Voor binnenvaarttankers zijn combinaties denkbaar waarbij generatoren en omvormers ook kunnen worden gebruikt voor het aandrijven van de ladingpompen. ‘Het aardige is, dat de onderdelen van elektromotoren en generatoren hetzelfde zijn', zegt Koornneef. ‘Onderdelen zijn uitwisselbaar en de elektromotor kan ook worden gebruikt als boordgenerator als het schip een langere reis maakt waarbij de dieselmotor niet volledig wordt belast. Hij werkt dan als asgenerator. Dankzij de frequentieregelaars hoeft de hoofdmotor daarbij geen vast toerental aan te houden. Het toerental kan veertig procent onder het optimale toerental liggen.'

800 kW
Het op de SMM geïntroduceerde elektrische systeem is leverbaar in vermogens van honderd en 200 kW. Het is mogelijk twee elektromotoren op één koppeling aan te sluiten. Op dubbelschroefs schepen kan daarmee tot 800 kW vermogen worden geleverd. Het maximale vermogen op de schroef ligt wat lager door overbrengingsverliezen. De variant met dieselelektrische en dieseldirecte aandrijving is in diverse vermogensvarianten leverbaar. ‘In principe is het hybride systeem met elk merk dieselmotor te combineren. Ook de dieselmotoren voor de generatoren kunnen door de klant worden gekozen. Vanaf het druklager achter de koppeling is de keuze voor de schroefas en propeller eveneens vrij. Wij leveren het hele elektrische systeem, vanaf de generator tot en met de elektromotor. De keerkoppeling met dubbele ingang leveren we met ZF.'

Het managementsysteem is uitgerust met een monitor waarop alle gegevens zichtbaar zijn. (HH)