Mon catamaran sous propulsion électrique 1° Partie : les moteurs

Beaucoup de plaisanciers rêvent d’une navigation silencieuse en phase avec la nature, même quand Eole a décidé de s’inscrire aux abonnés absents

Le vent diésel est un ami fort bruyant et parfois il va jusqu’à être malodorant. En fait c’est un convive utile mais plutôt encombrant

Pour ma part j’ai souvent rêvé que mes deux Volvo deviennent comme par magie des moteurs électriques au couple phénoménal qui, dans un bruissement à peine perceptible, me fassent oublier les sautes d’humeurs de notre propulseur préféré, le vent.

Cette tirade, issue d’un compte pour enfants, terminée, il n’est pas interdit de se pencher très sérieusement sur le choix d’une motorisation électrique pour un voilier hauturier.

La pratique ne nous permet pas de nous faire une vraie idée sur ce choix. En effet les tentatives professionnelles n’ont pas donné grand-chose, les amateurs de leurs côtés sont dithyrambique comme avec tout ce qu’ils réalisent eux même. Pourtant, en y regardant de plus près la propulsion électrique semble être faite pour les voiliers. Une utilisation occasionnelle de la motorisation, capacité de produire de l’électricité par le vent (Hydrolienne sous voile ou éolienne tous le temps) ; Si effectivement le voilier semble le premier véhicule pour lequel la motorisation soit réellement pertinente, les catamarans semble encore mieux adaptés. En plus des avantages « voiliers », il se trouve qu’il utilise deux moteurs de petites tailles plutôt qu’un gros et qu’il dispose de beaucoup de surface pour récolter les Watts solaire

Pourtant, chaque fois que cette alternative de motorisation est évoquée, cela soulève immanquablement les mêmes doutes, pourquoi cela n’a-t-il jamais été fait ? et les mêmes questions, d’abord et avant tout, quelle puissance est nécessaire ? Les moteurs thermiques expriment la leur en chevaux vapeurs, les électriques en Kilowatt ou en livres de poussée. Cela n’aide pas.

Ensuite arrive le problème de l’autonomie ce qui entraine une grande perplexité sur les moyens de recharges.

La multitude de petits avantages comme l’encombrement, le niveau sonore ou le coût d’entretien sont généralement pris en compte que bien plus tard, une fois la décision arrêtée, si elle est favorable au propulseur électrique, on a alors besoin de continuer de justifier cette prise de risque. Le saut dans l’inconnue que représente cette aventure est une vraie source de stress. Rien d’anormal dans cette angoisse rétrospective, tout le monde est beaucoup plus inquiet de l’inconnu que du danger identifié.

La puissance

Pour répondre à la première question sur l’équivalence puissance essayons d’échafauder un raisonnement structuré et objectif à partir des données technologiques qui sont à notre disposition aujourd’hui. Demain sera un autre jour avec des vérités nouvelles qui pourraient conforter ou invalider les conclusions qui seront les nôtres à la fin de cette étude.

Il existe une foule de calculs aussi savants que théoriques qui divisent tous les « savants théoriciens » qui dissertent sur la toile. Les formulent se heurtent très vites à des paramètres subjectifs ou à des « données constructeurs » sur le rendement du moteur thermique, de 20 à 50% suivant le sérieux du fabriquant et celui du moteur électrique, de 70 à 90% suivant si on et pour ou contre. J’essaierai d’en parler en annexe pour les accrocs du ? (rendement) ou de la conversion   ft x Lbf/s en cv etc...

Je vous propose une méthode peut-être tout aussi subjective mais qui sera basée pour partie sur du vécu. Tous les voileux de la planète pourront faire ce raisonnement avec leur propre expérience.

Cette façon d’approcher le problème est basée sur une étude réalisée par la société Porsche qui comparait plusieurs moteurs thermiques diésels d’environ 55 CV en bout de vilebrequins avec des propulseurs électriques de même puissance à la sortie de l’arbre de transmission. Les courbes qui regroupent les données d’observations sont une vraie mine d’informations cruciales (graphe 1). Un exposé titré Trotech2, (voir adresse en fin d’article) ¹ rapporte des résultats venant d’une autre source mais qui corroborent parfaitement celles de Porsche.

On constate que dans une plage d’utilisation normale de nos moteurs qui se situe autour de 2000 tr/mn (même si effectivement nous pouvons les pousser à plus de 3000 tr/mn) le propulseur électrique dispose d’une puissance et d’un couple largement supérieurs au thermique.

Comme j’ai promis de m’appuyer sur du concret, je vais imaginer résoudre ce problème pour mon bateau, un catamaran de 15 mètres parfaitement équipé pour un tour du monde. Le cheminement du raisonnement restera valable quel que soit le bateau et ce, même si la conclusion qui s’en dégage s’avère totalement différente.

La question devient donc très concrète.

Il me faut trouver les caractéristique des moteurs électriques qui permettront de propulser mon voilier avec la même facilité que le font aujourd’hui mes deux Volvo de 55 CV. Le premier réflexe est de transformer les CV en KW et le tour est joué. Que nenni ! Un électrique de 41 KW n’est certainement pas la solution.

Pour mener à bien cette réflexion il vaut mieux décortiquer les caractéristiques des « bêtes à chagrins » en place actuellement en fouillant dans la documentation technique qui a été parfaitement rangée dans de beaux classeurs sous la table à carte. Je vous recopie les deux courbes qui représentent la puissance et le couple. Vous pouvez les récupérer dans les docs techniques que nous vous offrons dans la boutique de l’association.

