LE BILAN ÉNERGÉTIQUE - Energy Observer
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LE BILAN
ÉNERGÉTIQUE
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SOMMAIRE 5 — INTRODUCTION
6 — ENERGY OBSERVER, LE LABORATOIRE FLOTTANT DE LA TRANSITION
Bilan énergétique — 2018 ÉNERGÉTIQUE
6 — performance, légèreté et efficacité
7 — fiche technique d’energy observer
8 — chiffres clé 2018
10 — LE SOLAIRE, MEILLEUR ALLIÉ DE L’ÉQUIPAGE
10 — les panneaux photovolatïques conformables
11 — les panneaux photovolatïques bifaciaux
12 — L’ÉOLIEN, UN DÉFI POUR LE TRANSPORT MARITIME
12 — les éoliennes à axe vertical
12 — l’aile de traction
13 — L’HYDROLIEN, UN POTENTIEL QUI RESTE À DÉCOUVRIR
15 — LA CHAÎNE HYDROGÈNE, UN SYSTÈME FIABLE SUR TOUTE LA LIGNE
15 — le desalinisateur
16 — l’électrolyseur
16 — la compression
17 — le double stockage batteries et hydrogène
16 — le stockage batteries
17 —le stockage hydrogène
17 —le poids, un argument de taille
19— — la pile à combustible
20— — en 2019, une nouvelle brique : stockage thermique
20 — la propulsion
21 — L’EMS : ENERGY MANAGEMENT SYSTEM
P. 3
INTRODUCTION ENERGY OBSERVER,
LE LABORATOIRE FLOTTANT
DE LA TRANSITION ENERGETIQUE
Energy Observer, le premier navire électrique Grâce à une chaîne de production d’hydrogène
propulsé à l’hydrogène et aux énergies complète à partir des énergies renouvelables,
renouvelables, vient de clore le deuxième Energy Observer vise l’autonomie énergétique lors
chapitre de son Odyssée : la mer Méditerranée. d’un tour du monde zéro émission de gaz à effet
Parti de Saint-Malo en juin 2017, cet ancien de serre, zéro particules fines et zéro bruit. Un défi Face au changement climatique, il est urgent de réduire et 2 systèmes de stockage (batteries et hydrogène).
bateau de course recordman du Trophée Jules à la fois humain et technologique, pour prouver notre dépendance aux énergies fossiles, ressources L’hydrogène est produit in situ, au moyen d’une chaîne
Vernes a été intégralement reconditionné en que la transition écologique est en marche. épuisables et polluantes. En vue de la mise en œuvre complète de production par électrolyse de l’eau de mer,
laboratoire flottant pour les énergies du futur. des accords de Paris et afin de limiter le changement grâce aux énergies renouvelables.
Sa mission : naviguer dans toutes les mers et Après 10 326 milles nautiques et 16 mois de climatique à 2°C d’ici 2030, les énergies renouvelables
toutes les latitudes, pour tester en conditions navigation, c’est l’heure du premier bilan démontrent chaque jour leur potentiel. Mais elles Lors des périodes de forte production (ensoleillement
extrêmes des technologies de pointe grâce énergétique et technologique. Un bilan positif restent intermittentes et nécessitent de mettre en favorable) ou de faible consommation (escales), le surplus
à un tour du monde de 6 ans, 50 pays et 101 et surtout une expérience en mer inédite qui place des systèmes adaptés à chaque besoin et à énergétique est revalorisé en hydrogène, permettant
escales. va permettre d’optimiser et tester de nouvelles chaque territoire. d’augmenter les performances et l’autonomie du navire
solutions énergétiques propres et durables à lors d’une baisse de la production (nuit ou nébulosité
L’architecture énergétique du navire, développée bord de ce laboratoire flottant, en permanente Il existe deux manières de pallier l’intermittence des importante) ou lors des périodes de forte consommation
en collaboration avec les ingénieurs du CEA- évolution. énergies renouvelables : faire collaborer les différentes (navigation). C’est donc un véritable cercle vertueux de
Liten, présente un assemblage de technologies sources d’énergies entre elles, et optimiser les moyens l’énergie que nous testons aujourd’hui à bord d’un bateau,
unique au monde. Plus qu’un bateau, Energy de stockage. C’est pour cette raison qu’Energy Observer pour démontrer son universalité à grande échelle, en
Observer expérimente sur le terrain, un système fonctionne grâce à un mix énergétique alliant 3 sources mer comme sur terre.
préfigurant les réseaux énergétiques de demain : d’énergies renouvelables (solaire, éolien et hydrolien)
décentralisés, décarbonés et digitalisés.
