3.3 Straddle Carriers 3.3.1 Inleiding Straddle carriers worden aangedreven door dieselmotoren (6 of 8 cilindermotoren). Deze motoren voldoen allen aan de Tier 3 standaard, de nieuwere uitvoeringen aan de Tier 3b standaard (meer uitleg betreffende de Tier standaarden is opgenomen in bijlage 1). Voor het hijsen en vieren wordt voor de nieuwere uitvoeringen een elektrische aandrijving gebruikt (hybride straddle carrier). Deze energie wordt via de dieselmotor gegenereerd door een generator. Hoewel dit een rendementsverlies betekent, levert dit toch een brandstofbesparing van 15 tot 20% op t.o.v. uitvoeringen waarbij het hefvermogen direct geleverd wordt door de motor (21 22 l/h versus 25 26 l/h). De dieselmotor van de straddle carriers worden bovenaan de machine gepositioneerd, de dieseltanks onderaan uit veiligheidsoverwegingen (zwaartepunt machine). De tanks hebben een inhoud van 1.200 liter. De machines kunnen hierdoor ongeveer twee dagen continu ingezet worden (6 shifts van 7 uur) zonder een enkele tankbeurt (duur 20 minuten, maximum vulcapaciteit 140 l/min). De autonomie van een machine is een belangrijke randvoorwaarde. In deze paragraaf wordt er verder gebouwd op de hybride straddle carriers met het oog op een emissiearme aandrijving. Volgende aanpassingen worden behandeld: Modulair uitbouwen van de hybride straddle carrier. Hybride uitvoering met verbrandingsmotor op waterstof. Hybride uitvoering met brandstofcel. 3.3.2 Modulair uitbouwen van hybride straddle carriers Het verdere modulair uitbouwen van de hybride straddle carrier houdt in dat extra batterijen geplaatst kunnen worden op de machines zonder hierbij hinder (overgewicht, ruimtelijk) te ondervinden. Het idee is om zodoende de dieselgerelateerde emissies nog te reduceren. De besparing op verbruik ligt op 15 tot 20% door gebruik te maken van hybride straddle carriers (21 22 l/h versus 25 26 l/h). In onderstaande figuur wordt een voorbeeld van een hybride straddle carrier getoond. Definitief Rapport - 12-21 januari 2011
Figuur 3.4 Hybride straddle carrier [10]. Links: foto van een hybride straddle carrier. Rechts: schematisch overzicht van de aandrijflijn bovenaan de straddle carrier. De straddle carrier is dus opgebouwd volgens figuur 3.3 met volgende elementen: 1. Energieopslag systeem (batterijen): bestaat reeds uit modulaire design zodat conversie naar hybride technologie mogelijk is in later stadium. 2. Generator die aangedreven wordt door een dieselmotor. Deze generator zorgt voor de elektrische energie aan boord. 3. Dieselmotor met 6 tot 8 cilinders. De dieseltank is onderaan de machine gepositioneerd net boven de wielen. Het gebruik van bijkomende batterijpakketten en/of supercapacitors (grote condensatoren) zou extra vierenergie opgeslagen kunnen worden. Bovendien zouden de batterijen extra opgeladen kunnen worden vanuit het net, zodat additioneel vermogen geleverd kan worden bij zware lasten of bij lage vermogens (figuur 3.5, rechts), zodat de dieselmotor op lagere toerentallen kan draaien of op termijn kleiner ontworpen kan worden. Een kleinere dieselmotor heeft immers een emissiebesparing als gevolg. Figuur 3.5 Hybride schakeling op straddle carriers [10]. Links: schematische voorstelling van de energie-uitwisseling aan boord. Rechts: schematisch overzicht van aandrijftraject in functie de laadvermogen. Definitief Rapport - 13-21 januari 2011
