Électricité à bord d’un voilier : Les clés pour une gestion énergétique optimale

L’électricité à bord d’un voilier est un enjeu crucial, surtout pour les longues navigations où l’accès aux ressources terrestres est limité. Cet article vous propose un tour d’horizon des différentes sources d’énergie disponibles, des systèmes de gestion électrique à bord, ainsi que des choix de batteries et d’outils pour assurer une autonomie maximale.

1. Les Sources d’Énergie à Bord d’un Voilier

Pour assurer une autonomie énergétique sur un voilier, plusieurs sources d’énergie peuvent être combinées pour répondre aux besoins variés du bord.

• Le quai (ou le port) : Lorsqu’un voilier est amarré à quai, il peut se brancher sur le réseau électrique à travers une prise spécifique. Ce raccordement, souvent en 230V, permet de recharger les batteries et de faire fonctionner les équipements à bord sans puiser dans l’énergie stockée.
• Le solaire : Les panneaux solaires sont une solution populaire et efficace pour générer une source continue d’électricité renouvelable. Ils captent l’énergie solaire pour recharger les batteries, alimenter des systèmes de bord ou des appareils, surtout lors des journées ensoleillées. La performance des panneaux dépend de leur surface, du type de régulateur de charge utilisé et de l’exposition au soleil.
• Le vent : L’éolienne de voilier est une alternative intéressante pour générer de l’électricité, surtout en mer, lors de navigations prolongées. Elle capte l’énergie du vent pour alimenter les batteries et les appareils électriques. Un avantage majeur est qu’elle fonctionne même la nuit, tant que le vent souffle suffisamment. Cependant, elle est plus efficace lorsqu’il y a un vent constant et soutenu.
• L’hydrogénérateur : Fixé généralement à l’arrière du bateau, cet appareil utilise l’énergie cinétique de l’eau lorsque le voilier est en mouvement pour produire de l’électricité. Cela en fait une solution idéale pour les voiliers en navigation, surtout lorsqu’il y a peu ou pas de soleil et de vent. L’hydrogénérateur peut devenir une source d’électricité primaire en haute mer.
• La génératrice (groupe électrogène) : Les génératrices à bord sont souvent utilisées comme solution de secours ou lorsque la demande en énergie excède ce que peuvent fournir les autres sources (solaire, éolienne, ou hydrogénérateur). Elles fonctionnent à l’essence, au diesel ou propane et peuvent fournir une puissance plus stable et prévisible. Cependant, elles présentent l’inconvénient de consommer des combustibles fossiles et d’émettre du CO₂.
• L’alternateur moteur : L’alternateur du moteur du voilier est une source essentielle d’énergie en navigation. Il charge les batteries lorsque le moteur est en marche, permettant de générer de l’électricité, en particulier pour les longs trajets. Cette méthode est utile mais est généralement utilisée de manière complémentaire, car elle peut être bruyante et consommer du carburant. En revanche, elle est fiable et continue tant que le moteur fonctionne.

Chacune de ces sources d’énergie présente des avantages et des inconvénients qui dépendent de la situation et de l’utilisation du voilier (mouillage, navigation, à quai). Il est crucial d’optimiser leur combinaison pour garantir une autonomie énergétique maximale et minimiser les besoins en carburant ou en ressources non renouvelables.

2. Les Circuits Électriques

A. Le Régulateur de Charge MPPT (Maximum Power Point Tracking)

Le régulateur de charge MPPT est un composant essentiel dans la gestion de l’énergie produite à bord d’un voilier par des panneaux solaires, une éolienne ou une hydrogénératrice. Il optimise l’efficacité des panneaux solaires en particulier, en ajustant constamment la tension de sortie pour qu’elle corresponde à la puissance maximale que peuvent fournir les panneaux, en fonction de l’ensoleillement et de la température. Contrairement aux régulateurs PWM (Pulse Width Modulation), qui bloquent une partie de l’énergie, un MPPT peut récupérer jusqu’à 30% d’énergie supplémentaire, rendant le système plus performant.

Fonctionnement et Avantages du MPPT :

• • • Optimisation de la charge : Le régulateur MPPT surveille en permanence la puissance maximale (le fameux « point de puissance maximale ») que peuvent produire les panneaux solaires et ajuste les paramètres de charge pour maximiser l’énergie injectée dans les batteries.
    • Efficacité énergétique : Grâce à sa capacité d’adaptation, il peut convertir des tensions solaires plus élevées (qui sont fréquentes en conditions d’ensoleillement optimal) en courant plus faible mais plus efficace pour charger les batteries, en réduisant les pertes énergétiques.
    • Compatibilité : Il permet d’utiliser des panneaux solaires de tension plus élevée (par exemple, des panneaux 24V pour des systèmes 12V), ce qui peut être pratique pour de plus grandes installations.

Le choix d’un bon régulateur MPPT est crucial pour les voiliers qui dépendent de sources d’énergie renouvelables, car cela permet de maximiser la production d’électricité et d’assurer une recharge efficace des batteries, même en conditions d’ensoleillement suboptimal.