PERFORMANCE, LÉGERETÉ
3 SOURCES D'ÉNERGIES
ET EFFICACITÉ
Solaire Éolien Hydrolien
RENOUVELABLES
Au total ce sont des dizaines de partenaires l’Europe du Nord. 4 mois de travaux seront nécessaires
1 CHAÎNE DE PRODUCTION technologiques et opérationnels, impliqués par une pour optimiser chaque brique technologique du navire
Désalinisation, électrolyse, compression, équipe de près de 30 ingénieurs, marins professionnels et installer un système de propulsion inédit et innovant,
D’HYDROGÈNE PAR stockage à 350 bars, pile à combustible et et techniciens qui ont permis la réalisation d’Energy encore jamais testé à si grande échelle sur un bateau,
contrôle-commande général Observer. Une coopération hors des sentiers battus, en partenariat avec le cabinet d’architecture navale
ÉLECTROLYSE DE L’EAU entre secteurs public et privé, scientifiques, coureurs VPLP design.
et marins au long cours dans un souci permanent de
performance, de légèreté et d’efficacité énergétique. Energy Oberver reprendra la mer au mois de Mars, afin de
poursuivre son expérimentation grandeur nature, continuer
DÉJÀ 10 326 MILLES
33 escales et 14 pays visités, C’est au prisme de ce triptyque que les marins et ingénieurs à inspirer et démontrer que la transition énergétique est
8 films documentaires réalisés et ont conçu le navire et dressent aujourd’hui son premier en marche.
bilan. Forts d’une expérience de 10 326 milles nautiques
NAUTIQUES PARCOURUS
60 épisodes de la websérie déjà tournés
et 16 mois en mer, ce point d’étape est indispensable
pour permettre à l’équipage de relever leur prochain défi :
LE BILAN ÉNERGÉTIQUE P. 4 P. 5
9
8
6
1
9
1
Longueur : 30,5 mètres
7 Largeur : 12,8 mètres
2
4 Déplacement : 30 tonnes
10
Vitesse cible : 8-10 noeuds
Équipage : 6-10 membres
5
3
4. ROUTAGE MARITIME 8. COMPRESSEURS
Logiciel de routage intégrant D’H2 À DEUX ÉTAGES
des paramètres de conditions Compression d’hydrogène
4.de
ROUTAGE MARITIME
navigation (pression 8. COMPRESSEURS
de 30 à 350 bars
Logiciel de routage intégrant
atmosphérique, vagues, D’H2 À DEUX ÉTAGES
dans les réservoirs
des paramètresdedeproduction
courants…), conditions Compression d’hydrogène de 30 à
de navigation (pression 350 bars dans les réservoirs
1 d’énergie à bord (ensoleillement, 9. RÉSERVOIRS À HYDROGÈNE
12 atmosphérique, vagues, vents,
nébulosité, vent) et d’exploitation Stockage d’énergie long terme
courants…), de production 9. RÉSERVOIRS À HYDROGÈNE
(stock d’énergie, distance composé de 2x4long
réservoirs
d’énergie à bord (ensoleillement, Stockage d’énergie terme de 322 L
11 restante…) soit 62dekg2x4
d’H
nébulosité, vent) et d’exploitation composé réservoirs
2 de 322L
(stock d’énergie, distance
5. MONITORING soit 62kg d’H2
restante...) 10. PILE À COMBUSTIBLE
Suivi en temps réel des
1. PANNEAUX Conversion
10. PILE de l’hydrogène en électricité
À COMBUSTIBLE
performances, gestion et
PHOTOVOLTAÏQUES 5. MONITORING prolongeant
Conversion l’autonomie du bateau et
de l’hydrogène
1. PANNEAUX
120m 2
de panneaux photovoltaïques Suivi en temps
à bord réel des
et à distance
valorisation
en électricité de la chaleur produite
prolongeant
PHOTOVOLTAÏQUES
déployant 3 technologies différentes : performances, gestion par la pile
l’autonomie dupour la vie
bateau et à bord
141 m2 de panneaux et6.
optimisation des flux
AILE DE TRACTION (climatisation,
valorisation eau sanitaire)
de la chaleur produite
conformable, bifaciale
photovoltaïques deployant
et avec revêtement antidérapant énergétiques,
INTELLIGENTE à bord et à distance par la pile pour la vie à bord
11. BATTERIES
213kWc
technologies différentes : Cerf-volant automatisé (climatisation, eau sanitaire)
conformable, bifaciale et avec 6.permettant
AILE DE TRACTION
: DE PUISSANCE
2.revêtement
ÉOLIENNES antidérapant INTELLIGENTE
- de réduire les dépenses 11. BATTERIES DE PUISSANCE
Stockage d’énergie court
À 21 kWc
AXE VERTICAL Cerf-volant
énergétiquesautomatisé
à bord Stockage
termed’énergie court des appels
pour la gestion
2 éoliennes à axe vertical permettant : les moteurs
- de convertir termede et gestion des
puissance, appels
la motorisation,
2. ÉOLIENNES
intégrant un système - de réduire les
électriques endépenses
hydrogénérateur de puissance, la motorisation,
l’électrolyse, la compression,
2 éoliennes à axe vertical
antivibratoire innovant énergétiques
- d’augmenterà bord
la vitesse du navire l’électrolyse, la compression,
l’alimentation 220 V et 24 V.
TÉLÉCHARGEZ L’APPLICATION intégrant
2x1 kW un système - de convertir l’alimentation
LI-ion 400 220
V 106 V kWh
et 24 V.
