Actualité à la Hune

Energy Observer (1/2)

De la voile à l’hydrogène

Pour naviguer «propre», il y a peut-être mieux que les batteries. Sur Energy Observer, on utilise une pile à combustible alimentée par de l’hydrogène… lui-même produit avec de l’électricité issue de flux naturels, grâce à des panneaux solaires, des éoliennes, voire des hydrogénérateurs quand le bateau navigue avec une aile de kite. Victorien Erussard, le skipper malouin de ce navire d’un nouveau genre, et Marin Jarry, son second, nous l’ont fait visiter. En cette première partie de visite, explications des solutions énergétiques adoptées.
  • Publié le : 25/10/2017 - 00:01

Energy ObserverArrivée du catamaran Energy Observer à Bordeaux, fin septembre. Le navire s’est amarré sur le ponton d’honneur non loin de la place de la Bourse.Photo @ Energy Observer/Jérémy Bidon
Elles restent quand même relativement lourdes, les batteries lithium, bien que leur «densité massique d’énergie»  – le rapport entre la quantité d’énergie stockée et la masse – ne fasse que s’améliorer. En tout cas, ces batteries haut de gamme, par ailleurs très coûteuses, affichent une masse importante par rapport à des hydrocarbures. Ce qui oblige à utiliser une motorisation électrique suffisamment puissante… qui elle-même impose d’emporter beaucoup de batteries, etc.

Un cercle vicieux : concrètement, il faut choisir entre la vitesse et l’autonomie – impossible d’avoir les deux. Avec un moteur thermique et des hydrocarbures, ça marche beaucoup mieux : la densité d’énergie est bien meilleure (voir notre graphique comparatif : pour stocker la quantité d’énergie que l’on peut obtenir avec 1 kilo de gasoil, il faut une bonne centaine de kilos de batteries). Gros bémol : c’est polluant, avec des gaz à effet de serre et des particules fines.

Graphique comparatifEn termes de densité massique d’énergie, le dihydrogène comprimé est trois fois plus performant que les hydrocarbures ; en termes de densité volumique d’énergie, à l’inverse, il est beaucoup moins performant (cliquez sur le graphique pour l'agrandir et retrouvez tous les chiffres dans le tableau ci-dessous).Photo @ Sébastien Mainguet
Tableau comparatif densités
La solution ? Elle vient peut-être de la pile à combustible et de l’hydrogène, ou plus exactement du dihydrogène (H2). Un gaz qui en théorie offre une densité massique d’énergie trois fois supérieure à celle des hydrocarbures. Ce qui en fait un outil intéressant pour la propulsion des véhicules – en particulier, mais pas seulement. Même si, en termes de densité volumique d’énergie, après compression du gaz à quelques centaines de bars, on reste très en deçà de la densité caractérisant les hydrocarbures (voir là encore le graphique). Ce qui constitue un réel inconvénient. Le catamaran Energy Observer, que nous avons eu la chance de visiter lors de son escale à Bordeaux début octobre, a justement été conçu pour expérimenter ce type de technologies – parmi quelques autres, mais la pile à combustible semble particulièrement intéressante.

Drôle de destin que celui de ce célèbre bateau, connu à l’origine sous le nom de Formule Tag – c’était un plan de Nigel Irens, construit pour le Canadien Mike Birch. En 1994, onze ans après son lancement, il battait avec Peter Blake le record du tour du monde en équipage (lire son histoire complète dans Voiles et Voiliers n° 542). Et on le retrouve aujourd’hui dans une configuration totalement différente : il n’a plus de gréement mais des moteurs électriques, une immense nacelle centrale couverte de panneaux solaires, et ses coques abritent une impressionnante machinerie permettant par exemple de convertir l’énergie électrique en gaz dihydrogène (H2) et vice-versa. A la table à cartes, on se croirait un peu à bord de Discovery One, le vaisseau spatial de 2001, l’Odyssée de l’espace.

Panneaux solairesLes 21 kWc de panneaux photovoltaïques, répartis sur 130 mètres carrés, font appel à différentes technologies. Certains sont bifaciaux, c’est-à-dire qu’ils peuvent récupérer la lumière réfléchie par la surface de l’eau.Photo @ Sébastien Mainguet
Comment ça marche ?

