PROJECT H FROM O. Versie: 1. Dhr. Joosten. Maritiem Instituut Willem Barentsz. Door: Bart Enting, Bart Ruijter. Marijn Grevink,

PROJECT H FROM O

Versie: 1 Dhr. Joosten Maritiem Instituut Willem Barentsz

Door: Bart Enting, Bart Ruijter & Marijn Grevink,

Project H from O

Voorwoord Onder invloed van onder andere de economische crisis, zijn de olie prijzen torenhoog gestegen. Rederijen nemen maatregelen om de kosten van de brandstof in te kunnen perken door economischer te gaan varen. Hierdoor komen allerlei innovatieve ideeën de hoek om kijken en het gebruik van waterstof bij dieselmotoren is er hier één van. Meerdere bedrijven hebben bekeken hoe ze het gebruik van waterstof kunnen toepassen aan boord van zee schepen en nu denkt Thysenkrupp hier een oplossing voor gevonden te hebben. Zij hebben een systeem ontwikkeld die waterstof bij de verbrandingslucht toevoegt om hierdoor de verbranding vollediger te laten lopen. Nu is dit systeem aangesloten op het lichtnet en gebruikt het dus ook energie van de generatoren om zichzelf aan te drijven. Wij hebben bedacht dat dit misschien ook wel beter kon. Zou het mogelijk kunnen zijn om dit innovatieve systeem aan te drijven met behulp van zonnencellen?

2 Maritiem Instituut Willem Barentsz

Project H from O

Contents Voorwoord ...................................................................................................................................................... 2 Samenvatting .................................................................................................................................................. 4 Inleiding ........................................................................................................................................................... 4 Doelstelling .............................................................................................................................................. 4 Probleemstelling...................................................................................................................................... 4 Hoofdvraag .............................................................................................................................................. 5 Deelvragen .............................................................................................................................................. 5 Onderzoeksvragen................................................................................................................................... 5 Het onderzoek ................................................................................................................................................. 6 Zonne-energie systeem ................................................................................................................................... 6 Hoeveel energie levert een zonnepaneel? .............................................................................................. 6 Hoeveel kost een zonne-installatie? ....................................................................................................... 6 Is er ruimte aan boord voor de zonnepanelen? ...................................................................................... 6 Brandstof ......................................................................................................................................................... 7 Hoeveel kost de brandstof? .................................................................................................................... 7 Hoeveel brandstof bespaart men? .......................................................................................................... 7 Waterstof ........................................................................................................................................................ 9 Hoeveel waterstof heeft men nodig voor het gebruik? .......................................................................... 9 Hoeveel waterstof kan men opwekken met de installatie? .................................................................... 9 Hoeveel kost de installatie? .................................................................................................................... 9 Terugverdientijd installatie ........................................................................................................................... 10 Conclusies ...................................................................................................................................................... 11 Literatuurlijst ................................................................................................................................................. 11 Afkortingen & Symbolenlijst ......................................................................................................................... 11

3 Maritiem Instituut Willem Barentsz

Project H from O

Samenvatting Brandstofprijzen zijn tegenwoordig erg duur. In dit rapport wordt onderzocht of het mogelijk is de innovatieve technieken van Thermodynamics group holding nog zuiniger te laten werken door middel van het toepassen van zonne-energie. De waterstof installatie aan boord van de Veerhaven IX heeft 7 kW nodig om te opereren. Deze installatie is aangesloten op het scheepsnetwerk en trekt daarom dus stroom van de scheepsgeneratoren. Door middel van het aansluiten van een zonnecellen netwerk aan het scheepsnetwerk, willen wij deze energie opvangen. We hebben gevonden dat wanneer je 7 kW wilt opwekken met zonnepanelen, ongeveer 48 m2 aan zonnecellen wilt hebben, wat €30.720 zal gaan kosten. Verder hebben we bepaald dat we op jaar basis € 10825,2 besparen aan brandstof kosten. Dit houdt in dat samen met de prijs van de hele installatie die de waterstof produceert en de zonnecellen de terugverdientijd ongeveer 12 jaar zal bedragen. Of dit het echt waar is, is natuurlijk de vraag