POUR DÉCOUVRIR antivibratoire innovant les moteurs électriques LI-ion 400 V 106 kWh
7. ÉLECTROLYSEUR
2x1 kW en hydrogénérateur 12. PROPULSION
ENERGY OBSERVER 3. DESSALINISATEUR Système permettant la
- d’augmenter la vitesse du navire 12. PROPULSION
Dispositif de désalinisation décomposition de la 2 moteurs électriques réversibles à
EN RÉALITÉ AUGMENTÉE 3.DÉSALINISATEUR 2 moteurs électriques
très haut rendement réversibles
(97%)
d’eau de mer par osmose molécule H2O en oxygène
Dispositif de désalinisateur d’eau 7. ÉLECTROLYSEUR à très haut rendement
Propulsion : 2x41 kW (97
à%3000 tr/min
inverse à deux étages (O 2) et en hydrogène (H2) .
de mer par osmose inverse Système permettant la Propulsion :
Hydrogénération : 2x2 kW
105 L/h 4 Nm3/h à 30 bars
à deux étages décomposition de la molécule 2x41 kW à 3000 tr/min
105L/h (H2O) en oxygène (O2) et en Hydrogénération :
dihydrogène (H2). 2x4 kW
4 Nm3/h à 30 bars
LE BILAN ÉNERGÉTIQUE P. 6 P. 7
LE BILAN ÉNERGÉTIQUE
D’ENERGY OBSERVER UNE TRAVERSÉE
ZÉRO ÉMISSION - ZÉRO PARTICULE FINE - ZÉRO BRUIT
10 326 MILLES NAUTIQUES ÎLE DU LEVANT, FRANCE PORT MAHON, MINORQUE
AUX ÉNERGIES RENOUVELABLES ET À L’HYDROGÈNE
6 DISTANCE
241,93
DURÉE
soit l’équivalent de MEMBRES
16
MOIS
14PAYS
33
ESCALES
D’ÉQUIPAGE
MILLES NAUTIQUES
NÉBULOSITÉ VITESSE
EN FR ANCE E T EN MÉDITERR ANÉE Moyenne 70% M OY E N N E MAXIMALE
5,12nds 9,2nds
MIN
VENT RÉEL
VITESSE 101 HEURES D’AUTONOMIE
5 ND ET 6 MEMBRES D’ÉQUIPAGE
Vitesse moyenne
Vitesse maxi
11,3nds
33,7nds CONSOMMATION
90H 11H
M OY E N N E MAXIMALE TOTAL 503,41 kWh
4,5 nds 12,7nd HYDROGÈNE BATTERIES VAGUES
12,7%
Hauteur moyenne 2,5m 63,65kWh
1KG =1H30
Angle moyen 135°
CONSOMMATIONS DE LA CHAÎNE
HYDROGÈNE tribord
4%
VIE À BORD
5%
d’hydrogène d’autonomie
87,3%
97,15kWh
AUXILIAIRES COMPRESSION PRODUCTION
6% 85%
TOTAL 452 kWh
VENTILATION, EMS
ET PRODUCTION
D’EAU
ÉLECTROLYSE
1/2
TONNE
d’hydrogène
produit en 2018 SOLAIRE 200,2kWh
PROPULSION & APPAREILS
DE NAVIGATION
ÉOLIEN 0kWh FEUILLE DE ROUTE ÉNERGÉTIQUE
100% D’HYDROGÈNE PRODUIT À BORD
TAUX DE CHARGE ENSOLEILLEMENT
BATTERIES 400 V
HYDROLIEN 0kWh 100
%
1000
W/M2
42%
90 08H06 04H53 900
Arrêt de la Arrêt de la
À POIDS ÉGAL, L’HYDROGÈNE CONTIENT
PRODUCTION 252kWh
APPORT
pile à combustible pile à combustible
7,35 X PLUS D’ÉNERGIE
80 800
HYDROGÈNE
D’HYDROGÈNE
70 700
COMPARÉ AUX BATTERIES
60 600
44%
RENDEMENT
50 500
SOLAIRE 40 400
56%
46%
30 300
CONVERSION APPORT 01H48 22H00
20 Démarrage de la Démarrage de la 200
HYDROGÈNE pile à combustible pile à combustible
ÉLECTRIQUE 10 100
0 0
13h00 DÉPART 21H15 06h45 21H02 06h47 12h50ARRIVÉE
ST-TROPEZ Coucher du soleil Lever du soleil Coucher du soleil Lever du soleil PORT MAHON
LE BILAN ÉNERGÉTIQUE P. 8 P. 9
LE SOLAIRE, MEILLEUR ALLIÉ
DE L’ÉQUIPAGE
L’énergie solaire et la première source de production Au total, ce sont 141m2 de cellules qui sont connectés
LES PANNEAUX PHOTOVOLTAÏQUES
énergétique à bord d’Energy Observer. Les navigations par près de 6,2 km de câbles Prysmian et raccordés
en mer Méditerrannée ont permis à l’équipage de par OCAM, deux spécialistes de l’aéronautique pour
BIFACIAUX
profiter d’un ensoleillement optimal et ainsi d’exploiter garantir une légereté maximale. Deux technologies
tout le potentiel des panneaux photovoltaïques différentes équipent le navire, afin d’optimier au
couvrant flotteurs, nacelle et ailes solaires du navire. maximum la surface : des panneaux conformables
et des panneaux bifaciaux.
