Electricité à bord du voilier
Bilan électrique
Avec tous les éléments de confort présents à bord d'un bateau aujourd'hui, les aides à la navigation électroniques et le pilote automatique, la consommation électrique d'un voilier est de plus en plus conséquente.
Les sources d'énergie
En dehors de l'électricité disponible au port avec un chargeur de quai fonctionnant sur le secteur ex. 220 V AC, les sources d'énergie embarquée pouvant être utilisées en navigation ou au mouillage sont les suivantes :
- Alternateur du moteur principale, deuxième alternateur fréquent
- Groupe électrogène AC 220 V ou DC 12 ou 24 V
- Panneaux solaires
- Eolienne
- Hydrogénérateur
- Alternateur d'arbre
- Pile à combustible
Dès que le parc de batteries est important il est intéressant d'ajouter un deuxième alternateur de forte capacité pour recharger le parc servitudes. L'utilisation d'un groupe électrogène permet d'éviter de faire tourner le moteur principal de propulsion à vide simplement pour recharger les batteries, ce qui pourrait l'endommager à la longue i.e. glaçage des cylindres ...
Les panneaux solaires sont de plus en plus puissants et économiques. Ils sont utiles non seulement en navigation et au mouillage, mais aussi au port pour permettre le maintien de la charge des batteries (float) sans devoir laisser en permanence le bateau branché au quai lorsque l'on n'est pas présent à bord. Ce qui évite certains problèmes potentiels de corrosion. A noter, les panneaux solaires souples ont maintenant un rendement tout à fait satisfaisant.
Les éoliennes de nouvelle génération sont à la fois plus puissantes (400 W) et moins bruyantes. Il est utile de monter un interrupteur pour arrêter l'éolienne électriquement avant de fixer les pales avec une sangle lors de vents très forts et tempêtes (plus de 45 N).
Les nouveaux hydrogénérateurs développés pour les grandes courses au large allient trainée faible et forte puissance (120 W / 500 W à 5/8 N de vitesse respectivement). Leur coût est encore élevé mais l'arrivée de la concurrence devrait améliorer les prix.
Pour ceux disposant d'une hélice fixe et d'un arbre moteur standard i.e. pas d'hélice repliable ou de "saildrive", l'alternateur d'arbre est intéressant en navigation mais la trainée de l'hélice n'est pas négligeable : minimum 0,5 N de perte.
Les piles à combustible produisant de l'électricité à partir par exemple du méthanol pour les plus connues EFOY, sont silencieuses et propres, ne rejetant que de l'eau et du gaz carbonique, mais bien que moins encombrantes, lourdes et onéreuses qu'un groupe diesel, leur rapport coût/puissance est encore élevé. Celles-ci constituent cependant un excellent complément à un ensemble de panneaux solaires ne fonctionnant pas la nuit, ou moins efficacement par temps couvert.
Les hydrogénérateurs bien qu'inutiles au mouillage, à moins de mouiller dans une rivière avec un fort courant, sont aussi complémentaires des éoliennes peu performantes aux allures portantes en raison du vent faible apparent. Le fait qu'un voilier de grand voyage passe beaucoup de temps au mouillage, navigue le jour comme la nuit, tout en privilégiant les routes et les périodes où les vents portants prédominent, ne simplifie pas le choix des équipements électriques ! Un important parc de batteries pour subvenir aux besoins en électricité d'un voilier de grand voyage
Les principaux consommateurs
Parmi les consommateurs les plus fréquents on notera le pilote automatique, le réfrigérateur, la centrale de navigation, les ordinateurs et écrans pour les cartes marines, le radar, la VHF, la radio ou HIFI, les feux de route ou de mouillage, l'éclairage du bateau, les pompes électriques, un ou des onduleurs comme source de 220 V AC, le chauffage, le guindeau; et de plus en plus fréquemment sur les unités modernes de voyage de taille croissante : un dessalinisateur, un propulseur d'étrave, une machine à pain, un congélateur, une machine à laver, et éventuellement des winchs et WC électriques, un four à micro-ondes, une bouilloire et même sur certains bateaux une unité de climatisation et des plaques de cuisson électriques à induction !
