Een kijkje onder de elektromotorkap
Het marktaandeel van hybride en volledig elektrisch aangedreven schepen groeit hard. Holland Shipyards Group merkt dit goed. Minder zichtbaar, maar simpelweg onmisbaar hierbij, zijn haar onderaannemer Holland Ship Electric en toeleverancier Danfoss. In dit artikel een kijkje onder de elektromotorkap.
De Green Deal is de grote aanjager van die toename, denkt sales manager André Brand van Holland Ship Electric (HSE) in Rotterdam. ‘Vijf jaar terug hadden we af en toe dat soort schepen. Nu maken zij het grootste deel uit van onze orderportefeuille.’ De ontwikkeling biedt zijn opdrachtgever Holland Shipyards Group in elk geval een zonnig toekomstperspectief. Evenals aan HSE, die de volledige elektrische installatie in schepen installeert. En aan Danfoss als toeleverancier van frequentieregelaars, DC/DC-omvormers en grid converters en als kennispartner en testcenter met zijn Application Development Center (ADC).
Noordzeekanaal
In zeven jaar tijd heeft HSE, met Danfoss als toeleverancier, zo’n zestig hybride dan wel volledig elektrische schepen opgeleverd. Momenteel bouwt HSE als onderaannemer mee aan de in totaal vijf volledig elektrische Noordzeekanaalveren (de NZK’s) voor het Amsterdamse vervoersbedrijf GVB. Een prestigieus project van de Hardinxveldse scheepswerf van de Holland Shipyards Group. Het eerste veer, de NZK-100, vaart sinds half augustus heen en weer. Het prijkte dit jaar als een van de drie genomineerden op de lijst voor de KNVTS-Schip van het Jaarprijs.
Omslagpunt
De keuze tussen conventionele en elektrische voortstuwing hangt vooral af van het traject dat een schip zelfstandig moet afleggen, stelt Brand. De ontwikkelingen gaan snel. Twintig jaar terug voer elk schip op diesel. De laatste jaren zie je de balans langzaam uitslaan in het voordeel van milieuvriendelijkere voortstuwing.’
Schepen die vijf tot tien uur achtereen zelfstandig moeten kunnen varen, kunnen al volledig elektrisch varen. ‘Sterker, de NZK’s steken zevenmaal 24 uur volledig elektrisch het Noordzeekanaal over. Mede doordat ze tussen elke oversteek steeds enkele minuten hun batterijen vullen.’
Op langere afstanden bewijst het volledig elektrische veer Düsternbrook voor de Noord-Duitse veerdienst SFK Andrés gelijk. Deze ferry leverde Holland Shipyards Group afgelopen mei op, eveneens in samenwerking met HSE en Danfoss. André: ‘De Düsternbrook vaart zelfs zo’n dertien uur per dag in een route door Kiel.’ Dit kan het veer volhouden, doordat het SFK het op de stillere momenten uit de vaart haalt. André: ‘En ’s nachts laden de batterijen weer helemaal op.’ Een tweede exemplaar, de Wellingdorf, moet over een halfjaar de werf verlaten. Uit de binnenvaart zijn het dieselelektrische cts Sendo Liner (2019) en het ms Alphenaar (2021), gebouwd door Concordia Damen, bekende voorbeelden. Bij de bouw hiervan waren Oechies Elektrotechniek, de oudere zusteronderneming van HSE, en Danfoss betrokken.
Waterstof
In het hogere segment, tot een vaartraject van zo’n 20 uur, gaat waterstof fossiele brandstof vervangen. Het grootste nadeel is voorlopig de hoge marktprijs, erkent hij. ‘Maar serieproductie verlaagt de prijs enorm.’ Zelf maakt HSE momenteel voor het eerst kennis met waterstof. Voor Holland Shipyards Group werkt het installatiebedrijf samen met Danfoss mee aan de ombouwoperatie van het binnenvaartcontainerschip Maas. De hoofd- en generatormotoren in het schip maken hierbij vanaf maart komend jaar plaats voor een brandstofcel-voortstuwing op waterstof.