Le catamaran est équipé de deux moteurs électriques de 41 kilowatts. La puissance d’origine est fournie par les panneaux solaires (21 kilowatts-crête) et/ou par les éoliennes (2 kilowatts-crête), et/ou par les hydrogénérateurs (5 kilowatts-crête) quand le bateau est tracté par son aile de kite (une voile Beyond The Sea, développée par Yves Parlier). L’idée est d’effectuer un tour du monde – avec de nombreuses escales – en autonomie totale, sans jamais faire le moindre plein d’électricité, d’hydrogène ou de gasoil, en comptant donc uniquement sur les flux naturels du soleil et du vent. Précisons qu’il n’y a pas une goutte de gasoil à bord. Le circuit est le suivant :


Flux solaire, éolien et hydrolien >> conversion et stockage électrochimique dans les batteries lithium >> production d’électricité par les batteries >> conversion et stockage sous forme de dihydrogène (H2) par électrolyse de l’eau de mer >> production d’électricité par combustion du dihydrogène dans la pile à combustible >> conversion et stockage électrochimique dans les batteries lithium >> production d’électricité par les batteries >> conversion en énergie mécanique avec les moteurs électriques.


[Note : pour les premières étapes de son parcours, Energy Observer a tout de même fait un ou deux pleins d’hydrogène «à la pompe», mais encore une fois le but visé est bien l’autonomie.]

On peut noter l’écart entre la puissance consommée par les moteurs, soit 82 kilowatts à fond, et les différents moyens de production embarqués, dont la puissance cumulée atteint seulement 21 + 2 + 5, soit 28 kilowatts, sachant qu’il s’agit bien de puissance-crête dans tous les cas. Ce que cela veut dire ? A moins de faire de temps en temps le plein d’électricité et/ou d’hydrogène à terre, ou de faire de longues escales (ou de longues navigations sous aile de kite) pour recharger ses batteries et ses réservoirs d’hydrogène à partir des flux naturels, le bateau ne peut pas naviguer très longtemps avec ses moteurs électriques à pleine puissance.
Mais ce n’est pas le but. Du tout. La puissance de la pile à combustible est d’ailleurs elle-même limitée à 22 kilowatts. «Dans une optique d’endurance, précise Romain Jarry, second du bord et responsable de l’armement, la puissance nécessaire pour propulser le catamaran à une vitesse de 6 nœuds est d’environ 10 ou 12 kilowatts au total, pour les deux moteurs. Nous faisons appel à la pleine puissance des moteurs uniquement lors des manœuvres portuaires.»

Aile de kiteC’est sans doute avec son aile de kite Beyond The Sea (développée par Yves Parlier), dont vous voyez ici le système de pilotage automatisé, que le catamaran Energy Observer doit faire ses plus belles pointes de vitesse. Parce qu’avec ses moteurs électriques, il navigue plutôt à 6 ou 8 nœuds de moyenne.Photo @ Sébastien Mainguet
Electricité-H2-électricité, quel bilan énergétique ?

Avec le dispositif de conversion et de stockage électricité-H2-électricité (électrolyseur en amont, pile à combustible en aval), l’idée est de stocker sous forme de gaz dihydrogène (H2) le surplus d’énergie produit par les panneaux solaires, les éoliennes et les hydrogénérateurs. Mais seulement quand le bateau est au port ou au mouillage, ou quand il navigue sous aile de kite et fait ainsi tourner ses hydrogénérateurs. Parce qu’en navigation au moteur – avec les propulseurs électriques –, si l’on consomme 10 ou 12 kilowatts en vitesse de croisière (comme précisé par Romain Jarry ci-dessus), il n’y a guère de surplus : la puissance-crête disponible (sans les hydrogénérateurs) est seulement de 21 + 2 = 23 kilowatts. Ce qui signifie, en prenant un facteur de charge de 20 % (qui dépendra de la région traversée), que la puissance moyenne délivrée par les panneaux solaires et les éoliennes sera plutôt de l’ordre de 5 kilowatts.

Il faut préciser en outre que l’électrolyseur consomme de l’électricité – jusqu’à 27 kilowatts à pleine puissance –, et que c’est aussi le cas du compresseur qui permet de stocker le dihydrogène à 350 bars, sous une forme relativement compacte (alors que le gaz sort de l’électrolyseur à 30 bars à raison de 4 mètres cubes par heure à puissance maximale). On pourrait comprimer le gaz jusqu’à 700 bars (au maximum), il prendrait alors deux fois moins de place, mais cela consommerait davantage d’énergie. Le choix d’une pression de 350 bars est donc un compromis. Didier Bouix, ingénieur du Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA) qui a travaillé sur ce projet, nous précise que le rendement de la chaîne complète électricité-H2-électricité (en incluant la consommation du compresseur) est de 25 % et atteint 30 % si l’on valorise aussi la chaleur produite par la pile à combustible. Autrement dit : pour obtenir 1 kilowatt-heure d’électricité à la sortie de la pile à combustible, il faut injecter 4 kilowatts-heures dans l’électrolyseur. Et si l’on intègre dans le calcul la production de chaleur de la pile, que l’on peut récupérer pour le chauffage domestique (c’est le cas sur Energy Observer), on arrive alors à 30 %.