LES PANNEAUX PHOTOVOLTAÏQUES
Ils sont installés sur les ailes latérales et arrière, ainsi que
sur la verrière de la nacelle centrale, pour permettre
CONFORMABLES
à l’équipage de profiter de la lumière du jour tout en
continuant à produire de l’énergie. Ces panneaux ont été
spécialement développés par l’Institut National de l’Energie
Leur souplesse permet d’épouser les formes courbes de la Solaire à Chambéry et comme leur nom l’indique, ils sont
nacelle centrale, là où des panneaux rigides traditionnels capables de récolter les rayons solaires par le dessus,
auraient couvert bien moins d’espace. Ces panneaux mais également le dessous grâce à la réverbération de la
sont composés de cellules Sunpower parmi les plus lumière sur les surfaces blanches du navire et de la mer.
performantes au monde, et d’un encapsulage Solbian, Autre avantage : les cellules encapsulées dans un
à la fois résistant et léger : alors qu’un panneau standard polycarbonate fin, souple et léger, bénéficient d’un
à terre pèse jusqu’à 20kg pour 300W, ceux qui équipent refroidissement naturel grâce à la circulation de l’air
Energy Observer pèsent 4kg pour 300W, soit un poids qui augmente le rendement des cellules… Avec à la clé
divisé par 5. une production d’énergie jusqu’à 30% supérieure à celle
d’un panneau « monoface » traditionnel.
Certains ont été équipés d’un revêtement anti-dérapant,
afin de permettre à l’équipage de marcher dessus en Alors qu’habituellement, les cellules des panneaux solaires
toute sécurité, notamment sur les flotteurs. Il apparaît classiques ne comportent qu’un seul type de silicium, les
que les panneaux équipés de ce revêtement ont montré cellules qui composent les panneaux bifaciaux d’Energy
un meilleur rendement que ceux qui ne l’étaient pas Observer contiennent 2 types de silicium différents,
lorsque le soleil était bas. grâce à l’« hétérojonction ». Cette configuration permet de
convertir plus efficacement l’énergie solaire en électricité,
offrant un rendement de 22%, alors que les panneaux sur ingénieurs estiment qu’en Europe du Nord, en raison d’un
le marché plafonnent pour la plupart à 19%. Enfin, toutes ensoleillement moins important et d’un soleil plus bas,
les cellules sont connectées de manière indépendantes la production ne dépassera pas les 60 à 70 kWh par jour
les unes des autres pour que le panneau continue de avec les équipements actuels.
fonctionner en cas de casse de l’une d’elles. D’ou une
très grande longueur de câbles, et donc une qualité C’est pourquoi, Energy Observer verra sa surface
aéronautique pour gagner du poids ! de panneaux photovoltaïques augmentée de
27m2 pour atteindre une surface totale de 168m2
Le bilan énergétique du solaire est très positif : pendant permettant une puissance maximum de 28,5 kWc.
les navigations, 40% de l’énergie fournie provenant des Si un moins bon ensoleillement est à prévoir, rien à
141m2 de panneaux photovoltaïque alimentant craindre du froid qui sera certainement un très bon
directement les batteries pendant le jour, le reste allié du rendement des panneaux.
provenant de l’hydrogène produit lors des escales. Le pic de
production fut atteint à une puissance maximale de
23,7 kWc. Alors qu’en Méditerrannée, la
production moyenne grâce au solaire oscillait
entre 100 et 120 kWh par jour, les marins et
LE BILAN ÉNERGÉTIQUE P. 10 P. 11
L’ÉOLIEN, UN DÉFI L’HYDROLIEN, UN POTENTIEL
POUR LE TRANSPORT MARITIME QUI RESTE À DÉCOUVRIR
Alors qu’il constitue une ressource inépuisable en et en Méditerrannée, Energy Observer a testé deux Les moteurs électriques d’Energy Observer sont pendant lesquels les ingénieurs et marins se sont
mer, le vent reste encore difficile à exploiter pour éoliennes à axe vertical pour la production d’énergie, réversibles : soit ils consomment de l’énergie pour principalement concentrés sur le mode « propulsion ».
le transport maritime à grande échelle. Lors de ses ainsi qu’un kite de traction pour la réduction des propulser le navire, soit ils en produisent grâce à la En 2019, les nouvelles technologies installées vont
deux premières campagnes de navigation en France dépenses d’énergie. force du courant ou de la propulsion du navire par le permettre de véritablement bénéficier de cet appoint
vent. En théorie, les deux moteurs peuvent apporter un d’énergie non négligeable, pendant les navigations,
complément de deux fois 4kW. Un potentiel qui reste mais également lors des escales en tirant partie des
LES ÉOLIENNES À AXE VERTICAL
peu exploité lors des 16 premiers mois de navigation, courants lorsque le navire est à quai.
Développées avec l’ICAM de Nantes, elles ont été choisies
pour l’absence de bruit, leur système antivibratoire et
surtout la capacité à capter le flux quelque soit sa direction.