Inleiding Van de marof studenten op het MIWB, wordt verwacht dat er in het derde studiejaar een onderzoek wordt gedaan. Dit onderzoek wordt uitgevoerd in groepjes van drie personen. Naar aanleiding van onze interesses hebben wij als onderwerp 'rendabeler varen' gekozen. Wij willen dit behalen door waterstof op te wekken aan boord door middel van elektrolyse. Dit principe wordt al onderzocht door "Thermodynamics group holding". Echter omdat elektrolyse ook energie kost en daarom de behaalde rendementsverhoging teniet zou doen, willen wij de bekrachtiging van dit proces met behulp van zonnepanelen waarmaken. Gedurende het project zal worden onderzocht of dit mogelijk is. Dit onderwerp past in het lectoraat Maritieme Innovatieve Technieken.

Doelstelling Het brandstof rendement van de hoofdmotor verbeteren door middel van het gebruik van zonne-energie om waterstof te produceren.

Probleemstelling Er wordt onderzoek gedaan naar het gebruiken van waterstof in de scheepsdieselmotoren. Deze waterstof wordt zelf opgewekt aan boord van schepen doormiddel van een waterstofgenerator. Er ontstaat een verlies omdat men de waterstofgenerator bekrachtigt doormiddel van het eigen scheepsnet. Doormiddel van ons onderzoek willen wij uitzoeken of het mogelijk is om dit probleem te omzeilen.

4 Maritiem Instituut Willem Barentsz

Project H from O

Hoofdvraag Is het mogelijk om door middel van zonne-energie waterstof te produceren om het rendement van de voortstuwingsinstallatie van de Veerhaven IX te verhogen?

Deelvragen    

Hoeveel energie kan 1 m2 zonnepanelen leveren? Hoeveel waterstof heeft men nodig voor het gebruik? Hoeveel waterstof kan men opwekken met de installatie? Wat is de terugverdientijd van de installatie?

Onderzoeksvragen      

Hoeveel kost een zonne-installatie? Hoeveel kost de waterstof installatie? Hoeveel kost de brandstof? Hoeveel brandstof bespaart men? Hoeveel kW levert één zonnecel op in het vaargebied? Is er ruimte aan boord voor de zonnepanelen?

5 Maritiem Instituut Willem Barentsz

Project H from O

Het onderzoek Zonne-energie systeem Hoeveel energie levert een zonnepaneel? Alternative-energy-resources.net stelt dat, met het weer en de breedtegraad van Europa, de gemiddelde bezonning reikt van 4 kWh/m2/dag tot 6,5 kWh/m2/dag. Gebruikelijke zonnepanelen hebben een gemiddeld rendement van 15%, de beste commercieel verkrijgbare zonnepanelen hebben een rendement van 21%. Echter gelden deze rendementen allemaal bij een temperatuur van 25°C en een bezonning van 1000W/m2. Die "perfecte omstandigheden" hebben wij hier niet en dus is het rendement aanzienlijk lager. Om met zekerheid te zeggen hoeveel "een zonnecel" aan energie levert wordt dus moeilijk. Hiervoor hebben wij de expertise van het team van de PV-Sportboot gevraagd. Zij hebben succesvolle testen gedaan met "B50 Solar Cells". Uit hun ervaring en kennis hebben we een gemiddelde energieproductie per cel in Nederland gekregen van 2,3 W. De cellen hebben een dimensie van 125mm bij 125mm. Dit houdt in dat per m2 een energieproductie van 147,2Watt wordt geleverd.