Het derde segment, zeeschepen die de wereldzeeën bevaren, kan voorlopig niet zonder diesel of het fors schonere, maar niettemin fossiele LNG, stelt André. ‘Maar als zeeschepen wereldwijd waterstof onder een afleverdruk van 700 bar zouden krijgen, in plaats van de huidige standaard van 350 bar, zou dit hun actieradius verdubbelen. Dat is op zijn best toekomstmuziek. Daarom richten wij ons liever op wat nu wél kan.’ Wat zowel het eerste als tweede genoemde scheepssegment betreft groeien die kansen alleen maar. ‘Een batterijpakket heeft nu, vergeleken met een even groot pakket zes jaar terug, tweemaal zoveel capaciteit voor de helft van de toenmalige prijs. Het maximale aantal vaaruren bij gelijk vermogen neemt dus snel toe.’
Verschuiving
Ook met waterstof gaan de ontwikkelingen snel. De komende jaren stijgt het bereik van waterstofaangedreven schepen naar zijn inschatting al snel naar 50 vaaruren. ‘Zeker als de maximaal toegestane waterstofdruk omhoog gaat. Als ik zie hoeveel mensen de laatste drie jaar met waterstof bezig zijn, verwacht ik wel een verschuiving hierin.’
Alleskunner
Een elektromotor heeft twee vermogensstanden als je hem op een elektriciteitsnet aansluit: aan en uit. Met een frequentieregelaar ertussen kun je zijn toerental regelen. Zulke frequentieregelaars maken ook het voortstuwen van schepen met elektrische motoren mogelijk. Danfoss Drives richt zich volledig op de ontwikkeling van zulke frequentieregelaars. In luchtgekoelde en vloeistofgekoelde varianten.
Over de toepassing van zo’n frequentieregelaar lijkt nu in principe alles wel gezegd. Toch klopt dit niet, lacht Dick Kant, business development manager bij Danfoss Drives Nederland. ‘Met zo’n standaard frequentieregelaar als uitgangspunt heeft Danfoss Drives allerlei manieren bedacht om hem ook voor andere doeleinden te gebruiken. Dat doen wij door middel van software. Dus in de basis is het een standaard frequentieregelaar of inverter, maar de software bepaalt de eigenlijke functie.’
Statische generator
Zo verkoopt Danfoss Drives verschillende types omvormers, met telkens diezelfde frequentieregelaar als basis. De software zorgt ervoor dat bijvoorbeeld de inverter (een frequentieregelaar met gelijkspanning als invoerspanning) de variërende gelijkspanning van batterijen of brandstofcellen omzet naar een hogere gelijkspanning voor de afnemers. Of andersom de gelijkspanning verlagen om de accu’s te kunnen laden. Kant: ‘Dit noemen we een DC/DC-omvormer. Uit deze gelijkspanning kunnen we ook een wisselspanning maken. Dan kunnen we met een motorinverter het toerental van de wisselstroomelektromotor regelen, middels frequentieregeling. Of we vormen de gelijkspanning om naar wisselstroom voor het hotelbedrijf, dus van DC naar AC, een zogenaamde microgrid. Dat levert gelijk een kostenbesparing op: je hebt niet per se walvoeding nodig. Je haalt de energie uit de accu’s. De microgrid gedraagt zich dan als een generator.’
Ook andersom maken de - als omvormers ingezette - frequentieregelaars het verschil: ze zetten de wisselstroom van de generator om naar gelijkstroom voor het centrale DC-elektriciteitsnetwerk (DC-bussysteem). Het bussysteem en de omvormers aan boord zijn tenslotte op gelijkstroom ingericht. Hierdoor functioneren de generatoren op dezelfde manier als een accupakket.
