Ska bygga en hybridbåt, elmotorlösning

[firefish 245]

Jag håller på att skissar upp nästa arbetsbåt. I grova drag handlar det om en båt som ska vara optimerad för två fartområden, planande högfart samt deplacementfart väl under skrovfart.

 

Högfartsmaskineriet består av en enkel diesel som via koppling (PTO) driver en vattenjet. Direktdrift utan transmission och optimerad jet ger en verkningsgrad som med god marginal ligger över vad man typiskt kan förvänta sig av ex dubbelinstallation och drev i samma fartregister (27-28 knop i marschfart).

 

Lågfart ska ske med elmotor som driver vattenjeten med diesel urkopplad. Det är också mha elmotorn som jag ska kunna backspola jeten (därav slipper jag backslag). Enligt beräkningarna behöver jag tack vare den höga längdskärpegraden bara cirka 1600 N för att putta båten i 6,5 knop (nollvind och inga vågor) vid ett deplacement på 10 ton. Sett till jetens verkningsgrad kan det översättas till omkring 12 kW.

 

Eftersom en vattenjet i stort sett kan betraktas som "omöjlig" att få ett driftbortfall med tänker jag mig dock att ha en elmotor på 35-40 kW som kan användas i ett knepigt läge om huvudmotorn lägger av. På så sätt får jag tvåmotorinstallationens driftsäkerhet utan att behöva böta i form av sämre verkningsgrad.

 

När det gäller elförsörjningen lutar det just nu åt dmfc, med andra ord metanolbränslecell. Det danska företag jag pratat med har bränsleceller på 5 kW som väger 65 kg med en verkningsgrad på över 40 procent. Fyra sådana ger mig 20 kW vilket i kombination med säg 5 kWh batteri för sprinter torde bli en stabil och långvarig elförsörjning. 

 

Det jag däremot inte hittat än är en lämplig elmotor. Jag vill ogärna ha en lösning med rem och magnetkoppling eller liknande utan tänker mig en motor där rotorn går rätt igenom med en fläns på varje sida. På min fina skiss ser ni hur jag tänkt mig lösningen.

 

Kruxet är att dels hitta en elmotor vars rotor klarar mina 588 kW och som också är en lågspänningsenhet då jag helst inte vill ha över 48 volt. Bland annat Parker har  denna typ av motor men då är det 400 volt som gäller och även om det naturligtvis går att bygga säkert så... Dessutom ger bränslecellerna en dc utspänning så om den måste omformas för att motorn behöver det så innebär det förluster (man kan välja på 48, 375 eller 560 volt men 48 känns ju säkrast).

 

Eftersom jag vet att det finns några elkunniga här så tänkte jag passa på att fråga om ni känner till någon bra lösning?

[Lintott 1 907]

Jag har en liten ledtråd som du kanske kan försöka nysta i...

 

Nanni levererade 2014 en segelbåtsmotor (N4.38) för hybriddrift (dieselmotor 37 hk, elmotor 5 kW) och med li-jon-batterier på 5 kW.

 

Lite lägre effekter än vad du är ute efter men de har kanske även större motorer att välja bland eller enskilda komponenter som kan passa för din idé.

 

Ola Leemhuis på Centerline, generalagent för Nanni i Sverige var inblandad i projektet.

 

http://www.linjettsegelbatar.se/linjett-37/sveriges-forsta-segelbat-med-integrerad-hybridmotor/

[sniparn 14]

588 KW, läste jag rätt? En ganska stor elmotor isåfall.

 

[Lintott 1 907]

25 minuter sedan skrev sniparn:

588 KW, läste jag rätt? En ganska stor elmotor isåfall.

 

 

588 kW är dieselmotorns effekt.

Elmotor på 40kW.

När vattenjeten drivs av dieselmotorn så ska elmotorns rotoraxel  "tåla" dieselmotorns kraft.

[Baxlaget 244]

Hur fungerar eldriften? Ska elmotorn dra runt dieseln? Måste finnas en frikoppling

[firefish 245]

40 minuter sedan skrev Baxlaget:

Hur fungerar eldriften? Ska elmotorn dra runt dieseln? Måste finnas en frikoppling

 

PTO är kopplingen (power take off). 

[Baxlaget 244]

Magnetkoppling?

[firefish 245]

Finns olika varianter, allt från frihjul till helt mekaniska torrkopplingar samt hydrauliskt styrda våta dito. 

[FIATX19 159]

Riktigt intressant.

De flesta har väl valt att gå på 600volt i fordonsindustrin så är nog tuffare att hitta 48 volts lösning.

Men borde finnas.

Grymp imponerad av projektet och hoppas du ror det i hamn (ursäkta den dålig vitsen).

[bhemac 2 859]

Oj, det var ett ambitiöst projekt! Men intressant.

Vattenjet låter vettigt. Det jag vet om vattenjet är att det är effektivt i höga farter men ineffektivt i låga. 

Det jag inte förstår är behovet av backflush, de flesta verkar inte ha det. För att vid behov rensa intaget finns ju andra möjligheter med nedfällbara rensgaller. Bygger man om en båt till vattenjet så får ju oftast backslaget vara kvar. Själva backslaget försämrar inte systemets verkningsgrad men en nedväxling gör det.

Bränsleceller är också intressant, i synnerhet när man kör på vätgas, men det det vill man nog inte.