De batterijen kunnen op het dak van de straddle carrier geplaatst worden. Een alternatief is om verloren ruimtes zoals bijvoorbeeld de ruimte net boven de dieseltanks gedeeltelijk in te vullen met batterijen. Zodoende wordt ook het zwaarte punt verlaagd. Batterijen hebben echter een lage vermogen/gewicht verhouding waardoor uiteindelijk een afweging gemaakt dient te worden tussen kostprijs en gewicht enerzijds en extra vermogen anderzijds. 3.3.3 Hybride uitvoering met verbrandingsmotor op waterstof De hybride uitvoering van de straddle carrier waarbij een dieselmotor elektrische generatoren aandrijft voor verplaatsing en hijsen en vieren van lasten leent zich tot de ombouw tot aandrijving op waterstof. De bovenaan ingebouwde diesel motor kan vervangen worden door een waterstof aangedreven verbrandingsmotor of een brandstofcel (volgende paragraaf). Figuur 3.6 Hybride schakeling op straddle carriers waarbij de dieselmotor vervangen wordt door een waterstofmotor [4, 10]. Naast de theoretisch onuitputtelijke beschikbaarheid heeft waterstof ook een aantal unieke eigenschappen waardoor het uitermate geschikt is voor toepassing als brandstof in verbrandingsmotoren. Natuurlijk stelt het gebruik van waterstof als brandstof voor een straddle carrier heel wat specifieke eisen op het vlak van prestaties, opslag, veiligheid... De volgende opsomming vat daarom kort de hoofdkenmerken van de alternatieve brandstof samen met bijhorende eventuele voor- en nadelen. Een verbrandingsmotor op waterstof heeft het voordeel dat de rendementen in de buurt komen van of beter zijn dan de huidige dieselmotoren. Toch zijn er nog enkele nadelige factoren in verband met de praktische toepassing van waterstof als brandstof waardoor de prestaties van de motor aanzienlijk lager uitvallen dan verwacht (30 tot 50%, zie bijlage 1). Hierdoor zal een grotere motor ingebouwd moeten worden om deze Definitief Rapport - 14-21 januari 2011
vermogensdaling tegen te gaan of kan er met extra batterijcapaciteit gewerkt worden (zie vorige paragraaf). Een mogelijke techniek om deze rendementsdaling grotendeels te vermijden is door gebruik te maken van directe injectie van de brandstof - injectie na het sluiten van de inlaatklep. Deze techniek werd onderzocht door voertuigproducent BMW. BMW maakte hierbij gebruik van vloeibare waterstof (temperatuur -253 graden Celsius) wat vanuit opslagoogpunt dan weer nadelig is. Betreffende directe emissie heeft een waterstofmotor te kampen met NO x -uitstoot. Dat is te wijten aan de inname van verbrandingslucht. Deze NO x -uitstoot kan in principe belangrijk gereduceerd worden. Het is immers zo dat door de eigenschappen van waterstof (breed ontbrandingsspectrum, hoge vlamsnelheid en lage minimum ontstekingsenergie) zeer arme-mengselwerking in verbrandingsmotoren mogelijk is (tot lucht-/brandstofverhouding = λ 4). Hierdoor kan de belasting van de motor net zoals bij dieselmotoren kwalitatief geregeld worden. Er wordt dus geen gebruikgemaakt van een gasklep wat een rendementswinst inhoudt. Bij variatie van de belasting wordt de luchtfactor aangepast. De mogelijkheid tot arme-mengselwerking wordt ook dankbaar toegepast om de NO x -uitstoot te reduceren (lagere verbrandsingtemperaturen door luchtovermaat). Natuurlijk blijft het probleem van NO x -uitstoot bestaan bij hogere belasting van de motor en dus bij meer stoichiometrische mengsels. De BMW-Group heeft echter ook hiervoor een methode ontwikkeld waarbij - door het hanteren van mengsels die licht rijker zijn dan de stoichiometrische verhouding (bijvoorbeeld λ < 0.97) - bij hoge vermogenvraag de NO x -emissie toch verminderd wordt [11]. Hier wordt echter niet dieper op ingegaan, de geïnteresseerde lezer wordt verwezen naar [11]. Deze korte uiteenzetting vormt voorlopig een voldoende beeld van het