DCGuard™
Veel batterijaangedreven nieuwbouwschepen hebben ook nog generatoren aan boord. Om energie op te weken, of als achtervang bij batterijuitval. Kant: ‘Klassenbureaus willen vaak twee gescheiden DC-netten aan boord. Waarom? DC-netten zijn wat lastiger te beveiligen dan AC-netten, en bij een kortsluiting wil je niet dat het gehele schip uitvalt.’
De DCGuard™ van Danfoss Drives, opnieuw met een frequentieregelaar als basis, zorgt voor een oplossing. ‘Die plaatsen we tussen de twee gescheiden DC-elektriciteitsnetten om deze toch te kunnen koppelen. Want dat wil je meestal graag, voor de meest efficiënte energiestroom.’ De DCGuard fungeert als zo’n veilige koppeling. Bij kortsluiting in één DC-net, ontkoppelt de DCGuard in enkele microseconden het andere DC-net. Hierdoor is er altijd een extra voeding beschikbaar. Kant: ‘Meerdere klassenbureaus hebben de DCGuard officieel goedgekeurd.’ De afnametesten vonden plaats in het Application Development Center (ADC) in Gorinchem, waar Danfoss onder meer dit soort testen kan uitvoeren.
Noodgenerator
Het ADC heeft een grote rol gespeeld in het toepassen van de eerste DCGuard, op de nieuwe IJveren. Deze ponten heeft Holland Shipyards, met HSE en Danfoss, vóór de NZK’s gebouwd, eveneens voor vervoersbedrijf GVB.
De NZK’s hebben overigens wel twee dieselgeneratoren. Dick Kant: ‘Die kunnen bij zwaar weer of accuproblemen bijspringen, of de veren aandrijven tijdens batterijonderhoud.’ Toch varen ook de NZK’s met de DCGuards van Danfoss. Voor een efficiënte energieverdeling, of als beide accupakketten zouden uitvallen. ‘De kans daarop is klein, maar dan kan dankzij die DCGuard maar één noodgenerator de batterijfuncties overnemen. Heel efficiënt dus.’
Testcentrum
Dat het GVB het pionieren met de DCGuards in zijn IJveren aanvaardde, hangt volgens Kant samen met het feit dat Danfoss Drives één van zijn twee Application Development Centers (ADC’s) in Gorinchem heeft zitten. Het andere testcentrum staat in Singapore. Kant: ‘Doordat wij zo dicht bij huis een ADC hebben zitten, kunnen we nieuwe ideeën uitgebreid in proefopstellingen testen. En weten we zeker dat het werkt, vóór we ermee naar een klant toe stappen. Zo kunnen we in het ADC met steeds betere software telkens nieuwe functies uit frequentieregelaars halen, en uitgebreid beproeven: tot 2200 kW belast! Vervolgens kunnen we ze met een gegarandeerde kwaliteit op de markt brengen. Ondanks dat het om innovatieve techniek gaat.’
De inzet van frequentieregelaars in combinatie met software maakt het assortiment van Danfoss niet alleen divers maar ook traploos schaalbaar, meldt Kant. ‘Veel leveranciers verkopen verschillende frequentieregelaars, met vaste vermogens. Wij verkopen nauwkeurig per energieverbruiker afgestemde frequentieregelaars. Die werken hierdoor heel efficiënt. Daarnaast is alle hardware in de basis gelijk, en heeft de gebruiker telkens dezelfde bedieningservaring. En door de uniforme hardware en uitwisselbaarheid kunnen we problemen eenvoudiger verhelpen.’
‘We komen er altijd samen uit’
Scheepsbouwer Holland Shipyards Group werkt nu zo’n twintig jaar met het elektrische-installatiesbedrijf Holland Ship Electric (HSE) samen, meldt HSG-directeur Marco Hoogendoorn. ‘Hierbij rekenen we de jaren met zijn moederbedrijf Oechies natuurlijk mee. Maar goed, zo’n tijd houd je het samen niet vol als je het slecht hebt met elkaar.’
