Technique: Quel est le meilleur moteur ? Comparaison des systèmes de propulsion électrique

Lorsqu'il s'agit de durabilité, Magnus Rassy n'a pas à craindre la comparaison. Sa maison, située sur une colline au-dessus du chantier naval, est chauffée par une pompe à chaleur. Sur le toit orienté sud-ouest, des panneaux solaires monocristallins produisent de l'électricité à l'échelle du mégawatt. Et deux Tesla sont garées dans le garage. Le patron d'Hallberg-Rassy conduit la plus ancienne depuis huit ans ; la Model S de sa femme Mellie a également six ans de batterie.

On peut les qualifier de pionniers de la mobilité électrique, et ils le sont par conviction. Jamais plus ils n'accepteront un véhicule à combustion dans leur maison. Il est donc d'autant plus surprenant que Rassy ne propose pas de moteurs électriques, même contre de l'argent et de bonnes paroles, pour ses yachts de croisière maintes fois primés, qui sont construits à 500 mètres à peine à vol d'oiseau. "Cela n'a tout simplement aucun sens", dit-il.

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Rassy, qui suit l'évolution technique avec plus d'attention et d'ouverture d'esprit que nombre de ses concurrents, n'a pas pris sa décision à la légère. S'il voyait des avantages tangibles, il changerait sans hésiter - comme il a déjà pris le virage énergétique depuis longtemps dans sa vie privée.

Mais pour le chef du chantier naval, qui a inventé la "voile à bouton" et dont les bateaux disposent depuis longtemps de doubles safrans, de grandes voiles lattées déployées et d'autres solutions de détail novatrices, les inconvénients de la propulsion électrique l'emportent jusqu'à nouvel ordre.

"Pour les annexes et les day-sailers, cela peut fonctionner", dit-il. "Mais pour la navigation de croisière, ni l'autonomie, ni la puissance, ni l'infrastructure de recharge ne sont suffisantes". Ainsi, sous les passavants soigneusement insonorisés de tous les modèles, du HR 340 au HR 69, fonctionnent sans exception des groupes électrogènes diesel de Volvo Penta ou Yanmar, souvent complétés par des générateurs diesel pour les plus grands yachts.

Les chantiers navals misent de plus en plus sur la propulsion électrique

Pendant ce temps, de plus en plus de fabricants s'ouvrent aux moteurs électriques, seuls quelques-uns, comme Hallberg-Rassy ou Bavaria, produisent encore du "diesel only". Le groupe Fountaine-Pajot, par exemple, propose déjà plus d'une demi-douzaine de modèles à propulsion hybride diesel-électrique pour ses catamarans et les monocoques de Dufour. Saffier propose pour toute sa gamme de produits jusqu'à 33 pieds une option E basée sur des batteries au lithium. Chez Winner Yachts à Neustadt, un pod électrique d'e-Propulsion est même déjà standard pour les deux modèles 8 et 9 ; ceux qui préfèrent un diesel encastré doivent payer un supplément tout à fait considérable de 9.000 euros en raison des frais d'installation plus élevés.

Il y a donc incontestablement du mouvement sur le marché des yachts à voile. Il serait certes prématuré de parler d'un boom - d'autant plus que le nombre d'immatriculations de voitures électriques est actuellement en baisse dans toute l'UE et pourrait être un indicateur négatif pour le secteur nautique également. Néanmoins, les personnes qui envisagent d'acheter un nouveau bateau se voient de plus en plus confrontées à la question de savoir quel type de propulsion auxiliaire elles souhaitent utiliser.

Deux systèmes sont actuellement les plus répandus lorsqu'il s'agit de trouver une alternative au moteur à combustion : pour les petits bateaux légers, les moteurs électriques alimentés par des batteries se sont imposés comme la variante la plus courante ; pour les yachts de croisière lourds, les propulsions hybrides avec générateur diesel comme prolongateur d'autonomie dominent. Mais il ne s'agit là que des solutions les plus courantes actuellement.

