Autosuffisance à bord: Comment concevoir une installation solaire

​Sept heures du matin, au mouillage, seuls dans une baie de rêve, mais soudain, cette idylle est interrompue par l’alarme stridente de la batterie. La lumière de mouillage a apparemment épuisé pendant la nuit la capacité restante qui se trouvait encore dans les accumulateurs après deux jours et deux nuits de navigation sans raccordement à la terre. De tels moments font naître des réflexions sur un approvisionnement énergétique autonome.

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L'alimentation électrique a toujours constitué un défi sur les voiliers. Certes, il existe désormais des appareils plus économes en énergie, comme les ampoules LED. Cependant, on trouve également à bord de plus en plus d'appareils, de plus en plus puissants, tels que, entre autres, les grands écrans multifonctions, les systèmes AIS, les routeurs Internet mobiles, les ordinateurs portables, les tablettes et les smartphones.

Une solution simple pour toutes les situations

Bien sûr, dans le cas susmentionné, on pourrait aussi simplement démarrer le moteur diesel du bateau, qui est débrayé, afin de produire de l’électricité via l’alternateur. Ce n’est toutefois ni efficace ni pratique. Les générateurs diesel offrent un meilleur rapport effort/rendement, mais ils consomment eux aussi du carburant et réduisent ainsi l’autonomie. Les générateurs à pile à combustible constituent une alternative. Ils fonctionnent de manière efficace, silencieuse et pratiquement sans émissions, mais sont toutefois assez coûteux. À cela s'ajoute le fait que le carburant, le méthanol, n'est pas facilement disponible partout.

Sans aucune consommation de carburant, les éoliennes et les générateurs hydrauliques fournissent l'électricité tant attendue. Les premières ont toutefois besoin d'air en mouvement, mais il ne faut pas non plus qu'il y ait trop de vent. De plus, il faut s'accommoder d'un certain niveau de bruit et parfois aussi de vibrations. Quant aux générateurs remorqués, ils ne fonctionnent qu'en navigation ; ils ne constituent pas une solution pour les longues périodes d'immobilisation sans raccordement au réseau électrique terrestre.

Les panneaux solaires, qui ne nécessitent ni vent ni propulsion, sont nettement moins exigeants. De plus, ils ne comportent aucun composant mobile, ce qui limite d'autant l'usure et les besoins en entretien. Dès que le soleil se lève le matin, on peut s'attendre à un rendement correspondant. L'importance de ce rendement dépend de différents facteurs qui doivent être pris en compte lors de la conception d'une installation solaire à bord.

Quelle est la consommation électrique ?

La première étape consiste à évaluer minutieusement les besoins : quelle quantité d'électricité est nécessaire et pendant combien de temps le yacht doit-il pouvoir rester autonome ? Il existe au moins autant de réponses à cette question qu'il y a de visions d'une croisière à la voile parfaite. Celui qui se branche tous les deux jours sur le réseau électrique terrestre a besoin de moins de réserves que celui qui préfère jeter l'ancre ou qui prévoit même de faire le tour du monde à la voile.

Les préférences varient également en matière d’appareils électriques : certains se contentent de la lumière de mouillage la nuit, tandis qu’une lanterne à pétrole est suspendue sous le pont. D’autres accordent de l’importance à un certain confort, avec un réfrigérateur en marche, un accès à Internet et des équipements de divertissement. À cela s’ajoute l’équipement : y a-t-il un onduleur à bord, par exemple pour alimenter un ordinateur portable ? Utilise-t-on une plaque à induction ou peut-être même la climatisation ? Sans parler d’un yacht à propulsion électrique.

Chacun doit faire son propre calcul. Pour cela, il est utile de disposer d'un tableau répertoriant tous les appareils avec leur durée moyenne de fonctionnement quotidienne. La puissance de chaque appareil en watts (W), multipliée par le nombre d'heures de fonctionnement quotidiennes (h), donne la consommation en wattheures (Wh/jour). En additionnant toutes ces valeurs, on obtient la consommation totale par jour.