L’objectif était de miser sur la mixité énergétique et de
bénéficier d’un appoint nocturne ou lorsque les conditions
se dégradent. Si cette solution reste intéressante en escale
ou pour le stationnaire, elle s’est révélée inefficace pendant
les navigations dès que le vent de face dépassait les 12
ou 13 nœuds : en raison d’un fardage trop important,
elles faisaient consommer au bateau plus qu’elles ne
produisaient. Dès que le vent apparent, composante
du vent vitesse et du vent réel, arrive de l’avant du
bateau, les éoliennes produisent plus mais leurs traînées
aérodynamiques freinent le navire. Inversement, lorsque
le vent apparent arrive de l’arrière, elles agissent comme
un gréement mais produisent peu d’électricité.
sera conservée à Saint-Malo pour d’autres projets d’Energy
Avec une puissance fournie théorique de 1,5 kWh par Observer. Sur un bâtiment urbain, dans des fluxs irréguliers
éolienne, et bien qu’elles soient efficaces en termes de en direction comme en force, respectueuses de leur
bruit et de vibrations, les éoliennes à axe vertical vont environnement comme des habitants, ces éoliennes
donc débarquer en 2019 : l’une va rejoindre un projet méritent sans doute de poursuivre leur développement.
stationnaire développé pour AccorInvest, et la seconde
L’AILE DE TRACTION
Cette technologie développée par Beyond the Sea, Pour continuer à exploiter l’énergie éolienne dans le
destinée à soulager les dépenses énergétiques du navire mix d’Energy Observer, les marins et ingénieurs ont
a été testée lors du tour de France d’Energy Observer. Les décidé de véritablement transformer le visage du
navigations essentiellement côtières du navire impliquant navire en installant un système de propulsion inédit
de nombreux changements de cap, mais également un et innovant, encore jamais testé à si grande échelle
bateau peu adapté pour manœuvrer cette technologie sur un bateau, et qui pourrait bien révolutionner le
représentaient trop de contraintes et de risques pour transport maritime de demain.
continuer à tester les différentes ailes. Avec un système de
lancement et de pilotage optimisé, l’équipage continue de
croire que cette technologie peut réduire significativement
les dépenses énergétiques du navire mais les contraintes
de poids et de navigations qui attendent l’équipage en
Europe du Nord ont nécessité de faire des choix.
LE BILAN ÉNERGÉTIQUE P. 12 P. 13
LA CHAÎNE HYDROGÈNE,
UN SYSTÈME FIABLE SUR TOUTE LA LIGNE
Production, compression, stockage et conversion :
les flotteurs d’Energy Observer sont équipés d’une
chaîne de production d’hydrogène complète à bord.
L’hydrogène agit comme prolongateur d’autonomie
du navire, en complément des batteries.
En 2018, Energy Observer a produit au total 488
kg d’hydrogène, soit près d’une demi-tonne, qui
ont contribué à environ 60% de l’énergie nécessaire
aux navigations. Après 16 mois en mer, l’équipage
peut profiter d’un bateau devenu presque 100%
automatisé, et s’est fixé pour objectif 2019 de ne
plus avoir besoin d’ingénieurs embarqués !
LA CHAÎNE
DE PRODUCTION
D’HYDROGÈNE
LE DESALINISATEUR
Energy Observer est équipé de plusieurs étages de Il faut noter qu’une bonne optimisation des fluides permet
desalinisateurs par osmose inverse. Lorsque l’on met de récupérer la vapeur d’eau, très pure, issue de la pile pour
deux volumes d’eau en présence, l’un salé et l’autre non la réinjecter dans l’électrolyseur. Ainsi, la consommation
il se crée un mouvement naturel : l’eau douce est attirée réelle d’eau pure reste de l’appoint…
vers l’eau salée. Comme son nom l’indique, l’osmose
inverse consiste à faire le contraire : passer de l’eau
salée à l’eau douce. Pour y parvenir, on comprime l’eau
de mer pour la forcer à passer à travers une membrane
filtrante qui la débarrasse de son sel. Le procédé requiert
néanmoins un fort apport énergétique pour maintenir
la pression de l’eau. Le premier étage de désalinisation
alimente l’eau douce du bord, et les autres les systèmes
hydrogène embarqués.
À bord d’Energy Observer, le procédé consomme 250W
en instantané pour produire 90 litres d’eau potable, dont
30 sont ensuite de nouveau traités pour être utilisées par
l’électrolyseur. 1L d’eau douce permet de produire 100g
d’H2, qui redeviendront de l’eau lors de la conversion en
électricité par la pile à combustible.
LE BILAN ÉNERGÉTIQUE P. 14 P. 15
L’ÉLECTROLYSEUR LE DOUBLE STOCKAGE BATTERIES
ET HYDROGÈNE
À l’heure actuelle, 95% de l’hydrogène produit dans le
monde est d’origine fossile, obtenu à partir du procédé
de reformage du méthane, le composant principal du Energy Observer a fait le choix de la complémentarité
gaz naturel. Pour permettre le déploiement à grande des moyens de stockage, avec un stockage court
échelle d’un « hydrogène vert », l’electrolyse à partir terme grâce à un parc de batteries Li-Ion et
d’une source d’énergie renouvelable fait partie des voies un stockage long terme grâce aux 8 réservoirs
d’avenir de la filière. d’hydrogène.
