LE BILANÉNERGÉTIQUE

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SOMMAIREBilan énergétique — 2018

5 — INTRODUCTION

6 — ENERGY OBSERVER, LE LABORATOIRE FLOTTANT DE LA TRANSITION ÉNERGÉTIQUE

6 — performance, légèreté et efficacité7 — fiche technique d’energy observer8 — chiffres clé 2018

10 — LE SOLAIRE, MEILLEUR ALLIÉ DE L’ÉQUIPAGE 10 — les panneaux photovolatïques conformables11 — les panneaux photovolatïques bifaciaux

12 — L’ÉOLIEN, UN DÉFI POUR LE TRANSPORT MARITIME12 — les éoliennes à axe vertical12 — l’aile de traction

13 — L’HYDROLIEN, UN POTENTIEL QUI RESTE À DÉCOUVRIR

15 — LA CHAÎNE HYDROGÈNE, UN SYSTÈME FIABLE SUR TOUTE LA LIGNE15 — le desalinisateur16 — l’électrolyseur16 — la compression17 — 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 combustible20 — en 2019, une nouvelle brique : stockage thermique20 — la propulsion

21 — L’EMS : ENERGY MANAGEMENT SYSTEM

LE BILAN ÉNERGÉTIQUE P. 4 P. 5

INTRODUCTION

Energy Observer, le premier navire électrique propulsé à l’hydrogène et aux énergies renouvelables, vient de clore le deuxième chapitre de son Odyssée : la mer Méditerranée. Parti de Saint-Malo en juin 2017, cet ancien bateau de course recordman du Trophée Jules Vernes a été intégralement reconditionné en laboratoire flottant pour les énergies du futur. Sa mission : naviguer dans toutes les mers et toutes les latitudes, pour tester en conditions extrêmes des technologies de pointe grâce à un tour du monde de 6 ans, 50 pays et 101 escales.

L’architecture énergétique du navire, développée en collaboration avec les ingénieurs du CEA-Liten, présente un assemblage de technologies unique au monde. Plus qu’un bateau, Energy Observer expérimente sur le terrain, un système préfigurant les réseaux énergétiques de demain : décentralisés, décarbonés et digitalisés.

Grâce à une chaîne de production d’hydrogène complète à partir des énergies renouvelables, Energy Observer vise l’autonomie énergétique lors d’un tour du monde zéro émission de gaz à effet de serre, zéro particules fines et zéro bruit. Un défi à la fois humain et technologique, pour prouver que la transition écologique est en marche.

Après 10 326 milles nautiques et 16 mois de navigation, c’est l’heure du premier bilan énergétique et technologique. Un bilan positif et surtout une expérience en mer inédite qui va permettre d’optimiser et tester de nouvelles solutions énergétiques propres et durables à bord de ce laboratoire flottant, en permanente évolution.

Face au changement climatique, il est urgent de réduire notre dépendance aux énergies fossiles, ressources épuisables et polluantes. En vue de la mise en œuvre des accords de Paris et afin de limiter le changement climatique à 2°C d’ici 2030, les énergies renouvelables démontrent chaque jour leur potentiel. Mais elles restent intermittentes et nécessitent de mettre en place des systèmes adaptés à chaque besoin et à chaque territoire.

Il existe deux manières de pallier l’intermittence des énergies renouvelables : faire collaborer les différentes sources d’énergies entre elles, et optimiser les moyens de stockage. C’est pour cette raison qu’Energy Observer fonctionne grâce à un mix énergétique alliant 3 sources d’énergies renouvelables (solaire, éolien et hydrolien)

et 2 systèmes de stockage (batteries et hydrogène). L’hydrogène est produit in situ, au moyen d’une chaîne complète de production par électrolyse de l’eau de mer, grâce aux énergies renouvelables.

Lors des périodes de forte production (ensoleillement favorable) ou de faible consommation (escales), le surplus énergétique est revalorisé en hydrogène, permettant d’augmenter les performances et l’autonomie du navire lors d’une baisse de la production (nuit ou nébulosité importante) ou lors des périodes de forte consommation (navigation). C’est donc un véritable cercle vertueux de l’énergie que nous testons aujourd’hui à bord d’un bateau, pour démontrer son universalité à grande échelle, en mer comme sur terre.

