Elektrische en hybride aandrijving
Verbrandingsmotoren in boten: einde in zicht?
Publicatie: januari 2022 Update april 2023: onderin tekst bij ‘Hybride' Leestijd: 11 minuten
Na 2030 mogen er waarschijnlijk in Nederland geen personenauto’s meer verkocht worden met een verbrandingsmotor. Maar hoe zit dat nu eigenlijk met motor- en zeilboten? Gebiedsverboden voor boten met verbrandingsmotoren komen er al wel, en niet alleen in Nederland. Maar van een serieus alternatief voor de verbrandingsmotor, zeker in de wat grotere boot, is nog maar weinig te zien. Welke keuze moet je nu maken als het om aandrijving van je boot gaat? Tijd om eens op een rij te zetten wat we de komende jaren aan ontwikkelingen kunnen verwachten.
Nauwelijks overheidsregels
De scheepvaart loopt achter op de auto-industrie als het gaat om de ontwikkeling van milieuvriendelijke aandrijving. Voor een deel is dat te verklaren doordat er voor de scheepvaart weinig strikte overheidsregels zijn. Daardoor staat de industrie niet onder druk om nieuwe technologie, die er soms wel is, ook massaal toe te passen. Die nieuwe technologie kost geld en wanneer fabrikanten dit aanbieden zonder ‘noodzaak’ prijzen zichzelf uit de markt.
Beperkingen accutechnologie
Voor een ander deel is het achterlopen ook te verklaren doordat de accutechnologie geen oplossing biedt voor grote energieverbruikers zoals vrachtwagens voor de lange afstand of grotere en/of snellere schepen. Dat komt omdat er voor die toepassingen meer energie nodig is dan door de huidige gangbare accupakketten geleverd kan worden.
Wat verandert en nu al?
Er dienen zich toch al een aantal veranderingen aan. Service-installaties op kleine schepen kunnen meestal al zonder generator of gas. Dit kan door Li-Ion accu’s en bijladen daarvan door een mix van b.v. zonnepanelen, motor-dynamo’s, hydrogeneratie of walstroom. De generator en de gasfles hebben dus hun langste tijd op kleinere boten gehad.
Voorbeeld van Li-Ion accubank in plaats van een generator
De bijboot of een kleine sloep aandrijven met een elektro buitenboordmotor is ook al goed en redelijk betaalbaar te doen. Die elektroaandrijving kan b.v. bij ePropulsion in een hydrogeneratie modus gebruikt worden om de accu weer bij te laden. Het stinkende benzine jerrycannetje en tankje van de buitenboordmotor zijn dus een verdwijnend fenomeen, niet in de laatste plaats omdat elektrisch zoveel praktischer en veiliger is in het gebruik.
Voorbeeld van een elektrische buitenboordmotor voor een tender
Ook zeilboten kunnen afzien van de diesel en overschakelen op uitsluitend elektrische aandrijving met hydrogeneratie mogelijkheid. Daarbij wordt dan op dit moment een accupakket van rond de 20 kWh aangeboden. Die capaciteit levert nog wel serieuze beperkingen op voor lange-afstandsreizigers.
Voorbeeld van een zeiljacht met standaard elektrische aandrijving met hydrogeneratie van Oceanvolt: Arcona 415
Middelgrote waterverplaatsende motorboten (9 - 12 meter) voorzien van een behoorlijk accupakket, ongeveer 80 kWh, kunnen elektrisch een dagtrip te maken van ongeveer 60 kilometer op een snelheid rond de 10 km/h. Greenline is een bekende pionier op dit gebied en heeft haar hele range voorzien van dit soort opties. Die opties waren een paar jaar geleden nog zo duur dat de meeste kopers van een Greenline voor de optie met alleen dieselmotoren kozen. Maar accu’s zijn veel beter en goedkoper geworden en daarmee is dit concept ook prijstechnisch veel aantrekkelijker geworden.
Voorbeeld van een motorboot met elektrische aandrijving en range-extender: Greenline 33
Mega-botenbouwer Benneteau kondigde aan dat haar motorbootmerk Delphia in 2024 uitsluitend elektrisch zal zijn. Ook de veel kleinere Nederlandse werf annex verhuurder Natural Yachts is recent begonnen met het verkopen en verhuren van dit type boten. De vanaf prijs voor een 12 meter boot is ongeveer € 350.000,- incl. BTW en dat is niet erg afwijkend van een diesel aangedreven boot in dit segment. We praten in alle gevallen over boten met een actieradius voor dagtrips, niet geschikt voor lange afstanden of meerdaagse trips.