gebruik en bijhorende moeilijkheden bij het toepassen van waterstof in verbrandingsmotoren. Er kan geconcludeerd worden dat aandrijving door een waterstofmotor mogelijk is maar met globaal gezien vandaag nog een lager rendement en vermogen. Verschillende automerken hebben modellen operationeel. BMW heeft een bijvoorbeeld het model Hydrogen 7 welke een waterstofmotor bevat goed voor een vermogen van 200 kw. Vaak wordt hierbij een dual fuel (benzine / waterstof) uitvoering gebouwd zodoende de autonomie te garanderen. De achillespees bij waterstof is opslag (zie bijlage 1). Momenteel wordt onderaan de tanks van de straddle carriers diesel opgeslagen. In principe kan waterstof eveneens op deze wijze opgeslagen worden. De autonomie van het werktuig zal uiteraard verminderen in vergelijking met een dieseluitvoering, maar met gebruik van mobiele tankeenheden (bijlage 1) kan er op locatie bijgetankt worden. De vulsnelheid is hierbij ook belangrijk. Tegenwoordig wordt gasvormige waterstof getankt waarbij de druk in de tank 600 tot 800 bar kan bedraagt [2]. Een dergelijke tank kan in 3 tot 5 minuten gevuld worden. Veiligheid naar opslag zal voor havenwerktuigen eveneens een belangrijk onderzoekspunt vormen. Nochtans wordt gasvormige waterstof momenteel ook op bussen voor passagiersvervoer toegepast. Een mogelijke aanbeveling is daarom om deze oplossing verder te bestuderen. Definitief Rapport - 15-21 januari 2011
3.3.4 Hybride straddle carrier met brandstofcel op waterstof Bij deze uitvoering zou de bovenaan ingebouwde dieselmotor vervangen worden door een waterstof aangedreven brandstofcel. De opbouw en aansturing blijft dus opnieuw bijna ongewijzigd, zoals het geval met aandrijving door middel van een waterstofmotor. De brandstofceltechnologie werd reeds toegelicht als alternatief bij de vorkliften. Het verschil is dat bij straddle carriers hogere vermogens verreist zijn. Momenteel zijn brandstofcellen met vermogens tot 150 kw op de markt verkrijgbaar [2]. Deze brandstofcellen worden toegepast voor bussen voor passagiersvervoer. De waterstof voor de brandstofcellen wordt hierbij gasvormig opgeslagen (gasflessen op het dak van de bus). Een parallel naar deze technologie kan getrokken bij verdere uitbouw van deze optie voor straddle carriers. Er kunnen eveneens extra batterijen voorzien worden die tijdens het vieren van de last of remmen van straddle carrier energie opslaan. Zo kan extra vermogen geleverd worden bij het hijsen van zware lasten en/of kan er brandstof bespaard worden. 3.3.5 Conclusie Voor straddle carriers worden drie alternatieven toegelicht: Modulaire uitbouwen van de hybride straddle carrier. Hybride uitvoering met verbrandingsmotor op waterstof. Hybride uitvoering met brandstofcel. In principe kunnen alle straddle carriers in het havengebied vervangen worden door hybride uitvoeringen waarbij verdere modulaire uitbouw een optie is. Dat levert een algemene brandstofbesparing op van meer dan 15 20% (laatste is de huidige situatie). Indien een waterstofmotor toegepast wordt kan min of meer de helft van de straddle carriers (tot een vermogen van 250 kw) vervangen worden. Eventueel kunnen de waterstofmotor groter ontworpen worden (of plaatsen van extra batterijcapaciteit) zodat hogere vermogenvraag opgevangen kan worden. Momenteel zijn brandstofcellen op waterstof met vermogens tot 150 kw op de markt. De lichtere uitvoeringen van straddle carriers zouden hiermee uitgerust kunnen worden. De uitdaging ligt hierin om brandstofcellen te ontwikkelen die hogere vermogens kunnen produceren. Definitief Rapport - 16-21 januari 2011