DMFC (Serenergy?) är klart spännande men ganska dyrt? Verkningsgraden verkar man fått upp, ca 40% sägs det men lite oklart om det innefattar återvunnen värme. Med vätgas kan man komma upp runt 60% men en eFoy har ca 16% verkningsgrad.

Metanol är ju heller inte så kul att handskas med men däremot relativt billigt även om energiinnehållet är ca häften mot tex diesel vilket ju innebär att man måste släpa med sig dubbelt så mycket för att bibehålla räckvidden. 

[En kille jag känner beställde en arbetsbåt med dubbla bensinmotorer, tanken var att köra på metanol. Han räknade med att kostnaden per M skulle vara något lägre. Största värdet var miljöaspekten. Tyvärr valde han Volvo som sen vägra leverera styrkort. Hade han valt MerCruiser hade det inte varit något problem]

Alternativet till den, i och för sig, läckra bränslecells lösningen är ju att sätta en fet generator på dieseln som kan ge tillräckligt med effekt vid lågt varv på dieseln så att den ändå får en acceptabel belastning.

Den enklaste lösningen för lågfart är nog en eller två separata, dieslar. Med drev eller raka axlar + ställbara eller flöjlande propellrar. Kan ju även vara elektriska motorer.

 

De DC motorer som används till mindre elfordon är speciella, de kräver en kontrolenhet för att fungera. Vilket ju inte en vanlig likströmsmotor gör.

Hög spänning är det nog bara att stå ut med annars blir strömmarna väldigt höga och därmed även kostnaderna.

[firefish 245]

För mina ändamål är vattenjet mycket bra då jag behöver grundgåendet (därav också behovet av att kunna backspola ut hötter och annat gojs). För mer normalt nyttjande behövs det inte. Här får jag dock den funktionen på köpet och slipper således transmissionsförluster samt problemen att få transen att lira med elmotorn.

Eftersom jag behöver god fart när jag ska gå fort blir verkningsgraden med denna jet av mixflow-typ mycket bra, cirka 65 procent vi 28 knop, vilket man inte kommer upp i med dubbla drev eller varken en eller två axlar.

 

Det är Serenergy jag talat med. 45 procent verkningsgrad, dvs 450 elwatt ut från 1000 metanolwatt in.

 

Att jag var inne på lågspännings dc-motor berodde dels på säkerhet men också på att bränslecellen kan ge 48 volt dc ut samt att det är lagom att lagra i batterierna. Ska jag ta ut 375 eller 560 VDC ur bränslecellen måste ju det omformas till säg 60 VDC för batterierna från vilka vi tar dc till motorn som ska omformas till 400 VAC – många steg som kräver utrustning som i sin tur har förluster. Kom gärna med tips på ett effektivt upplägg. 

 

Ser man till effektiviteten hos bränslecellen, verkningsgraden hos cellen och elkedjan bör förbrukningen vid lågfart hamna på strax under ett kilo metanol per sjömil (deplacement på 10 ton samt fart på 6,5 knop). Skrovmotståndet är då omkring 1700 newton. Det kan vi översätta till omkring 6 kronor per sjömil sett till bulkpriset för biometanol samt logistikkostnader (jag bor på en ö).  

 

Jag vill så få batterier som möjligt och jag vill inte ladda de batterier jag måste ha med landström (kolkraft?). Sett till vikten för installationen för bränslecell kontra batteri går jag plus minus noll vid cirka 35 kWh och att öka mängden elektrisk energi (mer metanol) har ett mycket litet tillskott av vikt. Serenergys bränslecell har vid test gått över 8000 timmar utan reduktion i prestanda, tvivlar på att batterier skulle ge mig lika bra prestanda ens om jag hade en jättebank.

[bhemac 2 859]

Nu har jag ingen aning om hur man kan reglera utspänningen från en bränslecell. Det är i vart fall inte  enkelt som hos en generator. Antagligen gör man det med någon forma av PWM reglering med små förluster. En rätt batterispänning är antagligen runt 300V. Med tanke på effektkravet på elmotorn handlar det troligen om en AC motor men det inga vanliga AC-motorer utan 3/4 fas motorer som kräver speciella kontrollers där frekvensen styrs för att få rätt varvtal. Alla elfordonsmotorer har mycket hög verkningsgrad och kan överbelastas rejält.

Sen är det ju frågan om axeln håller men det verkar göras en hel del specialmotorer så det är nog ite helt omöjligt.

Att man inte vill ha så hög spänning kan jag förstå men det är där tekniken hamnar idag. Det handlar naturligtvis om någon form litiumbatterier. En fördel som finns då är ju att skulle en cell rasa om några år så är det bara att plocka bort den, man för en liten prestanda sänkning men får också tid att skaffa en ny.

Som kuriosa så kan man stoppa datorladdaren direkt i ett 300VDC uttag, alla elprylar med switchade nätaggregat (och det är många!) kan köras direkt på 150-300VDC. Man kör hela serverhallar idag på 300VDC.

[bhemac 2 859]

Jo, en sak till. Om det är någon motor som går att få ner varvtalet på så är det AC motorn, "bara" att öka antalet poler. Hjulmotorer är tex alltid AC.

[least 6]

Att leta efter 48 volt-system kommer att leda till fördyrningar och speciallösningar.
Använd de spänningar som används inom elfordonsssystem och bygg på "rätt" sätt, så kommer det inte bli farligare än lågspänningssystemet.