Hoeveel kost een zonne-installatie? Volgens veerhaven Thyssenkrupp trekt de installatie 7kW elektriciteit. Om deze hoeveelheid energie te genereren hebben we in totaal 48m2 B50 Cellen nodig ofwel 3072 cellen. Volgens het team van de PVSportboot zijn de totale kosten, voor het klaarmaken en installeren van deze cellen, 10 euro per cel. Dat houdt in dat het totaal bedrag voor de zonnepanelen komt op 30.720 euro.

Is er ruimte aan boord voor de zonnepanelen? Aan boord van de m.s. Veerhaven IX is niet genoeg ruimte aanwezig om daar 48m2 aan zonnepanelen te plaatsen.

6 Maritiem Instituut Willem Barentsz

Project H from O

Brandstof Hoeveel kost de brandstof? De brandstofprijzen van de scheepvaart is één van de hoogste kostenposten. Dit is ook de reden dat wij zijn begonnen met het onderzoek. Om de prijzen van de brandstof te bepalen hebben is er gekozen voor een marine diesel oil type LSMGO(0,1% sulphur) voor deze MDO variant is gekozen omdat de regelgeving steeds strenger wordt met betrekking tot zwavel gehalte van de brandstof, deze brandstof is dus ideaal voor het vaargebied van de m.s. Veerhaven IX. De prijs van deze brandstof is op 24-05-2013: 846.00 dollar per ton of omgerekend naar de euro, 653.84 euro per ton met een wisselkoers van 24-05-2013 dag van 1.2942.

Hoeveel brandstof bespaart men? Voordat er bepaald kan worden hoeveel brandstof men met dit systeem bespaart moet men weten wat het verbruik is zonder het waterstof systeem. Het verbruik met en zonder waterstof systeem kan men vinden in het rapport van ThermoDynamics group holding.

Figuur 1: Test resultaten m.s. Veerhaven IX.

Uit de gegevens van figuur 1, kan men zien dat de metingen met verschillende vermogens gedaan zijn. Maar wel allemaal met een vrij gelijk toerental.

7 Maritiem Instituut Willem Barentsz

Project H from O Base RPM kW l/h

577 258 76 0,84

723 587 147 0,84

ρ(kg/m³) gr/s 17,7333 gr/kWh

Thermodynamics 823 851 206 0,84

904 1132 270 0,84

578 333 82

720 618 150

819 886 205

902 1167 271

0,84

0,84

0,84

0,84

34,3 48,0667

63

19,1333

247,442 210,358 203,337 200,353

35 47,8333 63,2333

206,847 203,883 194,357 195,064

Tabel 1: Berekende waardes.

Om beter te bepalen hoe veel zuiniger het Thermodynamics systeem is er aan de hand van het vermogen bepaald hoeveel Watt men kan opwekken per gram brandstof. Dit is berekend met behulp van de volgende formule:

𝑚̇∗3600 𝑃

=gr/kWh. Zoals te zien is in tabel 1.

De gegevens van tabel 1 zijn uitgezet in een grafiek(figuur 2) om zo het verbruik beter zichtbaar te maken. Zoals te zien is in figuur 2 is het verbruik met het waterstof systeem lager.

Brandstofverbuik 250 240 Verbruik zonder waterstof

gr/kWh

230 220 210

Verbuik met waterstof

200 190 578

720

819

902

Toerental Figuur 2: Het brandstofverbruik van de motor.

Om het gemiddelde brandstof verbruik per dag te berekenen is het gemiddelde genomen van de gebruiken per situatie. Dit geeft een globaal gemiddelde van de test resultaten. Het gemiddelde verbruik in gr/s is: Base:

40.775 gr/s

Thermodynamics:

41.3

gr/s

Dit komt neer op een totaal verbruik van: Base:

3568.32 kg/dag

Thermodynamics:

3522.96 kg/dag

Wat neer zal komen op een vermindering in brandstof verbruik van 45.36kg/dag. Dit komt neer op ongeveer 29.65 euro per dag. 8 Maritiem Instituut Willem Barentsz