Une bonne façon de réduire sa consommation ... et le nombre de pannes à bord, consiste bien entendu à se limiter aux éléments de confort essentiels à son projet de navigation et son équipage; mais aussi l'utilisation d'ampoules LED, une excellente isolation du frigo et un bon équilibre du bateau sous voiles limitant les efforts du pilote, contribueront grandement à améliorer son bilan électrique.
Le bilan électrique
On distinguera trois configurations principales : en navigation à la voile, au mouillage et au port.
Pour chacune de ces configurations on cherche à établir un bilan journalier des consommations et des ressources. Le séjour au port ne posant en général pas de problèmes, sauf pour de grosses unités lorsque l'ampérage du courant de quai est trop limité. Même si l'embarcation dispose d'un important groupe électrogène, l'ajout de panneaux solaires, d'une éolienne et d'autres contributeurs en énergies renouvelables, permettra de rendre le fonctionnement du navire moins vulnérable et dépendant d'une seule source, mais surtout de réduire le nombre d'heures de fonctionnement du groupe, contribuant à une diminution de pollution sonore et environnementale, ainsi qu'à une autonomie accrue en gasoil. Ceci peut aussi permettre la substitution d'un gros groupe électrogène "lent" (1500 tours) 220 V AC très fiable pour une utilisation intensive, mais lourd, encombrant et onéreux (2-3 X) par un groupe produisant du courant continu 12 ou 24 V beaucoup plus compact et adapté à une utilisation limitée à une ou deux heures par jour maximum lorsque vent et soleil sont absents; par exemple pour recharger les batteries en même temps que le dessalinisateur fonctionne.
Si la consommation élevée mais ponctuelle d'équipements comme le guindeau, le propulseur, voire dans une moindre mesure le dessalinisateur ne pose pas vraiment de problème, car ceux-ci fonctionnent pendant que le moteur ou le groupe sont en marche, le réfrigérateur, le pilote électrique, l'ensemble des instruments de navigation et ordinateurs, ainsi qu'un éclairage minimal représentent des consommations journalières significatives dont il est difficile de se passer !
A la somme des consommations journalières pour les configurations navigation ou mouillage, on retranchera les contributions des sources en énergie renouvelable. On utilise des moyennes et fourchettes, par exemple 10-40 AH pour un panneau solaire de 100 W, 40-240 AH pour une éolienne 400W par jour pour un parc en 12V. Pour des voiliers de voyage (sur-) équipés de 40 à 50 pieds on arrive vite à une consommation nette de 100 à 200 AH par 24 H en 12 V. L'utilisation exclusive d'ampoules LED permet de diviser la consommation électrique des lampes et feux pratiquement par 10. Par ailleurs un parc en 24 V plutôt qu'en 12 V, surtout si le voilier comprend de gros consommateurs (ex. propulseur) permettra de réduire les pertes énergétiques... ainsi que la taille des câbles électriques.
Pour le dimensionnement du parc de batteries de servitudes et les capacités des alternateurs et chargeurs, on retiendra les règles et ordres de grandeur suivant :
- Parc servitudes = 4X la consommation nette journalière
- Dimensionnement alternateur : 1/4 à 1/3 parc batteries
- Chargeur de quai : 10 % min. du parc global (servitudes et moteur)
Donc par exemple pour un voilier de 40 pieds avec une consommation nette de 100 AH en 12 V, on obtiendra un parc servitudes de 400 AH de capacité et un ou deux alternateurs avec 100 A de capacité nominale globale.