Aperçu des systèmes d'entraînement

Entraînement électrique par banc d'accumulateurs

Sur les petits croiseurs, les day-sailers et les bateaux de croisière légers jusqu'à 32 pieds, un moteur électrique alimenté directement par des batteries au lithium suffit. Même sans générateur, il est possible d'atteindre une autonomie de 10 à 40 miles nautiques avec une capacité de batterie de 5 à 15 kilowattheures.

Entraînement diesel-électrique

Avec une tension de 48 volts, les grands yachts ont besoin de grands bancs de batteries de 30 à 50 kilowattheures, ce qui coûte beaucoup d'argent et pèse sur le bilan global de CO2. Un générateur diesel permet d'être autonome en courant de quai et d'augmenter l'autonomie en mode hybride.

Propulsion électrique avec pile à combustible

Cette solution écologique, qui utilise de l'hydrogène vert, n'est pour l'instant utilisée que sur des superyachts et des prototypes. Une pile à combustible remplace le générateur diesel. L'électrolyse de l'hydrogène nécessite toutefois beaucoup d'énergie et réduit le rendement global.

Systèmes de piles à combustible : la solution ?

Ils conviennent en principe à toutes les utilisations, car ils ne dépendent pas de gros packs d'accumulateurs, atteignent des autonomies relativement bonnes et fonctionnent sans émission de CO2. Les premiers superyachts misent sur cette technique ; il existe également des tenders à hydrogène et, avec le Samana 59 RexH2 de Fountaine Pajot, le premier voilier produit en grande série.

Le projet le plus récent est aussi le plus petit à ce jour. Il a vu le jour au Centre d'innovation pour la durabilité et la technologie de production de Nordenham, ou INP. Et il a trouvé un ambassadeur de renommée mondiale : Boris Herrmann, navigateur professionnel engagé dans la protection du climat avec son équipe Malizia, est venu spécialement de Hambourg à la Weser à la mi-juin pour le baptême de l'"innovation H2".

Pour démontrer les possibilités de la propulsion à l'hydrogène, les initiateurs ont choisi un support d'essai plutôt inhabituel : ils ont fait transformer un LM 23 vieux de 50 ans. Le diesel Bukh de musée et ses périphériques ont été remplacés par un moteur électrique de six kilowatts de Vetus. Il est alimenté par une pile à combustible dont le revêtement gris a les dimensions d'un vélo de bord replié : L'unité, qui produit une puissance continue de sept kilowattheures, ne mesure que 75 x 42 x 30 centimètres et se range dans l'armoire à huile du croiseur Spitzgatt, juste à côté de la descente.

La cellule fonctionne presque silencieusement, ne produit que de la vapeur d'eau en fonctionnement, aucune émission toxique ou nuisible au climat, et elle alimente directement le moteur électrique en électricité - sans passer par des batteries coûteuses et lourdes.

Elle est alimentée par une bouteille de gaz industriel de dix litres stockée dans le coffre arrière. Avec une pression de 300 bars, elle contient suffisamment d'énergie pour couvrir une distance de 10 à 30 miles nautiques, en fonction du vent et de l'état de la mer. Comme elle est conçue pour des pressions allant jusqu'à 700 bars, le rayon d'action pourrait facilement être doublé.

Comme réserve de secours, le "H2-Innovation" n'emporte que quatre batteries AGM de 240 ampères-heures chacune de Victron ; suffisamment pour accoster si la pile à combustible devait tomber en panne. Sinon, pour un bateau de ce type, il faudrait au moins cinq à dix kilowattheures en technique lithium coûteuse, voire plus, pour une autonomie d'à peine cinq à 20 miles nautiques.

Cela montre les avantages de la propulsion à l'hydrogène. Mais il y a encore un autre avantage de poids : le fait de renoncer à de grandes batteries de stockage allège aussi le bilan environnemental de manière décisive. En effet, les émissions de CO2 générées lors de la production sont considérablement réduites, ce qui est particulièrement important pour les bateaux qui ne sont utilisés qu'occasionnellement. De plus, le besoin en matières premières est considérablement réduit.