Quelle quantité d'électricité une personne et un bateau consomment-ils en 24 heures ?

Le plus gros consommateur d'électricité est le réfrigérateur, suivi des chargeurs USB et des pilotes automatiques. Pour convertir les wattheures en ampères-heures : Wh / V (tension nominale des batteries). 720 Wh correspondent donc à 60 Ah dans un réseau de 12 V. Avec des batteries classiques, une batterie d'environ 120 Ah est nécessaire pour couvrir cette consommation. S'il s'agit de batteries LiFe, 67 Ah suffisent en principe.

Plus la liste est détaillée, plus le résultat est fiable. Une pompe à eau sous pression a certes une consommation électrique plus élevée qu’un traceur de cartes, mais elle ne fonctionne que rarement, tandis que les appareils électroniques de navigation restent en service pendant plusieurs heures. Quant au réfrigérateur, qui fonctionne en continu, sa consommation moyenne est inférieure à la puissance nominale, car le compresseur s’arrête de temps à autre ; on utilise donc ici une valeur estimée.

Quel type de chargement souhaitez-vous ?

Il convient ensuite de s'intéresser à la capacité de la batterie embarquée, qui est généralement exprimée en ampères-heures (Ah). Une batterie embarquée de 120 Ah peut théoriquement fournir 120 ampères (A) pendant une heure ou 5 ampères pendant 24 heures. Tout dépend toutefois du type de batterie : alors que les batteries au lithium-phosphate de fer peuvent être déchargées presque entièrement, fournissant ainsi la quasi-totalité de leur capacité, soit 90 à 95 %, les batteries au plomb-acide, y compris les batteries AGM et au gel, ne peuvent être déchargées que partiellement sans nuire à leur durée de vie.

À titre indicatif, on peut considérer une capacité utile de 50 %. Une batterie au plomb de 120 ampères-heure ne fournit donc, en réalité, que 60 ampères-heure. En la multipliant par une tension nominale d'environ 12 volts (V), on obtient 720 wattheures (60 Ah x 12 V = 720 Wh). Cette capacité est disponible avec une batterie au plomb complètement chargée, sans recharge.

On compare maintenant la capacité disponible à la consommation journalière. Cela permet de déterminer la durée maximale pendant laquelle on peut tenir sans recharger. Supposons que, jusqu’à présent, les 720 wattheures nous permettent de tenir une journée, soit 24 heures. À l’avenir, nous souhaitons passer deux jours supplémentaires à la voile et au mouillage. Le besoin supplémentaire s’élèverait donc à 1 440 wattheures (2 × 720 Wh). Ceux-ci devraient être produits sur les trois jours au total pendant lesquels nous souhaitons être autonomes, soit 480 wattheures par jour (3 × 480 Wh = 1 440 Wh).

​Les besoins réels dépendent également des conditions générales. Si nous démarrons en journée avec une batterie complètement chargée, celle-ci ne peut bien sûr pas être rechargée dans un premier temps. De plus, les durées de fonctionnement du moteur ne sont pas prises en compte. Cet exemple de calcul est donné à titre indicatif uniquement.

Théorie et réalité

Si l'on part du principe que l'ensoleillement dure 8 heures par jour, le panneau solaire devrait fournir en moyenne 60 watts pour couvrir les besoins en électricité (8 h × 60 W = 480 Wh). À première vue, cela ne semble pas beaucoup : un module de 60 watts n’est ni grand ni cher, mais la théorie et la pratique sont très éloignées l’une de l’autre. La puissance des modules solaires est généralement exprimée en watts-crête (Wp). Il s’agit de la valeur maximale atteinte dans des conditions idéales. Un module de 60 watts-crête pourrait certes fournir 60 watts, mais uniquement en cas d’ensoleillement optimal. Or, l’intensité du rayonnement solaire varie en fonction de la position du soleil et au fil de l’année. À cela s’ajoute la latitude géographique.