ENERGY OBSERVER, LE LABORATOIRE FLOTTANT DE LA TRANSITION ENERGETIQUE

DÉJÀ 10 326 MILLES NAUTIQUES PARCOURUS

3 SOURCES D'ÉNERGIES RENOUVELABLES

Solaire Éolien Hydrolien

1 CHAÎNE DE PRODUCTION D’HYDROGÈNE PAR ÉLECTROLYSE DE L’EAU

Désalinisation, électrolyse, compression, stockage à 350 bars, pile à combustible et contrôle-commande général

33 escales et 14 pays visités, 8 films documentaires réalisés et 60 épisodes de la websérie déjà tournés

Au total ce sont des dizaines de partenaires technologiques et opérationnels, impliqués par une équipe de près de 30 ingénieurs, marins professionnels et techniciens qui ont permis la réalisation d’Energy Observer. Une coopération hors des sentiers battus, entre secteurs public et privé, scientifiques, coureurs et marins au long cours dans un souci permanent de performance, de légèreté et d’efficacité énergétique.

C’est au prisme de ce triptyque que les marins et ingénieurs ont conçu le navire et dressent aujourd’hui son premier bilan. Forts d’une expérience de 10 326 milles nautiques et 16 mois en mer, ce point d’étape est indispensable pour permettre à l’équipage de relever leur prochain défi :

l’Europe du Nord. 4 mois de travaux seront nécessaires pour optimiser chaque brique technologique du navire et installer un système de propulsion inédit et innovant, encore jamais testé à si grande échelle sur un bateau, en partenariat avec le cabinet d’architecture navale VPLP design.

Energy Oberver reprendra la mer au mois de Mars, afin de poursuivre son expérimentation grandeur nature, continuer à inspirer et démontrer que la transition énergétique est en marche.

PERFORMANCE, LÉGERETÉET EFFICACITÉ

LE BILAN ÉNERGÉTIQUE P. 6 P. 7

TÉLÉCHARGEZ L’APPLICATIONPOUR DÉCOUVRIRENERGY OBSERVEREN RÉALITÉ AUGMENTÉE

1. PANNEAUX PHOTOVOLTAÏQUES 141 m2 de panneaux photovoltaïques deployant 3 technologies différentes : conformable, bifaciale et avec revêtement antidérapant21 kWc

2. ÉOLIENNES 2 éoliennes à axe vertical intégrant un système antivibratoire innovant2x1 kW

3.DÉSALINISATEURDispositif de désalinisateur d’eau de mer par osmose inverse à deux étages 105L/h

4. ROUTAGE MARITIMELogiciel de routage intégrant des paramètres de conditions de navigation (pression atmosphérique, vagues, vents, courants…), de production d’énergie à bord (ensoleillement, nébulosité, vent) et d’exploitation (stock d’énergie, distance restante...)

5. MONITORINGSuivi en temps réel des performances, gestion et optimisation des flux énergétiques, à bord et à distance

6. AILE DE TRACTION INTELLIGENTECerf-volant automatisé permettant : - de réduire les dépenses énergétiques à bord- de convertir les moteurs électriques en hydrogénérateur- d’augmenter la vitesse du navire

7. ÉLECTROLYSEURSystème permettant la décomposition de la molécule (H2O) en oxygène (O2) et en dihydrogène (H2). 4 Nm3/h à 30 bars

8. COMPRESSEURS D’H2 À DEUX ÉTAGESCompression d’hydrogène de 30 à 350 bars dans les réservoirs

9. RÉSERVOIRS À HYDROGÈNEStockage d’énergie long terme composé de 2x4 réservoirs de 322L soit 62kg d’H2

10. PILE À COMBUSTIBLEConversion de l’hydrogène en électricité prolongeant l’autonomie du bateau et valorisation de la chaleur produite par la pile pour la vie à bord (climatisation, eau sanitaire)

11. BATTERIES DE PUISSANCEStockage d’énergie courtterme et gestion des appelsde puissance, la motorisation, l’électrolyse, la compression, l’alimentation 220 V et 24 V.LI-ion 400 V 106 kWh

12. PROPULSION2 moteurs électriques réversibles à très haut rendement (97 %Propulsion : 2x41 kW à 3000 tr/min Hydrogénération : 2x4 kW

4. ROUTAGE MARITIMELogiciel de routage intégrant des paramètres de conditions de navigation (pression atmosphérique, vagues, courants…), de production d’énergie à bord (ensoleillement, nébulosité, vent) et d’exploitation (stock d’énergie, distance restante…)