L’électrolyse permet de décomposer à l’aide d’un courant
électrique des molécules d’eau (H2O) en hydrogène (H2) et LE STOCKAGE BATTERIES
oxygène (O2) gazeux. Plus précisément, l’eau est injectée
au niveau de l’électrode positive (anode) où elle est d’abord
décomposée en oxygène, en ions H+ et en électrons. Les Le parc de batteries principal alimente les moteurs
ions H+ migrent ensuite vers l’électrode négative (cathode) électriques via le réseau 400 volts. Sa capacité de
où ils se recombinent avec des électrons pour former 112 kWh est optimisée : c’est seulement 2,5 fois plus que
de l’hydrogène. La membrane sert à laisser migrer les les batteries d’une voiture électrique type Renault Zoé !
protons tout en bloquant les électrons pour faire circuler Au total sur l’année 2018, l’électrolyseur aura Un autre parc de batteries de 18 kWh alimente lui le
ces derniers jusqu’à l’anode. fonctionné 1469 heures pour produire un total de réseau basse tension de 24 volts, dessert les équipements
488 kg d’hydrogène, avec un rendement de 42%. de vie à bord : électronique de navigation, automates de
Les électrolyseurs étant généralement des dispositifs Les ingénieurs n’ont constaté aucune dégradation liée contrôle-commande, éclairage, confort, sécurité, etc…
volumineux, les ingénieurs du CEA-Liten ont dû compacter au milieu marin ni de vieillissement prématuré. Une
celui d’Energy Observer grâce à un remontage spécifique petite perte de rendement a été constatée en raison de
d’un appareil standard de la société Proton Onsite et en l’usure normale des colonnes asséchantes (-3%) mais Un travail important a été mené pour garantir la non-
mutualisant des organes avec ceux de la pile à combustible. elles seront remplacées cet hiver ce qui va permettre de interférence entre ces deux réseaux. Les ingénieurs ont
L’appareil est capable de produire 4 Nm3/h d’hydrogène récupérer ces points de rendement pour l’an prochain. Ce notamment dû intégrer plusieurs convertisseurs de
pur, et consomme 3,66L d’eau déionisée par heure type d’électrolyseur PEM a une durée de vie de plusieurs puissance pour adapter les tensions arrivant aux batteries
pour produire cette quantité d’hydrogène. milliers d’heures, mais celui d’Energy Observer travaille depuis les différents systèmes (panneaux photovoltaïques,
dans un milieu hostile, humide et salin, et son cycle de éoliennes…). Tout le câblage a enfin été simplifié afin de
vie est observé avec attention. diminuer au maximum les pertes d’électricité en ligne, et
donc diminuer la taille finale des systèmes de stockage
LA COMPRESSION
et de production d’énergie.
L’hydrogène est un gaz énergétiquement très dense :
à masse égale, il contient jusqu’à 3 fois plus d’énergie
que le gazole et 2,5 fois plus que le gaz naturel. Mais
alors que le stockage du gaz naturel nous est familier à
travers les bonbonnes ou le réseau de gaz naturel, celui
de l’hydrogène s’avère plus problématique. L’hydrogène
est un gaz extrêmement léger qui occupe un volume
important à la pression atmosphérique. Il faut donc le
stocker à de hauts niveaux de pression. Les réservoirs
d’Energy Observer stockent l’hydrogène à 350 bars, ce
qui est le standard actuel pour les bus par exemple. Les
voitures à hydrogène, comme la Toyota Mirai, stockent
leur hydrogène à 700 bars.
Au total, le compresseur développé avec Novaswiss Ces pollutions n’ont pas forcémment de lien avec
pour Energy Observer comptabilise 1469 heures l’environnement marin et soulignent l’importance de la
d’utilisation pour le 1er étage à 180 bars et 1105 qualité et de la rigueur d’un montage. Des analyses et
heures pour le 2ème étage à 350 bars. Les étages de optimisations lors du chantier d’hiver devraient permettre
compression dans la chaîne de production H2 ont demandé de résoudre le problème, et l’équipe d’Energy Observer
beaucoup de travail à l’équipage tout au long des 16 va explorer une nouvelle génération d’électrolyseurs à
premiers mois en mer, avec 11 membranes détruites au haute pression afin de gagner du poids et de simplifier
total en raison de différents facteurs polluantle procédé. le système.
LE BILAN ÉNERGÉTIQUE P. 16 P. 17
LE STOCKAGE HYDROGÈNE LA PILE À COMBUSTIBLE
Huit réservoirs de 332L permettent de stocker un total De par sa petite taille, la molécule d’Hydrogène peut
de 62Kg d’hydrogène, soit l’équivalent en énergie de 230 s’infiltrer dans les imperfections des matériaux, causant La pile à combustible est la pièce maîtresse de la chaîne Dans une logique d’optimisation, un système de
litres d’essence. Ce volume représente une énergie globale des pertes énergétiques à long terme. Raison pour hydrogène. C’est elle qui le convertit en éléctricité, en recirculation passive (grâce à des éjecteurs) permet de
nette stockée de 1 MWh. Après avoir envisagé de loger ce laquelle les réservoirs d’hydrogène sont généralement reproduisant le procédé inverse de l’électrolyse. Celle récupérer l’hydrogène non consommé en sortie de la
volume conséquent dans les coques du catamaran, les constitués d’une coque réalisée en matériau composite embarquée à bord d’Energy Observer a été réalisée sur pile pour le réinjecter en entrée, sans ajout de pompe.