Inconvénients de l'hydrogène

Jusqu'à nouvel ordre, l'hydrogène ne présente que deux inconvénients, certes majeurs : Il n'existe pas de réseau de stations-service suffisamment étendu, même pour le transport routier. Les pompes à essence marines font presque totalement défaut dans toute l'Europe - faute de demande. Un problème classique de poule et d'œuf. De plus, l'électrolyse de l'hydrogène vert et écologique nécessite une quantité extrêmement importante d'énergie produite de manière renouvelable. Or, c'est ce qui manque partout, ce qui pèse effectivement sur le bilan global de toutes les propulsions alternatives de bateaux.

Les bons jours, lorsque le soleil brille et que le vent souffle sur les côtes et à l'intérieur des terres, l'Allemagne produit actuellement environ la moitié de ses besoins cumulés en électricité de manière neutre en termes de CO2, dans le meilleur des cas les deux tiers. Pour le reste, des centrales à charbon et à gaz sont alimentées. Au rythme actuel de développement, qui accuse un retard flagrant sur les objectifs, notamment en ce qui concerne l'énergie éolienne, il en sera encore ainsi pendant longtemps. Car en même temps, la demande en électricité augmente de manière significative grâce à l'électromobilité sur les routes, aux pompes à chaleur dans le secteur immobilier et aux transferts d'énergie de la part de l'industrie - par exemple du pétrole et du gaz vers l'hydrogène.

La vision comme réalité

Dieter Sichau, chef du centre d'innovation de Nordenham, a donc poursuivi la réflexion sur le projet LM 23 et l'a complété par des installations de production d'eau ultrapure et d'hydrogène vert. Il a fait installer derrière du plexiglas la technique de processus correspondante. L'électricité nécessaire à l'électrolyse est fournie par une installation solaire récemment installée sur le toit du hall situé au numéro 1 de la Werftstraße, juste à côté des hangars d'Airbus.

C'est plus qu'un essai pilote. Pour Sichau, cela permettrait d'organiser l'approvisionnement en hydrogène de manière décentralisée : Les marinas pourraient transformer leurs parkings en centrales électriques grâce à des toits solaires surélevés et utiliser le surplus d'électricité pour produire de l'hydrogène. Les appareils, qui se déplacent silencieusement dans l'INP, tiennent sans problème dans un conteneur de 20 pieds. Au lieu d'attendre des chargeurs rapides au bord du port, les propriétaires pourraient se procurer des bouteilles d'H2 dans le système de consigne.

Pour l'instant, c'est, il est vrai, plus une vision qu'une réalité. Mais la technique existe. "Il faut simplement penser et résoudre l'e-mobilité de manière globale. Alors cela fonctionnera", affirme Dieter Sichau, qui était auparavant le directeur allemand d'une entreprise leader dans le domaine de l'énergie éolienne. Il n'aime en tout cas pas se résigner au statu quo. Et l'intérêt suscité par le baptême de "H2-Innovation" lui donne raison. Le planeur à moteur rend en tout cas le thème de la propulsion à l'hydrogène déjà concrètement tangible aujourd'hui. Dès l'automne, lorsque les essais seront terminés, il sera également présenté sur des salons.

À quel point les moteurs électriques sont-ils durables ?

Alors que pour l'hydrogène, c'est surtout le vecteur énergétique lui-même qui pèse sur l'écobilan, pour les propulsions électriques à batterie et diesel-électriques, ce sont plusieurs facteurs. En premier lieu, il y a le "sac à dos CO2" déjà mentionné, c'est-à-dire l'énergie indispensable à la production de la batterie et à son transport.

Alors que le moteur électrique est plus léger et plus compact qu'un moteur à combustion, qu'il nécessite moins de travaux d'entretien et moins de pièces d'usure, la fabrication de la batterie pèse lourd dans la balance. Avec le mix électrique actuel, qui contient encore 30 à 50 % d'énergies fossiles, il faut compter cinq à huit ans avant qu'un moteur électrique ne commence à économiser du CO2, même dans une voiture.