Project H from O

Waterstof Hoeveel waterstof heeft men nodig voor het gebruik? Het systeem dat waterstof produceert is aangesloten op het scheepsnetwerk. Als de verbrandingslucht zijn weg heeft gevonden door de interkoeler, zal er waterstof bij de lucht worden gevoegd door middel van een Aerofinn injector. Dit wordt gecontroleerd door de throttle van het systeem die aangesloten is op de MAP-sensor. Hoeveel de injector moet toelaten hangt af van de grote van de motor en de hoeveelheid brandstof die word ingespoten. De verhouding ligt ongeveer tussen de 5% en 15% van de totale hoeveelheid koolstof die in de brandstof zit. Deze waarde hangt af van de hoeveelheid vermogen de motor vraagt. Tyssenkrupp heeft deze waarde bepaald door middel van vele tests die zij aan boord van de Veerhaven IX hebben uitgevoerd.

Hoeveel waterstof kan men opwekken met de installatie? De hoeveelheid waterstof die de generator kan opwekken is niet constant. Er zijn verschillende installaties beschikbaar. Welke je aan boord van je schip moet zetten hangt af van de grootte van de motor die in het schip ligt. Momenteel heeft de Veerhaven IX een motor van 1320 kW. De installatie die hierbij hoort heeft 7 kW nodig om te kunnen draaien. Voor later gebruik zal de volgende vuistregel aangehouden worden: De grootte van de installatie zal 0.6% van het motorvermogen waarbij deze van toepassing is.

Hoeveel kost de installatie? De waterstofinstallatie die op het moment in de Veerhaven aanwezig is heeft een prijskaartje rond de € 100.000,-. Later, wanneer dit project uit zijn testfase is zal de volgende vuistregel voor de prijs worden aangehouden: Per kW van de hoofdmotor zal de prijs € 70,- euro omhoog gaan.

9 Maritiem Instituut Willem Barentsz

Project H from O

Terugverdientijd installatie De terugverdientijd van deze opstelling is ongeveer 12 jaar. De brandstof die men bespaart met deze opstelling wordt gebruikt om de terugverdientijd te bepalen. Namelijk men rekent de besparing per jaar uit. Het totale bedrag van de aanschaffing word gedeeld door de brandstof besparing per jaar. De kosten: Kosten waterstofsysteem:

€ 100000,-

Kosten zonnepanelen:

€ 30720,-

Brandstof besparing per jaar:

€ 10825.5,-

Dat brengt de volgende som om de terugverdientijd te berekenen. 30720 + 100000 = 12.07 𝐽𝑎𝑎𝑟 10825.2

10 Maritiem Instituut Willem Barentsz

Project H from O

Conclusies Er kan geconcludeerd worden dat het mogelijk is het waterstof systeem aan boord van de Veerhaven IX aan te drijven met behulp van zonnepanelen. Helaas is de terugverdientijd van de gehele installatie wel een hele lange tijd en moet er dus bekeken worden of dit het wel waard is. Het antwoord op de hoofdvraag is dan ook dat het mogelijk is om het rendement van de voortstuwingsinstallatie te verbeteren met deze techniek, maar dat het toch wel erg lang duurt. Onze aanbevelingen zijn dan ook om hiermee toch nog wat langer te wachten totdat de huidige zonnecellen verbeterd worden zodat ze een beter rendement kunnen leveren.

Literatuurlijst Sander van Gool, Thyssenkrupp Veerhaven B.V., telefonisch contact gehad voor informatie over energie gebruik installatie. Jason Tuzinkewich, ThermoDynamics Group Holding, telefonisch contact gehad voor informatie over de installatie. Bunkerworld.com, informatie over de brandstofprijzen.

Afkortingen & Symbolenlijst kW

Kilowatt

W

Watt

kWh

Kilowattuur

11 Maritiem Instituut Willem Barentsz