5. MONITORINGSuivi en temps réel des performances, gestion et

à bord et à distance

6. AILE DE TRACTION INTELLIGENTECerf-volant automatisé permettant : - de réduire les dépenses énergétiques à bord- de convertir les moteurs électriques en hydrogénérateur- d’augmenter la vitesse du navire 7. ÉLECTROLYSEUR Système permettant la décomposition de la molécule H2O en oxygène (O2) et en hydrogène (H2) . 4 Nm3/h à 30 bars

8. COMPRESSEURS D’H2 À DEUX ÉTAGESCompression d’hydrogène de 30 à 350 bars dans les réservoirs

9. RÉSERVOIRS À HYDROGÈNEStockage d’énergie long termecomposé de 2x4 réservoirs de 322 L soit 62 kg d’H2

10. PILE À COMBUSTIBLEConversion de l’hydrogène en électricité prolongeant l’autonomie du bateau et valorisation de la chaleur produite par la pile pour la vie à bord (climatisation, eau sanitaire)

11. BATTERIES DE PUISSANCEStockage d’énergie court terme pour la gestion des appels de puissance, la motorisation, l’électrolyse, la compression, l’alimentation 220 V et 24 V.LI-ion 400 V 106 kWh

12. PROPULSION2 moteurs électriques réversibles à très haut rendement (97%) Propulsion : 2x41 kW à 3000 tr/min Hydrogénération : 2x2 kW

1. PANNEAUX PHOTOVOLTAÏQUES 120m2 de panneaux photovoltaïques déployant 3 technologies di�érentes :

conformable, bifaciale et avec revêtement antidérapant

21 kWc

2. ÉOLIENNES À AXE VERTICAL2 éoliennes à axe vertical intégrant un système antivibratoire innovant2x1 kW

3. DESSALINISATEURDispositif de désalinisation d’eau de mer par osmoseinverse à deux étages 105 L/h

11

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4

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9

9

1

Longueur : 30,5 mètresLargeur : 12,8 mètresDéplacement : 30 tonnesVitesse cible : 8-10 noeuds Équipage : 6-10 membres