B. Electrification à Bord

Un système électrique de voilier est généralement divisé en deux sous-systèmes : le circuit 12V et le circuit 230V. Ces deux circuits remplissent des fonctions différentes et sont indispensables pour la gestion de l’énergie à bord, en assurant l’alimentation des appareils selon leurs besoins en courant.

1. Circuit 12V

Le système 12V est le circuit principal utilisé sur la majorité des voiliers pour la plupart des appareils de bord. Il alimente les équipements à faible consommation d’énergie, souvent critiques pour la navigation et la vie quotidienne.

Appareils alimentés :

• • • • • Éclairage LED : faible consommation, environ 1 à 3 Ah.
        • Pompes de cale : utilisées pour évacuer l’eau du voilier, leur consommation varie entre 5 à 10 Ah.
        • Réfrigérateur : un équipement souvent en marche, consommant entre 30 à 60 Ah par jour.
        • Instruments de navigation (GPS, sondeur, anémomètre, VHF) : consommation modérée, environ 5 à 10 Ah chacun.

Ces systèmes sont bien adaptés aux énergies produites par des panneaux solaires, des éoliennes ou des hydrogénératrices, et sont directement alimentés par les batteries via des régulateurs de charge.

2. Circuit 230V

Le circuit 230V est utilisé pour des équipements à plus forte consommation, semblable à ce que l’on trouve dans les maisons. Ce système permet de faire fonctionner des appareils qui nécessitent une alimentation en courant alternatif (AC), que l’on ne peut pas directement obtenir d’un système 12V DC sans convertisseur.

Appareils alimentés :

• • • • • Chargeurs d’appareils électroniques (ordinateurs, smartphones, tablettes) : consommation variable, en fonction des appareils branchés.
        • Electroménager de petite taille (cafetière, mixeur, four micro-ondes) : demande une grande puissance, généralement entre 500 à 1500 W selon l’appareil.
        • Chargeurs de batteries d’outillage : utilisés pour recharger les outils électriques comme les perceuses, qui peuvent demander jusqu’à 500 W.

3. Conversion entre 12V et 230V

Le système 230V peut être alimenté soit via un convertisseur (ou inverter) qui transforme le courant continu 12V produit par les batteries en courant alternatif 230V, soit directement par une connexion au quai lorsque le bateau est à la marina. Un bon convertisseur est indispensable pour éviter les pertes d’énergie lors de la conversion.

• • • • Avantages du convertisseur :
        • Permet d’utiliser des appareils domestiques à bord sans dépendre uniquement des installations portuaires.
      • Inconvénients :
        • Les convertisseurs peuvent consommer eux-mêmes de l’énergie, réduisant ainsi l’efficacité globale.
        • Des pertes énergétiques lors de la conversion de DC à AC peuvent atteindre 10 à 15%, ce qui peut poser problème sur un voilier avec une capacité de production énergétique limitée.

4. Les Outils de Gestion et le Tableau Électrique

Un voilier moderne est équipé d’un tableau électrique pour contrôler et distribuer l’électricité entre les différentes parties du bateau. Ce tableau regroupe souvent des dispositifs de coupure, des protections contre les surcharges et des indicateurs de niveau de batterie.

Il est également fréquent de trouver des sorties USB pour recharger les appareils mobiles. Les normes modernes incluent :

• • • • USB-C Power Delivery : permet de délivrer jusqu’à 45W, suffisamment pour charger des ordinateurs portables ou des tablettes.
      • Quick Charge (QC) et SCP/FCP pour les téléphones et autres petits appareils.

5. La Tropicalisation des Équipements

Les voiliers qui naviguent dans des zones tropicales doivent être équipés de systèmes électriques tropicalisés. Cela signifie que les équipements doivent résister à des niveaux d’humidité et de chaleur élevés sans surchauffe ni corrosion. Le choix des composants (connecteurs, câblages, protections) est crucial pour garantir une bonne longévité dans ces conditions.

3. Les Batteries : Choix et Caractéristiques

Les batteries sont le cœur du système énergétique d’un voilier, jouant un rôle essentiel dans la gestion de l’énergie produite par des sources comme les panneaux solaires, les éoliennes, et les moteurs. Le choix de la batterie affecte directement la performance globale du système, la longévité et la capacité à répondre aux besoins énergétiques du bateau. Examinons en détail les différents types de batteries couramment utilisées sur les voiliers :

A. Batteries Plomb-Acide (Flooded Lead-Acid)

Ces batteries sont les plus économiques et les plus répandues pour les systèmes électriques marins. Elles sont fiables mais ont certaines limitations.

• • • Avantages :
      • Prix abordable.
      • Facilité de maintenance pour les modèles à bouchons amovibles (permettant de vérifier et ajuster le niveau d’électrolyte).
    • Inconvénients :
      • Durée de vie limitée : entre 500 à 800 cycles de charge.
      • Décharges profondes déconseillées (ne pas dépasser 50% de décharge pour éviter de raccourcir la durée de vie).
      • Entretien régulier nécessaire (remplissage en eau distillée).
      • Sensibles aux vibrations et aux changements de température.