‘We zijn zo’n beetje jullie hofleverancier’, stelt sales manager Brand van HSE tevreden vast. Zijn werkgever heeft er een goeie klant aan: zo’n 40 procent van de omzet haalt HSE bij Holland Shipyards Group. Marco Hoogendoorn: ‘We vragen ook weleens een prijs op bij concurrenten van HSE, hoor. Maar als we voor HSE kiezen, weten we dat het afbreukrisico klein is, doordat we vertrouwd zijn met elkaars manier van werken. Uit ervaring weten we dus dat het goed komt.’ Belangrijk hierbij vindt Marco dat André en zijn collega’s de insteek hebben om problemen samen met hun opdrachtgever op te lossen. Marco: ‘We voeren dan soms echt wel stevige discussies, maar we komen er altijd uit.’
André knikt. ‘Daar sta ik volledig achter. De samenwerking is heel intensief, maar laat zich het beste omschrijven als ”gezellig”. Een man een man, een woord een woord. We treken gezamenlijk op, als het mee- en als het tegenzit.’
Samenwerking Danfoss met HSE
De samenwerking tussen HSE en Danfoss is hecht. Kant: ‘Naar zo’n band streven wij met alle systeembouwers.’ Met HSE werkt Danfoss al heel lang samen. Tot 2014 gebeurde dat onder onze voormalige naam Vacon, daarna als Danfoss Drives.’
De Deense fabrikant levert hierbij de frequentieregelaars en modules met eventueel aanvullende hardware aan HSE. HSE bouwt ze vervolgens in, samen met alle andere benodigde elektronica en besturing om het totale schip te kunnen laten varen.
Toch beperkt de rol van Danfoss Drives zich niet tot die van toeleverancier. Kant: ‘We beschouwen HSE niet alleen als onze klant, maar we zien de scheepsbouwer en via haar de eindklant als onze gezámenlijke klant. We denken daarom tijdens heel het traject met ze mee. We leggen bijvoorbeeld uit hoe ze onze componenten moeten inbouwen, welke zekeringen ze nodig hebben, hoe ze de koelwatertemperatuur per opstelling kunnen reguleren, hoe de software optimaal werkt en welke nieuwste technieken we hebben. De samenwerking tussen Danfoss en onze systeembouwers is het gezamenlijke sterke punt.’
Technische kennis
Sales manager André Brand van HSE kan dit beamen. ‘Danfoss staat vóór en náást zijn product. Zijn mensen schuiven geen dozen over de toonbank, maar hebben als uitgangspunt de houding ”U hebt een probleem, en wij lossen het op.” Hun concurrenten mogen ook aan ons leveren, en dat doen ze ook. Maar Danfoss biedt een mate van technische kennis die niet veel vergelijkbare leveranciers hebben.’
Van de warme band tussen zowel de Holland Shipyards Group en HSE als tussen HSE en Danfoss, plukken alle betrokken partijen de vruchten, vindt Danfoss-manager Kant. ‘HSE is op het juiste moment op de juiste plaats. Eerst met de IJveren en nu met de NZK’s.’ HSE en Danfoss Drives raken hierbij steeds beter op elkaar ingespeeld. ‘In het begin van onze samenwerking waren we meestal een week aan boord om alles in bedrijf te helpen stellen; nu komen we een halve dag voor enkele details.’
De leveringen van Danfoss Drives voor de NZK
2 x Danfoss VACON DC-Bussysteem 750VDC met DCGuard™
2 x NXP watergekoelde regelingen 450kW
2 x Danfoss VACON NXP watergekoelde generatorregelingen 350kW
2 x Danfoss VACON NXP watergekoelde motorinverter voortstuwregelingen 350kW
2 x Danfoss VACON NXP watergekoelde DC/DC-omvormers 900kW
2 x Danfoss VACON NXP watergekoelde uGrid-regelingen 50kVA
2 x Danfoss VACON NXP luchtgekoeld, stuurregelingen voor voortstuwers 11kW
Tekst: Schuttevaer (Dick den Braber)
Foto’s: Worcflow