ingénieurs ont finalement réparti les bonbonnes dans des à base de fibres de carbone, réputé pour sa résistance mesure par les ingénieurs du CEA-Liten et délivre une Parmi les innovations d’Energy Observer, un système
coffres extérieurs sur chaque aile. Ce choix garantit leur mécanique et sa légèreté. À l’intérieur, une seconde puissance électrique nette de 20 kW. composé de filtres à charbon actifs protège l’entrée
étanchéité face aux embruns, limite le confinement et coque en polymère, appelée liner, garantit l’étanchéité. d’air de la pile du sel marin. L’expérience acquise sur
facilite la manutention en cas d’entretien. Il a nécessité La légereté de l’hydrogène a donc eu pour corollaire une Une pile à combustible associe de l’hydrogène (H2) ce système pourra ainsi bénéficier aux futurs navires
des calculs poussés de répartition des charges ainsi qu‘un résistance des matériaux à toute épreuve, ce qu’Energy et de l’oxygène (O2) pour former des molécules d’eau alimentés par hydrogène.
design spécifique de supports adaptés aux bouteilles. Observer entend prouver en démontrant la viabilité du (H2O), tout en dégageant de l’énergie électrique et
système dans un environnement marin hostile. thermique. Ce procédé n’émet ni gaz à effet de serre En 2018, la pile à combustible d’Energy Observer
Le stockage n’a en réalité représenté aucun défi particulier (CO2) ni particules fines, et ne rejette que de l’eau. a fonctionné pendant 371 heures. Pendant les
pour l’équipage, si ce n’est un défi pédagogique. En S’il existe plusieurs technologies de pile à combustible, navigations, son utilisation moyenne était de 6 à
effet, le stockage de l’hydrogène est la principale leaplus répandue dans les véhicules est celle appelée 7h par jour, avec un rendement électrique de 48%.
question posée par les visiteurs concernant la sécurité technologie PEM (Proton Exchange Membrane), grâce à
du navire. Historiquement, les risques liés au stockage sa maturité et à sa grande compacité. C’est également En 2019, l’un des objectifs sera d’optimiser le
très haute pression de l’hydrogène, gaz inflammable, ont celle utilisée sur Energy Observer. Elle a été conçue sur rendement de la pile à combustible jusqu’à 65%...
effectivement freiné le développement de la filière. Mais mesure, pour pouvoir être modifiée, poussée, optimisée en jouant entre autres, sur la récupération de la
les dispositifs sont aujourd’hui très bien maîtrisés, avec un en permanence mais aussi pour s’intégrer à l’espace chaleur qu’elle émet.
usage industriel mature de plusieurs dizaines d’années. étriqué du flotteur tribord.
En matière de mobilité, des voitures à hydrogène sont
commercialisées depuis longtemps avec des réservoirs
allant jusqu’à 700 bars.
LE POIDS, UN ARGUMENT DE TAILLE
Le double stockage batteries/hydrogène à bord d’Energy
Observer illustre la complémentarité des stockages ainsi
que la répartition des usages. Alors que les batteries
fournissent une énergie immédiate court-terme,
l’hydrogène agit en prolongateur d’autonomie sur le long
terme. Mais surtout, Energy Observer illustre grandeur
nature l’immense avantage massique de l’hydrogène en
comparaison des batteries.
Alors que le parc batteries pèse 1400kg pour 112 kWh, le
stockage hydrogène et la pile à combustible pèsent au
total 1700kg pour 1000 kWh.
Rapporté au kilogramme, 1kWh pèse donc 12,5kg
lorsqu’il est stocké dans des batteries, et seulement
1,7kg lorsqu’il est stocké sous forme d’hydrogène.
En d’autres termes, cela signifie qu’à poids égal,
le stockage hydrogène contient 7.35 fois plus d’énergie
que le stockage batterie, soit un atout considérable
pour la mobilité, qu’elle soit maritime, terrestre, ou même
aérienne.
LE BILAN ÉNERGÉTIQUE P. 18 P. 19EN 2019, UNE NOUVELLE BRIQUE : L’EMS : ENERGY MANAGEMENT SYSTEM
LE STOCKAGE THERMIQUE
C’est le cerveau énergétique du navire. Agréger de
Pour ne pas perdre la part d’énergie dissipée sous forme multiples sources d’énergies renouvelables intermittentes
de chaleur, les ingénieurs d’Energy Observer ont mis en et de stockage est une chose. Mais les utiliser à bon
place une récupération pour le chauffage et l’eau chaude escient pour assurer la propulsion d’un navire et le
sanitaire de la nacelle de vie. confort de l’équipage en est une autre. Ce défi nécessite
l’intervention d’un organe central indispensable : le système
Sur la première phase de l’expédition, l’équipage pouvait de management énergétique (SME ou EMS). Il s‘agit
récupérer 5kW en instantané grâce à un échangeur. d’un ensemble d’automates contrôlant et coordonnant
À partir de 2019, l’intermittence de 3 sources de les différents systèmes, accessible aux pilotes humains
chaleur sera revalorisée désormais en stockage (la via l’ordinateur de bord. Rockwell, le leader américain
pile à combustible, l’electrolyseur et le convertisseur) des automatismes industriels, est le partenaire d’Energy
pour atteindre 20 kWh. Un avantage non négligeable Observer dans ce domaine, apportant son expérience
pour l’équipage qui part affronter les eaux froides de et ses nombreuses solutions logicielles.
la Mer du Nord et de la Baltique dès le mois de mars.