soit l’équivalent de 14 PAYS

100% D’HYDROGÈNE PRODUIT À BORD

10 326 MILLES NAUTIQUES AUX ÉNERGIES RENOUVELABLES ET À L’HYDROGÈNE

LE BILAN ÉNERGÉTIQUED’ENERGY OBSERVER

33ESCALES

16MOIS

EN FRANCE ET EN MÉDITERRANÉE

4,5ndsMOYENNEV ITESSE

MAXIMALE

12,7nd

1KGd’hydrogène

1H30d’autonomie=

1/2TONNE

d’hydrogène produit en 2018

RENDEMENT42% PRODUCTION

D’HYDROGÈNE

46%CONVERSIONÉLECTRIQUE

85%ÉLECTROLYSE

4%COMPRESSION

5%AUXILIAIRES

6%VENTILATION, EMS

ET PRODUCTION D’EAU

CONSOMMATIONSDE LA CHAÎNE HYDROGÈNE

7,35 X PLUS D’ÉNERGIEÀ POIDS ÉGAL, L’HYDROGÈNE CONTIENT

COMPARÉ AUX BATTERIES

5 ND ET 6 MEMBRES D’ÉQUIPAGE

90HHYDROGÈNE

11HBATTERIES

101 HEURES D’AUTONOMIE

MILLES NAUTIQUES

DISTANCE

241,93

UNE TRAVERSÉEZÉRO ÉMISSION - ZÉRO PARTICULE FINE - ZÉRO BRUIT

PORT MAHON, MINORQUEÎLE DU LEVANT, FRANCE

6D’ÉQUIPAGEMEMBRES

DURÉE

MIN5,12ndsMOYENNEV ITESSE

MAXIMALE

9,2nds

SOLAIRE 200,2kWh

ÉOLIEN 0kWh

HYDROLIEN 0kWh

Vitesse moyenneVENT RÉEL

VAGUES

Vitesse maxi

Hauteur moyenneAngle moyen

11,3nds

135° tribord

2,5m

33,7nds

MoyenneNÉBULOSITÉ

70%

APPORT HYDROGÈNE 252kWh

PRODUCTION 452 kWhTOTAL

CONSOMMATION 503,41 kWhTOTAL

TAUX DE CHARGE BATTERIES 400 V

%

0

10

20

30

40

50

60

70

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90

100

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

ENSOLEILLEMENT

W/M2

01H48Démarrage de la pile à combustible

08H06Arrêt de la

pile à combustible

04H53Arrêt de la

pile à combustible

13h00 DÉPART ST-TROPEZ

21H15Coucher du soleil

22H00Démarrage de la pile à combustible

06h45Lever du soleil

21H02Coucher du soleil

06h47Lever du soleil

12h50ARRIVÉE PORT MAHON

FEUILLE DE ROUTE ÉNERGÉTIQUE

87,3%PROPULSION & APPAREILS

DE NAVIGATION

63,65kWh

97,15kWh

12,7%VIE À BORD

SOLAIRE44%

56%APPORT

HYDROGÈNE

LE BILAN ÉNERGÉTIQUE P. 8 P. 9

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L’énergie solaire et la première source de production énergétique à bord d’Energy Observer. Les navigations en mer Méditerrannée ont permis à l’équipage de profiter d’un ensoleillement optimal et ainsi d’exploiter tout le potentiel des panneaux photovoltaïques couvrant flotteurs, nacelle et ailes solaires du navire.

Au total, ce sont 141m2 de cellules qui sont connectés par près de 6,2 km de câbles Prysmian et raccordés par OCAM, deux spécialistes de l’aéronautique pour garantir une légereté maximale. Deux technologies différentes équipent le navire, afin d’optimier au maximum la surface : des panneaux conformables et des panneaux bifaciaux.

Leur souplesse permet d’épouser les formes courbes de la nacelle centrale, là où des panneaux rigides traditionnels auraient couvert bien moins d’espace. Ces panneaux sont composés de cellules Sunpower parmi les plus performantes au monde, et d’un encapsulage Solbian, à la fois résistant et léger : alors qu’un panneau standard à terre pèse jusqu’à 20kg pour 300W, ceux qui équipent Energy Observer pèsent 4kg pour 300W, soit un poids divisé par 5.

Certains ont été équipés d’un revêtement anti-dérapant, afin de permettre à l’équipage de marcher dessus en toute sécurité, notamment sur les flotteurs. Il apparaît que les panneaux équipés de ce revêtement ont montré un meilleur rendement que ceux qui ne l’étaient pas lorsque le soleil était bas.

LE SOLAIRE, MEILLEUR ALLIÉ DE L’ÉQUIPAGE

LES PANNEAUX PHOTOVOLTAÏQUES CONFORMABLES

Ils sont installés sur les ailes latérales et arrière, ainsi que sur la verrière de la nacelle centrale, pour permettre 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 Solaire à Chambéry et comme leur nom l’indique, ils sont capables de récolter les rayons solaires par le dessus, mais également le dessous grâce à la réverbération de la lumière sur les surfaces blanches du navire et de la mer. Autre avantage : les cellules encapsulées dans un polycarbonate fin, souple et léger, bénéficient d’un refroidissement naturel grâce à la circulation de l’air qui augmente le rendement des cellules… Avec à la clé une production d’énergie jusqu’à 30% supérieure à celle d’un panneau « monoface » traditionnel.

Alors qu’habituellement, les cellules des panneaux solaires classiques ne comportent qu’un seul type de silicium, les cellules qui composent les panneaux bifaciaux d’Energy Observer contiennent 2 types de silicium différents, 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 le marché plafonnent pour la plupart à 19%. Enfin, toutes les cellules sont connectées de manière indépendantes les unes des autres pour que le panneau continue de fonctionner en cas de casse de l’une d’elles. D’ou une très grande longueur de câbles, et donc une qualité aéronautique pour gagner du poids !

Le bilan énergétique du solaire est très positif : pendant les navigations, 40% de l’énergie fournie provenant des 141m2 de panneaux photovoltaïque alimentant directement les batteries pendant le jour, le reste 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

ingénieurs estiment qu’en Europe du Nord, en raison d’un ensoleillement moins important et d’un soleil plus bas, la production ne dépassera pas les 60 à 70 kWh par jour avec les équipements actuels.

C’est pourquoi, Energy Observer verra sa surface de panneaux photovoltaïques augmentée de 27m2 pour atteindre une surface totale de 168m2

permettant une puissance maximum de 28,5 kWc. Si un moins bon ensoleillement est à prévoir, rien à craindre du froid qui sera certainement un très bon allié du rendement des panneaux.