Voorbeeld: Natural Yachts bouwt en verhuurd deze Northman boten, ook met waterstof te verkrijgen.
Met alleen elektrische aandrijving een lange reis maken is dus nog niet goed mogelijk. Zeilers die een oceaanoversteek gemaakt hebben met alleen elektra ontdekken dat ze weer veel meer op het zeilen als ambacht moeten gaan vertrouwen omdat het ‘even’ bijzetten van de motor niet ongestraft kan: de elektra is veel sneller op dan de diesel. Maar het gaat dus wél, het is Columbus tenslotte ook gelukt. Met een motorboot is zo’n oversteek nog onmogelijk of op zijn best een experiment.
Welke veranderingen komen er de komende jaren aan?
Er zijn heel veel proefprojecten. Daarbij vallen een aantal trends op die kansrijk lijken om de komende jaren door te breken. Natuurlijk is dat een beetje koffiedik kijken omdat nieuwe ontwikkelingen dit beeld kunnen bijstellen. Maar let op botenbouwers die de volgende trends in hun aanbod combineren want dat zijn mogelijk de toekomstige Tesla’s van de botenbranche.
1e trend: Minder energieverbruik door toepassing koolstof
Werven proberen lichter te bouwen waardoor er minder energie nodig is voor de aandrijving. Koolstof is daarbij het sleutelwoord. Dat geldt niet alleen voor nieuwe elektrisch aangedreven boten zoals de Candela C8 maar ook voor veel grotere schepen zoals de nieuwe Grand Banks 85 of zeilboten zoals de Arcona 465.
Voorbeeld van toepassing van koolstof om boten lichter te maken: Arcona 465
2e trend: Over het water heen in plaats van erdoor: ‘foiling’.
Dé techniek voor snel varende zeil- en motorboten om weerstand door water te verminderen is foiling. Hoewel ook catamarans door hun dubbele smalle romp al een stap in de goede richting zijn gaat foiling, juist voor enkele rompen, veel verder. De techniek achter de besturing is complex, lijkt op het besturen van een vliegtuig en kan daarom pas de laatste jaren betaalbaar gebruikersvriendelijk geautomatiseerd worden. Afgaand op ervaringen van zeezeilers die wedstrijden met foils varen, kan het varen ermee nog behoorlijk oncomfortabel worden wanneer er behoorlijke zeegang is. Met de Candela C8 en de concurrenten daarvan is in ieder geval een lijn van kleinere boten in productie gegaan die tot een golfhoogte van ongeveer een meter comfortabel kunnen foilen. Het kan daardoor zomaar leuk varen worden op het IJsselmeer met 25 knopen snelheid en windkracht 5.
De Candela C8, in 2022 in productie, foilend over golven tot 1 meter bij windkracht 7 (=15 m/sec)
De techniek wordt al op grotere motorschepen toegepast die golven tot ongeveer vier meter aankunnen maar die zijn niet elektrisch. Daarom is te verwachten is dat deze techniek ook op middengrote motorjachten in het CE-B segment (tot 4 meter significante golfhoogte) beschikbaar zal komen. De nieuwe Artemis 12 werkboot is een stap in die richting; 100% elektrisch. De Candela 12, een volledig elektrische catamaran shuttle voor 30 personen, gaat in 2023 varen in Stockholm.
De foiling-techniek bij enkele romp motorboten leidt globaal tot eenzelfde energieverbruik als die bij een waterverplaatsende snelheid. Daarmee is snel varen met foils ongeveer een factor 3-4 zuiniger dan conventioneel planerend varen.
3e trend: Zuinige aandrijving
Aandrijving d.m.v. pods, Z drives of buitenboordmotoren is gauw 20% efficiënter dan met vaste assen en een roer. Dit komt met name door het ontbreken van de weerstand van het roer. In de elektrische aandrijvingen komen o.a. ePropulsion, Torqeedo en Candela met pod-drives met een ingebouwde elektromotor: dat is weer een stapje efficiënter omdat de overbrenging direct is.
Nieuw in 2022: de bestuurbare Pod-drive op de Candela C8
ePropulsion: voorbeeld van een vaste pod-drive met ingebouwde motor en regeneratie
Tegelijk zien we ook een trend om benzine buitenboordmotoren op boten te zetten in plaats van diesel inboard motoren. Toch gaat deze trend voor het klimaat precies de verkeerde kant op omdat benzine buitenboordmotoren aanzienlijk meer verbruiken dan een diesel en daardoor per saldo meer CO2 uitstoten.