La première constatation est que la puissance maximum est délivrée à 3000 tr/mn. Le moteur à plein régime nous entraine à 9,5 nds (donnée constructeur). Au régime habituel, celui qui reste supportable pour nos tympans dans la durée, soit au plus 2200 tr/mn, (plus souvent moins de 2000 tr/mn) les moteurs délivrent à peine plus de 18 CV et nous propulse tout de même autour de 7,5 nds. Il nous arrive même, assez couramment, de n’utiliser qu’un seul des deux moteurs sans pour cela voir la vitesse baisser scientifiquement. (Petite réflexion idiote pour développer, jusqu’à l’absurde, cette conclusion ²)

Mes moteurs délivrent leur couple maxi (13.5 kg.m) justement à 2000 tr/mn (explication du silence du moteur à ce régime)

Un voilier utilise le couple de son moteur essentiellement pour les manœuvres de port quand il faut le faire décoller de son point d’immobilité. Une fois le bateau en mouvement, sa masse et donc ère laisse peu d’utilité au couple pour le propulser, si ce n’est, peut-être, pour des situations d’urgences qui dépendent beaucoup plus, alors, du pas de l’hélice. (D’où l’utilité des hélices à pas variable)

Dans cette configuration d’utilisation (les manœuvres de port) il m’a toujours été difficile de pousser les moteur au-delà de 1500 tr/mn si je ne souhaitais pas voir le bateau sur réagir, hors, autour de 1000 tr.mn, le couple maximum oscille entre 5 et 10 kg.m.  De son côté le moteur électrique a, comme caractéristique principale, de délivrer son couple maxi dès 1 tr/mn.

Conclusion de cette première approche, pour remplacer mes groupes propulseurs diésels (hors toutes considérations de rendement derrière le vilebrequin), il suffirait que je dispose de deux moteurs électriques d’environ 15 KW soit 20 cv environ. Comme pour tout calcul, un coefficient de sécurité s’impose (coèf 1,25 semble suffisant) ce qui nous amène à une puissance 18,75 KW (environ 25 CV). Il reste à savoir si un moteur de cette puissance nous offre un couple entre 30 et 50 Nm et une vitesse de rotation, qui, avec l’hélice adaptée, me permettra de marquer 8 nds sur mon loch. Je vous rappelle que la vitesse du bateau au moteur est le résultat de la vitesse de rotation de l’hélice par le pas de cette même hélice, diminuée du « glissement » dont la responsabilité incombe presque exclusivement à la carène et au poids. Le pas et déterminé par la capacité du moteur à entrainer l'hélice sans caller ni ralentir sa vitesse de rotation. C’est le couple qui en sera le juge suprême. 

Retour sur le graphique Porsche avec une petite translation pour voir ce qui se passe avec un moteur d’environ 25CV  à 30 CV.

Merveille, un moteur de 25 KW, soit 34 CV a sa courbe de couple descendante qui coïncide avec celle montante du thermique autour des 2000 tr/mn requit. En faisant un compromis puissance/couple 20 KW pourrait suffire.

J’avoue que la technique est un peu violente, mais si l’on se base sur la linéarité de la progression de puissance d’un moteur en fonction de l’énergie absorbée, le résultat devrait donner une indication loin d’être absurde. Il restera donc à confronter le tout avec les courbes d‘un moteur du commerce de la puissance requise et si le produit existe la procédure pourra être validée.

Le moteur SPM132 (25KW), 140Nm) de chez TEMA ferait parfaitement l’affaire. Pour une vitesse de rotation de 3600 tr/mn il ne reste plus qu’à calculer l’hélice qui permettra d’atteindre la vitesse recherchée.

Notre technique nous apprend que pour remplacer un moteur Volvo de 55 CV un moteur électrique de 25 KW sera parfait soit un peu plus que la moitié de la puissance du thermique

Les tableaux de comparaison fournis par « TEMA » ou par « Ecoboat » sont un peu plus optimistes et se rapproche de notre seconde appréciation. Seulement ils restent théoriques et à l’inverse de notre étude, ils ne prennent pas en compte un facteur essentiel : Le voilier qui reçoit ces moteurs et votre façon de mener votre bateau.

Je vous le livre tout de même. Il est un peu moins optimiste que celui de Torqeedo.(qui s’arrête à 5KW)

Diésel   (CV)                               Electrique (KW)

6/10                                              2.5

    12/18                                              5

    20/28                                              12

    30/40                                              15

    42/55                                              20

Tout ceci est bien beau, mais la puissance délivrée par un moteur électrique a la fâcheuse habitude de dépendre de la quantité d’énergie qu’on peut lui fournir. Ce qui nous ramène d’office à la 2° grande question : l’Autonomie, à travers le stockage et la production de cette énergie.

Prochain Article…

PG

• ¹    http://arnaud.meunier.chez-alice.fr/fr/theo/elec/trotech2.htm

• ²   Au vu de ces chiffres j’ai pensé qu’il serrait peut être utile de m’intéresser au moteur Volvo de 20 CV puisque en fonctionnement normal je n’utilise qu’un tiers de la puissance disponible. Là aussi les courbes sont assassines et dans cette configuration il faudrait maintenir un régime de 3200tr/mn (attention les oreilles) pour atteindre les 18 CV nécessaires à ma navigation et qu’à ce régime le couple ne serait que de 4.2 kg.m, loin d’être suffisant pour déplacer mes 15 tonnes en ordre de marche