Ces chiffres proviennent du fait que l'on ne peut utiliser effectivement qu'une partie de la capacité des batteries, ne devant pas les décharger trop profondément, en général pas à plus de 50 %, et de plus ne pouvant pas en pratique les recharger complètement à 100 % (souvent à 80 % au mouillage), sans bénéficier de nombreuses heures de "float" disponibles seulement lorsque que le bateau est au quai ou avance au moteur pendant de longues heures. De plus il faut tenir compte de l'intensité du courant de décharge, les batteries de servitude n'appréciant pas les courants de décharge trop intenses qui vont réduire leur durée de vie. Dans la pratique on tient compte du courant moyen (intensité en A) nécessaire à la consommation lorsqu'il fait nuit et qu'il n'y a pas de vent, ainsi que d'une limite basse de tension. Par exemple une tension minimum de 11.8V est nécessaire pour un fonctionnement convenable de nombreux appareils 12 V. Une analyse détaillée permet de se rendre compte que l'augmentation de la capacité réelle disponible liée à l'augmentation de la taille du parc (capacité et/ou nombre de batteries) est en fait très supérieure à la simple augmentation de capacité nominale du parc. Ceci s'explique par le fait qu'un faible courant relatif de décharge donne une capacité utile plus importante, alors qu'un courant de décharge relativement plus important réduit cette capacité utile par exemple de deux tiers à 40 %. Quant aux chargeurs ou producteurs d'électricité et alternateurs, il faut tenir compte du courant de charge réel, plus important au début lorsque les batteries sont déchargées mais faible en dernière partie du cycle de charge, ainsi que du rendement que l'on estime souvent à 50 % pour un alternateur standard.
Les batteries
On distingue les batteries dites ouvertes où il faut surveiller les niveaux d'électrolyte et si besoin compléter avec de l'eau distillée, et les batteries dites "étanches" ou "sans entretien". Ces dernières sont en général des batteries Gel (électrolyte gélifié) ou bien AGM (Absorbent Glass Mat) où l'électrolyte est absorbé en matière micro-poreuse. Par ailleurs certains types de batteries peuvent supporter des courants de décharge intenses mais sur de courtes périodes, alors que d'autres supportent mieux des décharges plus prononcées et de nombreux cycles de charge-décharge. On utilise les premières pour le démarrage du moteur, du groupe, le guindeau, le propulseur, et les secondes pour le parc de servitudes.
Les batteries Gel supportent les décharges importantes et les nombreux cycles de charge par contre il faut éviter les sur-tensions au risque de les endommager pendant la charge. Les AGM supportant des courants de décharge importants pendant des périodes courtes, sont donc indiquées pour les démarreurs de moteur, le guindeau, et le propulseur.
En ce qui concerne le choix des batteries : si la technologie sans entretien semble préférable pour la majorité des utilisations et équipages, il faut considérer les batteries comme du "consommable", car il faudra de toute façon les changer au bout de 3 à 5 ans de vie. Alors une batterie qui dure deux fois plus longtemps, en théorie, et qui va coûter en pratique trois fois plus cher n'est pas un bon choix économique !
La capacité disponible d'une batterie dépend du régime de décharge. Plus la décharge est rapide, c.a.d. le courant de décharge est important, plus la capacité disponible est réduite. A nouveau pour les courants de décharge élevés les "AGM" sont plus performantes que les "Gel". Une décharge trop profonde d'une batterie par exemple à 80 % entrainera son vieillissement prématuré.
La durée de vie moyenne de batteries utilisées tous les jours en grand voyage étant d'environ trois ans, on peut se demander s'il ne vaut pas mieux se procurer des batteries standard qui de plus pourront être facilement disponibles autour du monde, plutôt que d'investir dans des batteries de dernière génération coûteuses.
L'utilisation de chargeurs dits "intelligents" avec différentes phases successives de charge, du "boost" au "float", de moniteurs et contrôleurs de batteries, de limiteurs et répartiteurs de charges à diodes permettra de maintenir son parc de batteries, notamment si celui-ci comprend des batteries "Gel" plus sophistiquées, en meilleur état.
Des ouvrages de références sur l'électricité à bord du voilier : voir ici
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