4e trend: Verbeterde opslag van elektriciteit
De actieradius van elektrische boten is ondanks de voorgaande ontwikkelingen nog steeds te klein voor langere reisafstanden. Bij de eerste generatie elektrische auto’s was dit ook een probleem. We zien bij personenauto’s dat verbeterde accucapaciteit gecombineerd met steeds sneller laden voor een technische doorbraak aan het zorgen is, nu de betaalbaarheid nog. Als we naar boten kijken staan we nog meer aan het begin van deze ontwikkeling.
Om uit elektriciteit dezelfde energie te krijgen als uit een liter diesel heb je op dit moment globaal 20 x het gewicht en 20 x het volume aan Li-Ion accu’s nodig. Voor een dagtrip waarbij normaal 60 tot 70 kilometer zou worden gevaren en ongeveer 30 liter diesel zou worden verbruikt is dus ongeveer 600 kg aan Li-Ion accu’s met een volume van bijna 600 liter nodig. Dat klopt globaal met het gewicht en volume van twee Torqeedo (BMW 3i) accupakketten van totaal 80 kWh.
Torqeedo 40kWh accupakket
Nu worden er op dit gebied twee doorbraken verwacht de komende paar jaar. Ten eerste komen er opvolgers van de Li-Ion accu’s die een grotere energiedichtheid hebben bij eenzelfde volume en gewicht: denk aan 80% beter. Die techniek wordt ook steeds goedkoper omdat accu’s massaal geproduceerd worden. Maar voor een meerdaagse of lange afstandstrip gaat dit nog steeds niet voldoende zijn.
De tweede doorbraak is waterstof als reservevoorraad stroom aan boord. Voor dezelfde dagtrip waarbij 30 liter diesel gebruikt zou worden is dan 5 kg waterstof nodig en dat zit met een druk van 350 bar in één cilinder van ongeveer 2 meter lang en 45 cm doorsnee die rond de 90 kg weegt. Dat is dus qua volume en gewicht beter haalbaar in een middelgrote boot. Door het verhogen van de druk naar 700 bar (dat wordt toegepast in auto’s) loopt het volume van de cilinder wel ongeveer met een kwart op maar de capaciteit wordt dan wel twee keer zo groot en die ontwikkeling is dus vergelijkbaar met de verwachte ontwikkeling van toename van accucapaciteit. Om van waterstof weer elektriciteit te maken wordt veel gebruik gemaakt van de brandstofcellen van Toyota auto’s waarmee al jaren ervaring is opgedaan. De efficiëntie van die brandstofcellen neemt naar verwachting de komende jaren met tientallen procenten toe. Ook worden proeven gedaan met elektriciteit maken uit amoniak op hele grote schepen die de oceaan oversteken. DAF trucks experimenteert met het direct verbranden van waterstof in bestaande -gemodificeerde- dieselmotoren maar DAF ziet dit, door de relatief lage efficiëntie, meer als overgangsfase naar elektrische aandrijving.
Het TU Delft solar team is op waterstofaandrijving en foiling overgegaan: komende jaren ook in productieboten?
Het zeilteam van Nieuw Zeeland dat deelneemt aan de America's cup heeft een foilende ondersteuningsboot ontwikkeld die op waterstof vaart met een topsnelheid van 50 knopen en een kruissnelheid van 30 knopen. De boot gaat bij de komende America's cup gebruikt worden. Meer info klik hier.
Zonnepanelen gaan op een normale boot genoeg opbrengen voor het service verbruik. Er zijn motorcatamarans met het formaat van een varende zonnewei die vele miljoenen kosten en theoretisch autonoom kunnen zijn. Maar ook die hebben nog een diesel aggregaat aan boord want de zon schijnt ook wel eens een paar dagen niet en dan bereik je de grens van die autonomie snel.
Voorbeeld van zonnepanelen die voldoende opbrengen voor service gebruik
Reizen en actieradius: een paar conclusies.
