E-prop systeem

E-prop systeem.

techniek amulet


Dit E prop systeem is ontwikkeld door D&A Electric uit Ridderkerk. Om dit systeem goed te begrijpen moeten we eerst uitleggen hoe de conventionele aandrijflijn van een binnenvaartschip ontwikkeld wordt. De hoofd-dieselmotor aan boord van een conventioneel binnenvaartschip wordt in principe alleen voor de voortstuwing gebruikt, dus alleen om de schroef aan te drijven. De boegschroef en bijvoorbeeld een ladingpomp maken gebruik van losse dieselmotoren. De conventionele aandrijftrein kent dus slechts een paar schakels die tezamen de efficiency van de voorstuwing bepalen.

Bij het berekenen van het benodigde vermogen van deze traditionele aandrijftrein en het bepalen van de optimale schroef/dieselmotor-combinatie wordt voornamelijk uitgegaan van een volledige belading, een bepaalde snelheid- meestal vol vermogen- en diep water. Het resultaat: een motor die brandstofrendement, en een daarop afgestemde schroef die dat beschikbare vermogen omzet in voortstuwend koppel. Een ijzersterke combinatie dus… mits de vermogensvraag vrijwel continue binnen het optimale toerenbereik ligt, dus op langere strekken, goed beladen en zonder meervoudig gebruik te maken van de beschikbare energie.
Indien de vermogensvraag buiten dat optimale toerenbereik komt daalt het rendement van de schroef/dieselmotor-combinatie zeer snel en fors. De turbo doet niet meer volaan mee en onder halve kracht al helemaal niet.

Overal kan gesteld worden dat in een optimale situatie bij een schroef/dieselmotor-combinatie van de energie in de brandstof circa 22% wordt omgezet in stuwkracht. Wanneer het schip minder beladen is of om welke reden dan ook buiten het optimale toerenbereik komt, zakt dit rendement tot zo’n 11 a 13%.
Aanzienlijke afwijkingen van het optimale toerental en het daarmee gepaard gaande rendementsverlies komen in de dagelijkse praktijk helaas maar al te vaak voor. De vermogensvraag wordt beïnvloed door zeer wisselende omstandigheden zoals watertoevoer ,vaarsnelheid, op- en afvaart, het model van de romp, oneffenheden op de scheepshuid, beladingsgraad, waterdiepte etc.

De enige mogelijkheid die de schipper heeft is het toerental. Als de omstandigheden dus aanleiding geven om een tijdje 'gas terug te nemen' daalt het rendement van de schroef/dieselmotor-combinatie van gemiddeld 22% naar 17% of zelfs lager.

 

Het E-prop concept

Bij de nieuwe benadering van diesel-elektrische voortstuwing (het E-prop concept van D&A Electric BV) het je hetzelfde schip, in het achterschip zit gewoon een schroef en er hangt nog steeds hetzelfde roer achter. Dit geldt niet voor de Amulet, die wordt aangedreven door L-drives van Veth Propulsion. Niets nieuws wat dat betreft. Het grootste verschil zit in de opbouw van de aandrijving. Hier is geen sprake meer van 'losse schakels' maar van een complete keten waarbij elke schakel optimaal afgestemd wordt op de rest van de keten teneinde een zo hoog mogelijke efficiency van de voortstuwing te bereiken. De aandrijftrein bestaat bij de frequentie geregelde diesel-elektrische aandrijftrein uit de schroef, tandwielkast, elektromotor, schakelkast (frequentieomvormer), 2 of meer generatoren en dito dieselmotoren. De Amulet heeft vier generatorsets. Het is een complex totaalconcept waarbij alle afzonderlijke elementen op elkaar afgestemd zijn.

Rendement flexibel vermogen.

De aandrijving wordt niet alleen voor de voortstuwing gebruikt. Ook de boegschroef en eventuele andere 'verbruikers' zijn aangesloten, hiervoor hoeft geen extra vermogen geïnstalleerd te worden.
Bij het berekenen van het benodigde vermogen wordt vooral gekeken naar het gebruiksprofiel van het schip. Hoe vaak wordt er met hoeveel lading gevaren? Hoeveel voor- en tegenstroom? Hoeveel vermogen wil men onder al die verschillende omstandigheden gebruiken? Etc. Door vervolgens in plaats van één grote hoofdmotor, een net van kleinere generatorsets te installeren, kan de schipper vor een andere generatorcombinatie kiezen.
De besturing van het powermanagementsysteem zorgt voor die interactie, die dynamiek met de buitenwereld. De schipper kiest zelf aan de hand van het af te leggen traject, het waterpeil, de beladingsgraad, e.d. (de verwachte belasting dus) het aantal te gebruiken generatoren. Elke schipper weet hoeveel vermogen en hoeveel brandstof hij benut bij een bepaalde lading.