Trois grands régimes de fonctionnement sont programmés
dans Energy Observer : Ces données, en plus d’assurer un confort de navigation à
1. En navigation normale, l’électricité solaire ou éolienne l’équipage constituent également une base inédite pour
alimente directement la propulsion. pouvoir développer un logiciel de routage intégrant les
LA PROPULSION
2. Les batteries lithium-ion prennent le relais en cas énergies renouvelables. Bien évidemment, ces données
de chute momentanée de la production, par exemple peuvent aussi être récupérées à distance pour organiser
par temps couvert. la maintenance prédictive de l’ensemble du système.
3. En cas d’interruption longue, la nuit par exemple,
la pile à combustible prend le relais et fait office de Si l’équipage comptera encore un ingénieur embarqué
La propulsion d’Energy Observer est assurée par 2 moteurs prolongateur d’autonomie en convertissant les réserves en 2019, l’un des objectifs à la fin de l’année sera de
électriques de 42 kW chacun, délivrant ensemble une d’hydrogène en électricité. s’affranchir de cette présence pour permettre à n’importe
puissance équivalente à 115 chevaux. Ces moteurs conçus quel marin professionnel de gérer et de manœuvrer le
par Phase Automation affichent un très haut rendement À l’inverse, des stratégies sont également programmées bateau de manière autonome. Avec les performances,
(97%), qui contribue à réduire les besoins en énergie du pour recharger batteries et stocks d’hydrogène aux la sécurité et la baisse des coûts, c’est une des conditions
navire, et in fine la taille des systèmes de stockage et de moments judicieux, avant que ces réserves ne s’épuisent. indispensables à l’adoption large de l’hydrogène dans le
production d’énergie à loger dans le bateau. Lorsque le niveau de charge de la batterie descend en monde maritime.
L’un des atouts des moteurs électriques d’Energy Observer dessous de 30%, la plus grande partie de la production
est qu’ils sont réversibles, c’est-à-dire que le moteur peut électrique est dédiée à leur recharge. Lorsque le niveau Les ingénieurs d’Energy Observer auront ainsi du
devenir générateur d’électricité, pour un complément de la batterie est supérieur à 90% ou que le bateau est à temps pour développer d’autres innovations, mais
énergétique de 2 fois 4 kW, qui sera enfin véritablement l’arrêt, l’énergie sert à produire de l’hydrogène. Les pilotes c’est là un tout nouveau chapitre de l’histoire
exploité à partir de 2019. peuvent également faire varier automatiquement le maritime qui s’ouvre...
régime des moteurs (et donc la vitesse du bateau) pour
L’étude de la courbe vitesse/puissance démontre que la garder le niveau de charge des batteries stable.
vitesse optimale d’Energy Observer est de 4,5 nœuds,
qui fut ainsi la vitesse moyenne des convoyages L’ensemble de ces décisions peut désormais être
réalisés en 2018. Au delà de cette vitesse, l’énergie géré en temps réel presque à 100% par le système,
dépensée au mille devient exponentielle. Quelques même si les marins peuvent reprendre manuellement
pointes de vitesse ont toutefois été enregistrées, la main sur les décisions à tout moment. Grâce
pour fuir du mauvais temps ou rattraper un retard, à la réalisation d’un software dédié composé de
jusqu’à 12,7 nœuds. Mais chaque carène a ses propres de l’association Archipelagos, qui ont scanné les fréquences 21 grafcets, connecté à 200 alarmes, 12 actionneurs
caractéristiques de vitesse nominale, et en fonction de du bruit sous-marin des moteurs du navire. analogques et 13 actionneurs numériques, ce sont
la météo, une allure optimale de rendement. Reste que 1050 données qui remontent par réseau numérique
l’équipe, dont beaucoup viennent de la compétition, a Bilan : inférieur à 1kHz soit bien moins que 4kHz, qui interne en temps réel.
bien l’intention d’améliorer les performances ! constitue le seuil au-delà duquel les scientifiques
observent une gêne nocive pour la vie aquatique,
Un autre avantage non négligeable des moteurs au contraire des milliers de moteurs thermiques qui
électriques : leur silence. Evident lorsqu’il s’agit de la qualité traversent la Mer Egée.
de vie des équipages en mer comme au mouillage, c’est
un facteur souvent négligé quant à ses conséquences
sur les écosystèmes sous-marins. En Grèce, l’équipage
d’Energy Observer a rencontré les ingénieurs acousticiens
LE BILAN ÉNERGÉTIQUE P. 20 P. 21CONTACT contact@energy-observer.org Rédaction Hugo Devedeux - Philippe Guégan Amadea Kostrzewa - Hugo Leroux Roland Reynaud - Louis-Noël Viviès Photos Jérémy Bidon - Amélie Conty Antoine Drancey Graphisme Matthieu Delahaye - Mathieu Selvatici Maxime Renaudier 3D Kadeg Boucher
2017-2022
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