Laten we beginnen bij een middelgrote waterverplaatsende boot. Die heeft nu een dieseltank van gemiddeld 250 tot 500 liter. Dat is goed voor een actieradius van 500 tot 750 km. Om diezelfde actieradius elektrisch te halen is een accupakket van tussen de 700 en 1100 kWh nodig, lees: 7 tot 11 Tesla’s. Als we uitgaan van de verdubbeling van de capaciteit van de huidige Li-Ion accu’s de komende jaren is er nog steeds een pakket van negen tot veertien maal het volume van het eerder genoemde 40 kWh Torqeedo pakket (zie foto boven) voor nodig. Dat is qua ruimte al tussen de 2500 en 4000 liter. Dat lijkt onhaalbaar voor dit formaat boten. Dan hebben we het er nog niet over hoe je een dergelijk accupakket geladen krijgt. Accu’s alleen lijken voor motorboten geen oplossing te bieden voor lange afstand reizen.
Is waterstof dan de oplossing? Als we uitgaan van waterstofcilinders met 700 bar druk dan is er 40 tot 60 kilo waterstof nodig voor de actieradius van 500 tot 750 km. Daarvoor zijn cilinders nodig met een totaal volume tussen de 1000 en 1500 liter. Dat is ook niet niks maar minder dan de helft van het volume van toekomstige accu’s. Daar komt bij dat je waterstof net zo snel kunt tanken als diesel. Conclusie is dat voor waterverplaatsend varen met een normale actieradius waarschijnlijk een combinatie van accu en waterstof geschikt is.
Een middelgrote planerende motorboot van b.v. 12 meter heeft normaal een tank van rond de 750 liter diesel. Die geeft zo’n boot een actieradius bij 25 knopen kruissnelheid van ongeveer 500 km. Daarvoor zal de boot ongeveer drie keer zoveel, dus minimaal 3000 liter, ruimte nodig hebben om de waterstof voorraad op te slaan. Dat lijkt niet echt haalbaar in een dergelijk formaat boot en dan hebben we nog niet eens het gewicht van een dergelijke opslag bekeken; dat is minimaal 2300 kilo. Doen we dezelfde rekensom met toekomstige accutechniek dan is de uitkomst qua gewicht en volume nog veel groter.
Het verbruik van een foilende Candela C8 gaat volgens de werf bij een kruissnelheid van 25 knopen met 80% naar beneden ten opzichte van een planerende boot: de actieradius van de boot is waterverplaatsend en planerend gelijk. Om deze boot een actieradius van 500 kilometer te geven zou een waterstofopslag van ‘maar’ 600 liter met een gewicht van ongeveer 400 kilo nodig zijn. En dat lijkt een beter haalbare verhouding. Er gaan ook zeilboten op waterstof aan grote internationale oceaanraces meedoen dus ook voor dat segment lijkt waterstof een optie. Foilende, licht gebouwde, snelvarende boten met een efficiënte aandrijving zullen op afzienbare tijd dus geschikt worden voor volledige elektrische aandrijving.
Inspirerend: zeilboot met waterstof en foiling gaat aan de Vendee Globe 2024 meedoen
Hier en nu: de hybride overgang
De genoemde verbeteringen op het gebied van accu’s en waterstof gaan pas over drie tot vijf jaar op de markt komen. Voor boten die meer energie en bereik nodig hebben dan voor een dagtrip is hybride techniek voorlopig een oplossing. Er zijn dan twee oplossingen: een elektromotor tussen de bestaande aandrijving plaatsen of gaan voor uitsluitend elektromotoren en die laten bijladen door een diesel aggregaat (range extender). Die range extender kun je dan wellicht later weer vervangen door een brandstofcel en waterstoftanks.
Het hybride maken van bestaande boten door het plaatsen van elektromotoren tussen de bestaande aandrijving in lijkt voor die categorie de meest voor de hand liggende oplossing. Combineer dat met een accupakket dat goed is voor een bescheiden dagtrip dan wordt binnenlands varen op elektra en buitengaats/meerdaags op diesel, een haalbare kaart.
Maar er zijn nog maar weinig werven die dit soort oplossingen in seriebouw aanbieden: Greenline biedt beide hybride opties al een aantal jaren op al haar modellen aan o.a. gebruik makend van Torqeedo techniek. Elan en Arcona zeiljachten worden ook met elektrische aandrijving af werf geleverd. Daarbij wordt ook gebruik gemaakt van hydrogeneratie (Oceanvolt) voor het opladen van de accu’s.
Volvo Penta heeft in 2021 al een hybride versie aangekondigd. In 2022 is een proefmodel gaan varen bij het Noorse ferrybedrijf Hurtigruten.