Si l'on se base sur l'intensité d'utilisation typique des yachts de croisière appartenant à leur propriétaire, qui est d'à peine trois à six semaines par an, on peut se demander si l'investissement aura un jour un effet positif sur l'écosystème. En effet, la chimie des cellules des meilleures batteries disponibles aujourd'hui perd de sa capacité de stockage avec l'âge.

La densité énergétique et le nombre de cycles des batteries au lithium actuellement disponibles ne cessent d'augmenter. D'ici cinq à dix ans, les batteries à l'état solide permettront vraisemblablement un véritable bond en avant. Mais à l'heure actuelle, les batteries sont des pièces d'usure, chères de surcroît. Et tant qu'elles ne sont pas chargées uniquement par énergie solaire ou par récupération, c'est-à-dire lorsque l'hélice tourne en navigation, il leur faut beaucoup de temps, voire trop de temps, pour s'amortir écologiquement.

Ce qui reste, ce sont d'autres avantages : le fonctionnement silencieux de la motorisation électrique, l'absence d'émissions locales et l'absence de ces polluants qui, avec les moteurs à combustion, sont rejetés dans l'eau par les gaz d'échappement, ce qui devient de plus en plus important, en particulier sur les lacs intérieurs.

Les moteurs électriques favorisent la navigation

Et puis il y a autre chose, comme l'observe Christoph Becker de Winner Yachts, une sorte de facteur écologique doux : "L'autonomie limitée change l'utilisation", dit le chef du chantier naval. "Les bateaux à propulsion électrique apprennent à naviguer plus longtemps et plus intensément, au lieu de mettre le moteur en marche à chaque trou d'air". C'est pourquoi il conseille aussi aux propriétaires de ne pas surdimensionner le banc de batteries, ce qui permet d'économiser de l'argent et du poids.

Les avantages et les inconvénients s'appliquent en principe aussi aux propulsions hybrides, telles qu'elles sont courantes sur les grands bateaux de croisière et les catamarans. Un générateur diesel offre une autonomie supplémentaire et des distances qui se rapprochent de celles des moteurs diesel conventionnels. Le Viator Explorer 42 DS, par exemple, conçu pour les longs voyages, devrait pouvoir parcourir 1 000 miles nautiques avec un réservoir de carburant plein.

Si nécessaire, le générateur alimente directement les deux moteurs électriques en électricité. Sur les trajets plus courts ainsi que lors de l'accostage et de l'appareillage, le bateau se déplace en revanche sans émissions, uniquement grâce à l'énergie fournie par les batteries.

Pour Hendrik Heimer, qui a fondé la marque et participé au développement du concept, il s'agit du "meilleur mode de propulsion possible aujourd'hui", surtout s'il est pris en compte et optimisé dès la construction. En effet, de nombreux arguments parlent en faveur de l'hybride. Grâce à de grands bancs de batteries, il est par exemple possible de faire fonctionner un climatiseur ou un chauffe-eau sans l'aide d'un générateur.

Ce "mode silencieux" est un véritable gain de confort et s'adresse non seulement aux propriétaires, mais aussi aux plaisanciers, comme le confirme Romain Motteau, directeur de Fountaine-Pajot (s. Interview). Mais l'hybride diesel n'a pas seulement un prix extrêmement élevé : il faut compter entre 70.000 et 120.000 euros pour un yacht de croisière de 45 pieds. Son bilan CO2 est en outre moins bon que celui de la propulsion électrique à batterie.

HVO100-Diesel : l'alternative aux moteurs électriques

D'une part, l'hybride a besoin de gros packs de batteries : entre 30 et 45 kilowattheures, pour reprendre l'exemple cité. Leur fabrication doit d'abord être compensée. D'autre part, il est également moins efficace qu'un moteur diesel lorsque le générateur tourne, car une étape de conversion supplémentaire est nécessaire pour fournir l'énergie d'entraînement, raison pour laquelle une partie du besoin en électricité doit être couverte par les batteries à pleine charge.