LES PANNEAUX PHOTOVOLTAÏQUES BIFACIAUX

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Alors qu’il constitue une ressource inépuisable en mer, le vent reste encore difficile à exploiter pour le transport maritime à grande échelle. Lors de ses deux premières campagnes de navigation en France

et en Méditerrannée, Energy Observer a testé deux éoliennes à axe vertical pour la production d’énergie, ainsi qu’un kite de traction pour la réduction des dépenses d’énergie.

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.

Avec une puissance fournie théorique de 1,5 kWh par éolienne, et bien qu’elles soient efficaces en termes de bruit et de vibrations, les éoliennes à axe vertical vont donc débarquer en 2019 : l’une va rejoindre un projet stationnaire développé pour AccorInvest, et la seconde

sera conservée à Saint-Malo pour d’autres projets d’Energy Observer. Sur un bâtiment urbain, dans des fluxs irréguliers en direction comme en force, respectueuses de leur environnement comme des habitants, ces éoliennes méritent sans doute de poursuivre leur développement.

Cette technologie développée par Beyond the Sea, destinée à soulager les dépenses énergétiques du navire a été testée lors du tour de France d’Energy Observer. Les navigations essentiellement côtières du navire impliquant de nombreux changements de cap, mais également un bateau peu adapté pour manœuvrer cette technologie représentaient trop de contraintes et de risques pour 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.

Pour continuer à exploiter l’énergie éolienne dans le mix d’Energy Observer, les marins et ingénieurs ont décidé de véritablement transformer le visage du navire en installant un système de propulsion inédit et innovant, encore jamais testé à si grande échelle sur un bateau, et qui pourrait bien révolutionner le transport maritime de demain.

L’ÉOLIEN, UN DÉFI POUR LE TRANSPORT MARITIME

LES ÉOLIENNES À AXE VERTICAL

L’AILE DE TRACTION

Les moteurs électriques d’Energy Observer sont réversibles : soit ils consomment de l’énergie pour propulser le navire, soit ils en produisent grâce à la force du courant ou de la propulsion du navire par le vent. En théorie, les deux moteurs peuvent apporter un complément de deux fois 4kW. Un potentiel qui reste peu exploité lors des 16 premiers mois de navigation,

pendant lesquels les ingénieurs et marins se sont principalement concentrés sur le mode « propulsion ». En 2019, les nouvelles technologies installées vont permettre de véritablement bénéficier de cet appoint d’énergie non négligeable, pendant les navigations, mais également lors des escales en tirant partie des courants lorsque le navire est à quai.

L’HYDROLIEN, UN POTENTIEL QUI RESTE À DÉCOUVRIR

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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 !

Energy Observer est équipé de plusieurs étages de desalinisateurs par osmose inverse. Lorsque l’on met deux volumes d’eau en présence, l’un salé et l’autre non il se crée un mouvement naturel : l’eau douce est attirée 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.

Il faut noter qu’une bonne optimisation des fluides permet de récupérer la vapeur d’eau, très pure, issue de la pile pour la réinjecter dans l’électrolyseur. Ainsi, la consommation réelle d’eau pure reste de l’appoint…

LA CHAÎNE HYDROGÈNE, UN SYSTÈME FIABLE SUR TOUTE LA LIGNE

LE DESALINISATEUR

LA CHAÎNEDE PRODUCTION

D’HYDROGÈNE

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Energy Observer a fait le choix de la complémentarité des moyens de stockage, avec un stockage court terme grâce à un parc de batteries Li-Ion et un stockage long terme grâce aux 8 réservoirs d’hydrogène.

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 pour Energy Observer comptabilise 1469 heures d’utilisation pour le 1er étage à 180 bars et 1105 heures pour le 2ème étage à 350 bars. Les étages de compression dans la chaîne de production H2 ont demandé beaucoup de travail à l’équipage tout au long des 16 premiers mois en mer, avec 11 membranes détruites au total en raison de différents facteurs polluantle procédé.

Ces pollutions n’ont pas forcémment de lien avec l’environnement marin et soulignent l’importance de la qualité et de la rigueur d’un montage. Des analyses et optimisations lors du chantier d’hiver devraient permettre de résoudre le problème, et l’équipe d’Energy Observer va explorer une nouvelle génération d’électrolyseurs à haute pression afin de gagner du poids et de simplifier le système.