In fine, dès le moment où l’on adopte le principe de l’autonomie totale fondée sur la seule utilisation de flux naturels (solaire, éolien et hydrolien), et si l’on fait abstraction des possibilités de stockage pendant les escales ou lors de la navigation sous voiles (ou sous aile de kite), alors la vitesse moyenne que le navire peut tenir au moteur dépend de la puissance moyenne des flux entrants. À cet égard, de toute façon, la possibilité de stocker de l’énergie en éventuel surplus sous une forme ou sous une autre (batteries lithium ou dihydrogène) ne change rien à l’affaire. Et en l’occurrence, qu’il s’agisse d’Energy Observer ou de Race for Water, autre catamaran doté de panneaux solaires, d’une réserve d’hydrogène et d’un dispositif électricité-H2-électricité – voir notre tableau comparatif –, les expérimentations menées sur ces navires prouvent surtout une chose : pour aller vite en faisant appel uniquement à des flux naturels, on n’a pas encore trouvé mieux que… la voile.
L’exemple d’Energy Observer est particulièrement éclairant : à l’époque où il portait des voiles sur un gréement marconi, ce bateau a fait le tour du monde en moins de 75 jours à plus de 15 nœuds de moyenne… Et aujourd’hui encore, c’est sans doute avec son aile de kite qu’il fera ses plus belles pointes de vitesse ! Avec le stockage d’énergie sous forme d’hydrogène, on peut certes résoudre le problème posé par le poids des batteries. Mais c’est surtout la faible densité de puissance à l’entrée du circuit qui crée une barrière technique infranchissable dès le moment où l’on adopte le principe d’autonomie tel que décrit plus haut. Pour illustrer cette difficulté, outre le catamaran solaire Race for Water qui navigue à environ 5 nœuds de moyenne, on peut citer l’avion Solar Impulse, qui vole à un peu moins de 50 nœuds.

Energy ObserverNicolas Hulot, le ministre de la Transition écologique et solidaire, entouré du coureur au large Victorien Erussard (à gauche) et du réalisateur Jérôme Delafosse (à droite).Photo @ Energy Observer/Jérémy Bidon
Cependant, pourrait-on objecter, le catamaran Energy Observer, tout comme Race for Water, passe aussi un certain temps à l’escale, ou en marche sous aile de kite. Problème : avec une puissance moyenne de 5 kilowatts à l’entrée, il faut une vingtaine d’heures pour recharger le parc de batteries lithium de 106 kilowatts-heures embarqué sur le premier. Pour le parc de 754 kilowatts-heures de Race for Water, avec une puissance moyenne de 20 kilowatts environ (en prenant le même facteur de charge de 20 %), il faut un peu plus de 36 heures. Et pour ce qui est de produire par électrolyse les 62 kilogrammes d’hydrogène que l’on peut stocker sur Energy Observer, il faudrait… un temps indéterminé puisque certaines données qui permettraient de faire le calcul sont confidentielles – mais nul doute que cela se compterait plutôt en jours ou en semaines.


En bref, on peut distinguer trois cas de figure :

1- On produit toute l’énergie pendant la navigation au moteur, à partir des panneaux solaires et des éoliennes, mais cela implique de naviguer lentement.

2- On fait les pleins des batteries et des réservoirs d’hydrogène à l’escale à partir des panneaux solaires et des éoliennes, ou pendant la navigation sous kite à partir des panneaux solaires, des éoliennes et des hydrogénérateurs. Cela prend quelques jours, voire quelques semaines, mais on peut ensuite naviguer quelques jours au moteur à une vitesse un peu plus élevée.

3- On fait les pleins des batteries et des réservoirs d’hydrogène à partir d’un réseau électrique terrestre et d’un stock d’hydrogène extérieur. Cela ne prend que quelques heures, et on peut ensuite naviguer quelques jours au moteur à une vitesse un peu plus élevée.


VIDEO. Présentation de l'énergie à bord avec Victorien Erussard et Marin Jarry


Dans la deuxième partie de notre visite, nous détaillerons les enseignements possibles tirés d’Energy Observer pour nos voiliers de plaisance. Rendez-vous sur voilesetvoiliers.com le 28 octobre.

Pour en savoir plus :
Energy Observer : www.energy-observer.org/
Race for Water : www.raceforwater.com/
Solar Impulse : www.solarimpulse.com/