Le site web du fabricant de panneaux solaires Sunware (www.sunware.solar) propose des données comparatives pour différentes régions. Selon ces données, un module de 100 watts-crête produit 545 wattheures par jour à Split, en Croatie, en juillet, alors qu'à Kiel, le rendement n'est que de 370 wattheures. En septembre, le rendement journalier à Kiel chute à 207 watts-heure, tandis qu'à Split, on peut encore compter sur 348 watts-heure. Il s'agit dans chaque cas d'une moyenne mensuelle, les jours de mauvais temps étant déjà pris en compte.

À Kiel, le rendement moyen entre mai et septembre est d'environ 325 wattheures par jour. Cela correspond à 3,25 heures d'ensoleillement de crête (PSH) par jour ; cette unité fait référence aux heures présentant un rayonnement solaire équivalent à 1 kilowatt par mètre carré (0,325 kWh : 0,1 kW = 3,25 h). Pour les 480 wattheures dont nous avons besoin, un module de 100 watts-crête ne suffirait donc pas sur la côte baltique allemande. Il nous faudrait environ 1,5 fois ce rendement (325 Wh × 1,5 = 487,5 Wh), soit un module de 150 watts-crête. À condition qu’il n’y ait pas de pertes de puissance dues à une orientation défavorable ou à l’ombrage. Des pertes peuvent également résulter du câblage et du régulateur. Ceux qui souhaitent connaître les chiffres exacts peuvent également calculer ces pertes de ligne.

Types de cellules et surface requise

La surface nécessaire pour atteindre la puissance visée dépend du rendement des cellules. Les modules solaires sont généralement composés de plusieurs cellules interconnectées, fabriquées en silicium monocristallin ou polycristallin. Les cellules monocristallines peuvent atteindre un rendement d'environ 20 %. Des avancées technologiques telles que, entre autres, les technologies PERC (Passivated Emitter and Rear Cell), IBC (Interdigitated Back Contact) et HJT (Heterojunction Technology) permettent d'augmenter le rendement jusqu'à 25 %.

Les cellules polycristallines présentent un rendement inférieur, compris entre 15 et 18 %. Les cellules à couche mince, des cellules amorphes, se situent encore un peu en dessous, mais elles offrent en revanche une grande flexibilité et conviennent également aux zones partiellement ombragées. Pour les modules flexibles, on utilise aujourd’hui également des cellules CIS et CIGS sans silicium, qui offrent un rendement intéressant. Ceux qui sont prêts à investir dans des modules efficaces peuvent donc se contenter d’une surface plus réduite. Pour un module solaire de 150 watts-crête, il faut prévoir entre 0,7 et 1,2 m², selon le modèle. La répartition sur plusieurs modules augmente l’espace nécessaire.

L'endroit idéal

En principe, moins il y a d’ombre et plus l’orientation vers le soleil est directe, plus le rendement est élevé. C’est pourquoi de nombreux voiliers hauturiers sont équipés à l’arrière d’un support robuste sur lequel les panneaux solaires peuvent fonctionner sans entrave, certains étant même inclinables pour un alignement optimal. Ceux qui ne souhaitent pas installer une telle structure trouveront de nombreuses alternatives. Le marché propose aujourd’hui une solution pratique pour presque tous les types de bateaux et tous les besoins, allant des panneaux rabattables pour la rambarde de pont aux modèles accessibles pour la superstructure de la cabine, en passant par des versions flexibles pour la capote et le bimini. Il existe même des modules préchauffables pour le mât. À cela s’ajoutent des modèles spéciaux pour la bôme et les voiles.

S'il s'agit uniquement de l'alimentation électrique au mouillage, on pourrait également envisager des modèles mobiles à installer sur le pont, ou des modules à accrocher au bastingage. Si l'ensemble doit également fonctionner en navigation, un support d'appareils serait alors le meilleur choix, ou bien il faudrait rechercher des solutions adaptées pour un montage fixe sur le pont ou sur le toit de la cabine.