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 gaz naturel. Pour permettre le déploiement à grande échelle d’un « hydrogène vert », l’electrolyse à partir d’une source d’énergie renouvelable fait partie des voies d’avenir de la filière.

L’électrolyse permet de décomposer à l’aide d’un courant électrique des molécules d’eau (H2O) en hydrogène (H2) et 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 ions H+ migrent ensuite vers l’électrode négative (cathode) où ils se recombinent avec des électrons pour former de l’hydrogène. La membrane sert à laisser migrer les protons tout en bloquant les électrons pour faire circuler ces derniers jusqu’à l’anode.

Les électrolyseurs étant généralement des dispositifs volumineux, les ingénieurs du CEA-Liten ont dû compacter celui d’Energy Observer grâce à un remontage spécifique d’un appareil standard de la société Proton Onsite et en mutualisant des organes avec ceux de la pile à combustible. L’appareil est capable de produire 4 Nm3/h d’hydrogène pur, et consomme 3,66L d’eau déionisée par heure pour produire cette quantité d’hydrogène.

Au total sur l’année 2018, l’électrolyseur aura fonctionné 1469 heures pour produire un total de 488 kg d’hydrogène, avec un rendement de 42%. Les ingénieurs n’ont constaté aucune dégradation liée au milieu marin ni de vieillissement prématuré. Une petite perte de rendement a été constatée en raison de l’usure normale des colonnes asséchantes (-3%) mais elles seront remplacées cet hiver ce qui va permettre de récupérer ces points de rendement pour l’an prochain. Ce type d’électrolyseur PEM a une durée de vie de plusieurs milliers d’heures, mais celui d’Energy Observer travaille dans un milieu hostile, humide et salin, et son cycle de vie est observé avec attention.

Le parc de batteries principal alimente les moteurs électriques via le réseau 400 volts. Sa capacité de 112 kWh est optimisée : c’est seulement 2,5 fois plus que les batteries d’une voiture électrique type Renault Zoé ! Un autre parc de batteries de 18 kWh alimente lui le réseau basse tension de 24 volts, dessert les équipements de vie à bord : électronique de navigation, automates de contrôle-commande, éclairage, confort, sécurité, etc…

Un travail important a été mené pour garantir la non-interférence entre ces deux réseaux. Les ingénieurs ont notamment dû intégrer plusieurs convertisseurs de puissance pour adapter les tensions arrivant aux batteries depuis les différents systèmes (panneaux photovoltaïques, éoliennes…). Tout le câblage a enfin été simplifié afin de diminuer au maximum les pertes d’électricité en ligne, et donc diminuer la taille finale des systèmes de stockage et de production d’énergie.

LE DOUBLE STOCKAGE BATTERIES ET HYDROGÈNE

LA COMPRESSION

L’ÉLECTROLYSEUR

LE STOCKAGE BATTERIES

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La pile à combustible est la pièce maîtresse de la chaîne hydrogène. C’est elle qui le convertit en éléctricité, en reproduisant le procédé inverse de l’électrolyse. Celle embarquée à bord d’Energy Observer a été réalisée sur mesure par les ingénieurs du CEA-Liten et délivre une puissance électrique nette de 20 kW.

Une pile à combustible associe de l’hydrogène (H2) et de l’oxygène (O2) pour former des molécules d’eau (H2O), tout en dégageant de l’énergie électrique et thermique. Ce procédé n’émet ni gaz à effet de serre (CO2) ni particules fines, et ne rejette que de l’eau. S’il existe plusieurs technologies de pile à combustible, leaplus répandue dans les véhicules est celle appelée technologie PEM (Proton Exchange Membrane), grâce à sa maturité et à sa grande compacité. C’est également celle utilisée sur Energy Observer. Elle a été conçue sur mesure, pour pouvoir être modifiée, poussée, optimisée en permanence mais aussi pour s’intégrer à l’espace étriqué du flotteur tribord.

Dans une logique d’optimisation, un système de recirculation passive (grâce à des éjecteurs) permet de récupérer l’hydrogène non consommé en sortie de la pile pour le réinjecter en entrée, sans ajout de pompe. Parmi les innovations d’Energy Observer, un système composé de filtres à charbon actifs protège l’entrée d’air de la pile du sel marin. L’expérience acquise sur ce système pourra ainsi bénéficier aux futurs navires alimentés par hydrogène.