Die proef wordt voordat 2023 uitgebreid door twee hybride D4-320 DPI motoren te installeren in een Jeanneau NC37. Dat is een boot die heel goed in ons reisbootsegment valt dus de uitkomsten van die proef zijn erg interessant en een voorbode voor marktintroductie. Volvo werkt daarbij samen met de Beneteau-groep (waartoe Jeanneau behoort) en elektromotorfabrikant Danfoss Editron. Lees het hele persbericht hier.
MAN heeft al hybride motoren op de markt maar dan alleen voor grotere schepen die aan nieuwe milieueisen voor die categorie moeten kunnen voldoen. Torqeedo biedt wel al bestaande oplossingen aan met range extenders.
Torqeedo hybride installatie
Infrastructuur
In onze havens is overal wel een elektriciteitsaansluiting te vinden maar met 16 Ampere krijg je een accupakket van 80 kWh niet ‘even’ opgeladen, zeker niet wanneer de halve haven dat gelijktijdig probeert. Die aansluitingen zullen dus verzwaard moeten worden en er zullen snellaadfaciliteiten moeten komen net als voor auto’s. In Noorwegen is daar al een bescheiden begin mee gemaakt. Daarnaast zullen er waterstof tankstations moeten komen. Allemaal op termijn best te realiseren in een dichtbevolkt vaarland als Nederland maar hoe gaat dat werken in dunbevolkte gebieden? Het zou kunnen dat we daar om die reden nog wel een tijdje op diesel aangewezen zijn.
Snelladers in haven Noorwegen
Conclusie
De komende jaren zal er een verschuiving plaats vinden naar boten die standaard met elektrische aandrijving geleverd gaan worden. Het bereik van die boten is vooralsnog alleen geschikt voor beperkte afstanden. Tegelijk zien we de ontwikkeling van lichtere en foilende boten die snel kunnen varen met een efficiënte aandrijving, zij het nog steeds met een beperkte actieradius. Voor een grotere actieradius van boten is waterstof nodig. Zeilboten kunnen, met gebruik van accucapaciteit, waterstof, hydrogeneratie en zonnepanelen, onafhankelijk worden van fossiele brandstoffen, ook bij een oceaan-oversteek.
Bestaande conventionele motorboten kunnen waterverplaatsend, uitsluitend voor dagtrips, gebruik maken van accu’s. Als echter een grotere actieradius nodig is en/of snel varen moet naar een hybride oplossing gekeken worden of een andere (foilende) boot. Bij het aanschaffen of refitten van een boot is het wellicht goed deze mogelijkheden en beperkingen in de gaten te houden en te kijken hoeveel van de genoemde trends in één boot verenigd zijn. Als een boot alle vier tikken in de box heeft kan het de potentiele Tesla van de botenmarkt zijn. Maar zover is het nog niet.
Een paar voorbeelden van interessante boten die nu al een beetje betaalbaar én te koop zijn:
* Candela C8; dagboot 8,5 meter lang, koolstof, poddrive, foiling, snelvarend (top 30 knopen, kruissnelheid 24 knopen), elektrisch, beperkte range bijna 100 km. Candela komt in de komende jaren met grotere (ook professionele) modellen op de markt. Dit zou wel eens de Tesla van de botenmarkt kunnen worden want heeft al drie van de vier trends in zich. (C8 2022: v.a. € 350.000,- incl. BTW)
* Greenline: alle modellen zijn ook in Hybrid of EDrive (met diesel range extender) versie te verkrijgen. Ze hebben modellen tot 68 voet, ook geschikt voor langere reizen. Alle modellen zijn langzaam varend of half glijder, met weinig range beperking. Dit zijn een beetje de ‘stekker-Prius-en’ van de botenmarkt: duidelijk een overgangsboot tussen twee technologische tijdperken. De volledige E-versie is in vergelijking met de diesel versie erg duur en heeft een heel beperkt bereik. Prijzen variëren uiteraard per type. Zie ook het bericht in de zijkolom.
* Delphia 11 Electric: relatief duur en bereik voor een beperkte dagtocht. Zie het bericht in de zijkolom of onder dit verhaal (op iPad)
* Elan, Arcona en X-Yachts zeilboten met Oceanvolt hydrogeneratieve aandrijving en beperkt accupakket.
Noot: de cijfers die gebruikt zijn in de rekenvoorbeelden zijn benaderingen met een behoorlijke marge. Voor de (on-) mogelijkheden van de opties die besproken zijn maakt dit echter niet uit.