Pour la puissance nominale d'environ 150 watts-crête mentionnée dans l'exemple, les prix des modules individuels correspondants se situent en moyenne entre 350 et 450 euros. On trouve parfois des modèles d'entrée de gamme plus abordables, mais selon la version et le contenu de la livraison, les kits comprenant un système de fixation, un régulateur de charge, etc., peuvent également coûter jusqu’à 1 000 euros, voire plus, notamment pour les cellules haute performance ainsi que les versions pliables et flexibles. Si l’espace sur le pont est limité, on peut également envisager d’investir en parallèle dans une capacité de batterie accrue afin de réduire les besoins en énergie solaire supplémentaire. Quoi qu’il en soit, investir dans l’énergie solaire est synonyme de plus de liberté, car cela permet de disposer de plus de temps pour profiter de moments de détente sur l’eau, sans émissions polluantes.

​Le régulateur adapté

Pour recharger efficacement les batteries de bord, il faut un régulateur de charge adapté, placé entre le panneau solaire et la batterie de bord. Il garantit un courant de charge optimal et protège contre la surcharge. De plus, le régulateur de charge doit être adapté au panneau et au type de batterie utilisés.

Sur le plan technologique, deux types dominent : les régulateurs PWM (modulation de largeur d’impulsion) et les régulateurs MPPT (suivi du point de puissance maximale). Les premiers sont considérés comme simples, économiques et robustes. Les régulateurs MPPT sont de conception plus complexe et plus coûteux, mais aussi nettement plus efficaces. Ils injectent la quasi-totalité de l’énergie fournie par le module solaire dans le banc de batteries.

Certains modèles disposent de plusieurs sorties, par exemple pour charger simultanément la batterie de démarrage. Si plusieurs modules sont montés en série, le régulateur de charge doit pouvoir gérer la tension plus élevée. Les montages en parallèle, en revanche, augmentent l'intensité du courant. Des courants de charge élevés nécessitent des câbles suffisamment dimensionnés et un soin particulier lors de l'installation.

Attention : les régulateurs de charge solaires sont spécialement conçus pour les systèmes photovoltaïques et ne doivent pas être utilisés avec d'autres sources d'électricité !

​Facteurs pratiques qui réduisent le rendement solaire

• Ombrage : Même de petites ombres, causées par exemple par une grande vergue oscillante, le haubanage, le dirk, un palan ou les barres de flèche, peuvent réduire sensiblement le rendement d'un panneau solaire. Dans la pratique, une perte de rendement de 10 à 30 % n'est pas rare.
• Orientation par rapport au soleil : La puissance maximale d'un panneau solaire ne peut être atteinte que grâce à un ensoleillement optimal, aussi vertical que possible. Les panneaux solaires qui restent constamment à plat ou dont l'inclinaison par rapport au soleil est défavorable réduisent le rendement moyen journalier. L'ampleur de cette réduction dépend de la saison.
• Température : Des températures élevées au niveau des modules réduisent le rendement. En Méditerranée ou sous les climats tropicaux, cela peut entraîner une perte supplémentaire de 5 à 10 %.
• Câblage et technologie de recharge : Les pertes dues à la résistance des câbles et à des régulateurs de mauvaise qualité peuvent représenter 5 à 10 % de pertes supplémentaires.

​Suggestions de lecture

Le savoir-faire marin aborde les aspects essentiels de l'équipement nautique, de l'entretien des bateaux, de la maintenance et de la navigation électronique. Les lectrices et lecteurs y trouveront des conseils pour la gestion technique quotidienne à bord et pourront mieux s'y retrouver dans le choix et l'utilisation de leur équipement.

Naviguer en toute sécurité en mer met l'accent sur la sécurité lors de l'utilisation d'un voilier. Ce guide aborde notamment les risques liés au système électrique de bord et aux outils numériques tels que l'AIS et les fichiers GRIB.

De combien d'équipements techniques un yacht a-t-il réellement besoin pour être autonome pendant plusieurs jours ? Partagez vos expériences en matière d'énergie solaire à bord dans les commentaires.