Vrij vertaald: de schipper schakelt eenvoudig van het grote motorvermogen over op een kleiner motorvermogen met als resultaat: een aandrijving die binnen het dan gewenste toerenbereik het volledige vermogen levert en dus een optimaal brandstofrendement. Dit resultaat is mogelijk omdat een generatorset altijd op hetzelfde toerental loopt en daar helemaal op is afgesteld. Belastingsgraad speelt slechts een beperkte rol. Bij een belasting van boven de 55% blijft het rendement praktisch gelijk op 40%. Dit valt grotendeels te verklaren doordat de blower altijd volaan meedoet, immers, een generatormotor draait altijd het volle toerental. Komt men onder de 55% belasting dan wordt het rendement van de generatordiesel wel slechter. Daarom maakt het E-prop concept gebruik van meerdere generatorsets zodat de in gebruik zijnde generatoren altijd een brandstofrendement van minimaal 40% halen.

 

Schroefrendement.

Verder rendementsvoordeel wordt behaald op de schroef. Het rendement van een vaste schroef is afhankelijk van een groot aantal factoren. Daarbij zijn een aantal vaste gegevens zoals diameter, spoed, model en bladoppervlak van de schroef. Daarnaast een aantal flexibele factoren zoals toerental, vermogen, beladingsgraad, snelheid door het water en watertoevoer naar de schroef. Als al deze factoren t.o.v. elkaar zijn geoptimaliseerd (afgeladen, volaan draaiend op diep water), dan kan het schroefrendement oplopen tot wel 55%. Deze ideale situatie doet zich echter niet vaak voor. Zodra één van de flexibele gegevens verandert is het ideale evenwicht verstoord en treedt rendementsverlies op. Het gemiddelde schroefrendement van een binnenvaartschip ligt zeer waarschijnlijk ergens rond de 45%.

Één van de redenen waarom het rendementsverlies bij de schroef optreedt zodra het evenwicht wordt verstoord, is dat bij het ontwerp van een schroef rekening gehouden moet worden met de vermogenskromme van een scheepsdieselmotor. Bepaalde aanpassingen aan de schroef, zoals de ondiep-water karakteristiek die bedoeld zijn om de diesel te helpen in moeilijke tijden hebben een negatief effect op het rendement in optimalere omstandigheden.

Bij een diesel-elektrische voortstuwing zijn dergelijke ontwerpaanpassingen niet nodig omdat externe invloeden op het schroefrendement worden ondervangen in de elektrische aandrijving. Dit geeft meer vrijheid bij het ontwerp van de schroef met als resultaat dat er beter ingespeeld kan worden op wisselende omstandigheden.
Het E-prop concept maakt gebruik van deze extra ontwerpvrijheid en gaat uit van een schroef die ook bij wat minder ideale omstandigheden een hoog rendement kan behalen, een combinatie eigenlijk van de voordelen van een vaste schroef en een verstelbare schroef in één concept. De schroef maak gebruik van positieve omgevingsfactoren zoals de kracht van het water onder het schip in de afvaart. Het gemiddelde schroefrendement komt daardoor op circa 55%. Dit betekent wederom een forse brandstofbesparing, daar ligt het tweede grote voordeel van het systeem.

 

Voordelen.

Verder zijn er nog allerlei 'kleinere' voordelen bij het E-prop concept:

  • Zo kan de boegschroef, ladingpompen en boordnet door de generatoren aangedreven worden.
  • In het achterschip staan geen dieselmotoren meer dus geen uitlaten, geen tanks, minder geluidsisolatie voor de accomodatie.
  • Meer ruimte op het achterschip voor evt een grotere accomodatie.
  • De onderhoudsintervallen van een generator zijn zo goed als twee keer zo lang als op een normale dieselmotor.
  • De generatoren zijn gemakkelijk uit te wisselen.
  • Als je traditioneel schip met een dubbelschroever (schepen met een lengte van meer dan 110 meter moeten minimaal met 2 voortstuwingschroeven hebben indien ze de gehele Rijn willen bevaren) de bocht in gaat, dan neemt de buitenste schroef meer vermogen op terwijl de binnenste vrijwel geen stuwkracht levert. Gevolg is dat de de draaicirkel groter wordt. In het E-prop concept hou je op alle twee de schroeven evenveel thrust, waardoor de draaicirkel korter wordt.
  • Betere manouvreerbaarheid, de kracht staat ten alle tijden 'klaar' omdat de generator al op het maximale toerental draait, bovendien accelereert een elektromotor sneller dan een dieselmotor.

 

In de toekomst zouden we zeker weer opnieuw voor het E-prop systeem kiezen. 

Energiebesparende bedrijfsvoering

V.O.F. Amulet, met besparingen tot 40 procent