Ce sont ces raisons qui empêchent Magnus Rassy, jusqu'à nouvel ordre, de proposer des propulsions alternatives pour ses yachts. D'autant plus qu'il existe une solution simple pour réduire l'impact CO2 à un niveau proche de zéro, même avec des moteurs diesel traditionnels : en les alimentant en HVO100. Ce carburant, obtenu à partir de résidus d'huiles et de graisses végétales, est approuvé par Volvo Penta et Yanmar. Il ne coûte que légèrement plus cher que le diesel fossile et peut également rendre les bateaux existants "verts" quasi immédiatement.

Comparaison des systèmes d'entraînement

Diesel

• Application typique : Universel
• Exemples : Tous les yachts de croisière habituels (photo Hanse 410)
• Composants du système : Moteur diesel, alternateur pour charger les batteries de démarrage et de service, réservoir, prise de courant de quai
• Pro :+ Technologie éprouvée ; + Réseau mondial de carburant et de service ; + Grande autonomie ; + Bon rapport poids/puissance ; + Réserves d'électricité et de vent contre ; + Bon bilan CO2 en mode HVO100 ; + Coûts comparativement faibles
• Contre : - Pression sonore relativement élevée, souvent associée à des vibrations ; - Entretien nécessaire ; - Installation complexe ; - Efficacité modérée (< 35 %)

Entraînement électrique avec batterie

• Application typique : Daysailer, petits yachts de croisière
• Exemples : Saffier Se 24 Lite, Tofinou 7.9, Winner 8 (photo)
• Composants du système : Moteur électrique, batterie, éventuellement batterie de service, prise de quai
• Pro :+ Extrêmement silencieux ; + Installation simple ; + Fonctionnement local sans émissions;+ Couple élevé ; + Rendement maximal (> 60 %) ; + Possibilité de naviguer silencieusement à moteur ; + Avec hélice fixe, possibilité de récupération sous voile
• Contre : - Faible autonomie ; - Possibilités de recharge limitées ; - Réseau de service limité ; - Bilan CO2 global médiocre ; - Coût des batteries encore relativement élevé

Propulsion hybride diesel-électrique

• Application typique : Yachts de croisière et multicoques haut de gamme
• Exemples : Elan E6 (photo), Fountaine Pajot Smart Electric, HH 44 Eco Drive, Viator Explorer 42 DS, X 4.0, 4.3, 4.9, Xc 47
• Composants du système : Moteur électrique, batterie, éventuellement batterie de service séparée, générateur comme prolongateur d'autonomie, réservoir de diesel, raccordement au courant de quai
• Pro : + Extrêmement silencieux en mode électrique, plus silencieux qu'avec un moteur diesel lorsque le générateur tourne ; + Fonctionnement local sans émissions ; + Couple élevé ; + Bon rendement en mode mixte (> 50 %) ; + Autonomie relativement importante grâce à la récupération et au prolongateur d'autonomie ; + Possibilité de naviguer en silence avec le moteur
• Contre : - Installation très complexe ; - Réseau de service limité pour les moteurs électriques ; - Poids élevé ; - Encombrement relativement important ; - Prix très élevé

Propulsion par pile à combustible

• Application typique : Prototypes
• Exemples : LM 23 "H2-Innovation", Fountaine Pajot Samana 59 RexH2, Imoca 60 "OceansLab" (photo)
• Composants du système : Moteur électrique, directement alimenté par une pile à combustible H2, petit pack de batteries, réservoir d'hydrogène, prise de quai
• Pro : + Extrêmement silencieux, la pile à combustible fonctionne presque sans bruit ; + En cas d'utilisation d'hydrogène vert, très bon bilan CO2 global ; + Très longue durée de vie, faibles coûts d'entretien ; + Seule une faible capacité de l'accu est nécessaire comme réserve de secours ; + Couple élevé ; + Possibilité de naviguer silencieusement à moteur
• Contre : - Absence de réseau de stations-service d'hydrogène ; - Autonomie faible à modérée ; - Efficacité très faible (< 30 %) ; - Aucun module standard disponible à ce jour ; - Manque de personnel qualifié ; - Espace nécessaire pour les réservoirs d'hydrogène sous pression ; - Prix très élevé du système

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