En 2018, la pile à combustible d’Energy Observer a fonctionné pendant 371 heures. Pendant les navigations, son utilisation moyenne était de 6 à 7h par jour, avec un rendement électrique de 48%.

En 2019, l’un des objectifs sera d’optimiser le rendement de la pile à combustible jusqu’à 65%... en jouant entre autres, sur la récupération de la chaleur qu’elle émet.

LA PILE À COMBUSTIBLE

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.

Huit réservoirs de 332L permettent de stocker un total de 62Kg d’hydrogène, soit l’équivalent en énergie de 230 litres d’essence. Ce volume représente une énergie globale nette stockée de 1 MWh. Après avoir envisagé de loger ce volume conséquent dans les coques du catamaran, les ingénieurs ont finalement réparti les bonbonnes dans des coffres extérieurs sur chaque aile. Ce choix garantit leur étanchéité face aux embruns, limite le confinement et facilite la manutention en cas d’entretien. Il a nécessité des calculs poussés de répartition des charges ainsi qu‘un design spécifique de supports adaptés aux bouteilles.

Le stockage n’a en réalité représenté aucun défi particulier pour l’équipage, si ce n’est un défi pédagogique. En effet, le stockage de l’hydrogène est la principale question posée par les visiteurs concernant la sécurité du navire. Historiquement, les risques liés au stockage très haute pression de l’hydrogène, gaz inflammable, ont effectivement freiné le développement de la filière. Mais les dispositifs sont aujourd’hui très bien maîtrisés, avec un usage industriel mature de plusieurs dizaines d’années. En matière de mobilité, des voitures à hydrogène sont commercialisées depuis longtemps avec des réservoirs allant jusqu’à 700 bars.

De par sa petite taille, la molécule d’Hydrogène peut s’infiltrer dans les imperfections des matériaux, causant des pertes énergétiques à long terme. Raison pour laquelle les réservoirs d’hydrogène sont généralement constitués d’une coque réalisée en matériau composite à base de fibres de carbone, réputé pour sa résistance mécanique et sa légèreté. À l’intérieur, une seconde coque en polymère, appelée liner, garantit l’étanchéité. La légereté de l’hydrogène a donc eu pour corollaire une résistance des matériaux à toute épreuve, ce qu’Energy Observer entend prouver en démontrant la viabilité du système dans un environnement marin hostile.

LE POIDS, UN ARGUMENT DE TAILLE

LE STOCKAGE HYDROGÈNE

LE BILAN ÉNERGÉTIQUE P. 20 P. 21

C’est le cerveau énergétique du navire. Agréger de multiples sources d’énergies renouvelables intermittentes et de stockage est une chose. Mais les utiliser à bon escient pour assurer la propulsion d’un navire et le confort de l’équipage en est une autre. Ce défi nécessite l’intervention d’un organe central indispensable : le système de management énergétique (SME ou EMS). Il s‘agit d’un ensemble d’automates contrôlant et coordonnant les différents systèmes, accessible aux pilotes humains via l’ordinateur de bord. Rockwell, le leader américain des automatismes industriels, est le partenaire d’Energy Observer dans ce domaine, apportant son expérience et ses nombreuses solutions logicielles.

Trois grands régimes de fonctionnement sont programmés dans Energy Observer :

1. En navigation normale, l’électricité solaire ou éolienne alimente directement la propulsion. 2. Les batteries lithium-ion prennent le relais en cas de chute momentanée de la production, par exemple par temps couvert. 3. En cas d’interruption longue, la nuit par exemple, la pile à combustible prend le relais et fait office de prolongateur d’autonomie en convertissant les réserves d’hydrogène en électricité.

À l’inverse, des stratégies sont également programmées pour recharger batteries et stocks d’hydrogène aux moments judicieux, avant que ces réserves ne s’épuisent. Lorsque le niveau de charge de la batterie descend en dessous de 30%, la plus grande partie de la production électrique est dédiée à leur recharge. Lorsque le niveau de la batterie est supérieur à 90% ou que le bateau est à l’arrêt, l’énergie sert à produire de l’hydrogène. Les pilotes peuvent également faire varier automatiquement le régime des moteurs (et donc la vitesse du bateau) pour garder le niveau de charge des batteries stable.

L’ensemble de ces décisions peut désormais être géré en temps réel presque à 100% par le système, même si les marins peuvent reprendre manuellement la main sur les décisions à tout moment. Grâce à la réalisation d’un software dédié composé de 21 grafcets, connecté à 200 alarmes, 12 actionneurs analogques et 13 actionneurs numériques, ce sont 1050 données qui remontent par réseau numérique interne en temps réel.

Ces données, en plus d’assurer un confort de navigation à l’équipage constituent également une base inédite pour pouvoir développer un logiciel de routage intégrant les énergies renouvelables. Bien évidemment, ces données peuvent aussi être récupérées à distance pour organiser la maintenance prédictive de l’ensemble du système.

Si l’équipage comptera encore un ingénieur embarqué en 2019, l’un des objectifs à la fin de l’année sera de s’affranchir de cette présence pour permettre à n’importe quel marin professionnel de gérer et de manœuvrer le bateau de manière autonome. Avec les performances, la sécurité et la baisse des coûts, c’est une des conditions indispensables à l’adoption large de l’hydrogène dans le monde maritime.

Les ingénieurs d’Energy Observer auront ainsi du temps pour développer d’autres innovations, mais c’est là un tout nouveau chapitre de l’histoire maritime qui s’ouvre...

Pour ne pas perdre la part d’énergie dissipée sous forme de chaleur, les ingénieurs d’Energy Observer ont mis en place une récupération pour le chauffage et l’eau chaude sanitaire de la nacelle de vie.

Sur la première phase de l’expédition, l’équipage pouvait récupérer 5kW en instantané grâce à un échangeur. À partir de 2019, l’intermittence de 3 sources de chaleur sera revalorisée désormais en stockage (la pile à combustible, l’electrolyseur et le convertisseur) pour atteindre 20 kWh. Un avantage non négligeable pour l’équipage qui part affronter les eaux froides de la Mer du Nord et de la Baltique dès le mois de mars.

La propulsion d’Energy Observer est assurée par 2 moteurs électriques de 42 kW chacun, délivrant ensemble une puissance équivalente à 115 chevaux. Ces moteurs conçus par Phase Automation affichent un très haut rendement (97%), qui contribue à réduire les besoins en énergie du navire, et in fine la taille des systèmes de stockage et de production d’énergie à loger dans le bateau. L’un des atouts des moteurs électriques d’Energy Observer est qu’ils sont réversibles, c’est-à-dire que le moteur peut devenir générateur d’électricité, pour un complément énergétique de 2 fois 4 kW, qui sera enfin véritablement exploité à partir de 2019.

L’étude de la courbe vitesse/puissance démontre que la vitesse optimale d’Energy Observer est de 4,5 nœuds, qui fut ainsi la vitesse moyenne des convoyages réalisés en 2018. Au delà de cette vitesse, l’énergie dépensée au mille devient exponentielle. Quelques pointes de vitesse ont toutefois été enregistrées, pour fuir du mauvais temps ou rattraper un retard, jusqu’à 12,7 nœuds. Mais chaque carène a ses propres caractéristiques de vitesse nominale, et en fonction de la météo, une allure optimale de rendement. Reste que l’équipe, dont beaucoup viennent de la compétition, a bien l’intention d’améliorer les performances !

Un autre avantage non négligeable des moteurs électriques : leur silence. Evident lorsqu’il s’agit de la qualité 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

de l’association Archipelagos, qui ont scanné les fréquences du bruit sous-marin des moteurs du navire.

Bilan : inférieur à 1kHz soit bien moins que 4kHz, qui constitue le seuil au-delà duquel les scientifiques observent une gêne nocive pour la vie aquatique, au contraire des milliers de moteurs thermiques qui traversent la Mer Egée.

L’EMS : ENERGY MANAGEMENT SYSTEMEN 2019, UNE NOUVELLE BRIQUE : LE STOCKAGE THERMIQUE

LA PROPULSION

Rédaction Hugo Devedeux - Philippe Guégan Amadea Kostrzewa - Hugo LerouxRoland Reynaud - Louis-Noël Viviès

PhotosJérémy Bidon - Amélie ContyAntoine Drancey

GraphismeMatthieu Delahaye - Mathieu SelvaticiMaxime Renaudier

3DKadeg Boucher

CONTACT contact@energy-observer.org

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