Ce type de batterie est souvent utilisé pour des applications moins exigeantes où le coût initial est un facteur déterminant.

B. Batteries AGM (Absorbent Glass Mat)

Les batteries AGM représentent une version améliorée des batteries plomb-acide avec des performances plus élevées et un entretien réduit.

• • • Avantages :
      • Résistent mieux aux cycles de charge/décharge (durée de vie accrue).
      • Entretien minimal : pas besoin de vérifier le niveau d’électrolyte.
      • Résistance aux vibrations et aux chocs.
      • Capacité à fonctionner à des températures extrêmes, ce qui les rend adaptées aux climats chauds ou froids.
      • Peuvent être déchargées jusqu’à 80% sans subir de dommages immédiats.
    • Inconvénients :
      • Coût supérieur à celui des batteries plomb-acide standard.
      • Poids plus élevé par rapport à des technologies plus avancées (comme le lithium).
      • Moins de cycles de vie que les batteries lithium (environ 1000 cycles).

Les AGM sont particulièrement adaptées aux voiliers nécessitant une fiabilité accrue sans l’entretien intensif des batteries plomb-acide inondées.

C. Batteries Gel

Similaires aux batteries AGM, les batteries gel possèdent des électrolytes en gel plutôt qu’en liquide, ce qui leur confère des caractéristiques uniques.

• • • Avantages :
      • Résistantes aux vibrations et aux chocs, particulièrement adaptées aux environnements marins.
      • Bonne performance dans des climats chauds grâce à une meilleure tolérance aux températures élevées.
      • Entièrement sans entretien.
      • Conviennent aux décharges profondes (jusqu’à 80%), ce qui prolonge leur durée de vie.
    • Inconvénients :
      • Coût plus élevé que les batteries AGM et plomb-acide.
      • Sensibles à la surcharge : nécessitent un régulateur de charge bien calibré.
      • Moins efficaces à des températures très basses.

Les batteries gel sont souvent utilisées pour des applications marines nécessitant une fiabilité élevée et une faible maintenance, en particulier dans des climats tropicaux ou lors de longs voyages.

D. Batteries Lithium/LiFePO4 (Lithium Fer Phosphate)

Ces batteries représentent la technologie la plus avancée pour les systèmes marins et sont de plus en plus populaires pour leur performance supérieure.

• • • Avantages :
      • Longue durée de vie : jusqu’à 5000 cycles de charge/décharge, bien plus que les batteries plomb-acide ou AGM.
      • Décharges profondes sans impact : peuvent être déchargées jusqu’à 90% de leur capacité sans dégradation significative.
      • Légèreté : en moyenne, elles sont 50 à 70% plus légères que les batteries au plomb pour la même capacité énergétique.
      • Charge rapide et efficacité élevée : elles peuvent être rechargées plus rapidement et supportent des courants de charge plus élevés.
      • Très faible taux d’auto-décharge : elles conservent leur charge plus longtemps lorsqu’elles ne sont pas utilisées.
      • Faible impact environnemental à long terme, car elles durent beaucoup plus longtemps et nécessitent moins de remplacement.
    • Inconvénients :
      • Coût initial élevé, environ 3 à 5 fois plus cher que les autres types de batteries.
      • Complexité d’installation : elles nécessitent souvent des systèmes de gestion de batterie (BMS) avancés pour garantir une utilisation optimale et sécurisée.
      • Sensibilité aux températures extrêmes : peuvent nécessiter un système de gestion thermique dans des environnements très froids.

Les batteries lithium sont idéales pour les voiliers de grande taille ou les voyageurs au long cours qui ont besoin d’une autonomie maximale, d’une recharge rapide, et d’une gestion efficace de l’énergie sur plusieurs jours.

4. Consommation des Équipements

Pour maintenir l’autonomie électrique à bord d’un voilier, il est crucial de réaliser un bilan énergétique détaillé. Ce calcul prend en compte la consommation de chaque appareil et la fréquence d’utilisation, afin d’évaluer les besoins journaliers en Wh (Watt-heures) et Ah (Ampères-heures). Voici un inventaire des principaux équipements d’un voilier et leurs consommations moyennes.

Inventaire des équipements et consommation moyenne

Consommation totale (navigation + tout le temps): 130-210 Ah/jour

Ce tableau vous donne un aperçu de la consommation énergétique en fonction des différents appareils utilisés à bord en navigation et en continu. Ces chiffres sont des estimations typiques, mais ils peuvent varier en fonction des équipements spécifiques installés sur le voilier.

Appareils Supplémentaires

D’autres équipements consommateurs plus marginaux peuvent aussi être intégré au bilan, cependant leur usage étant ponctuel, ils sont volontairement isolés du bilan :

• • • Guindeau Electrique :  5-10 Ah (100Ah utiliser 5 minutes par mouillage)
    • Dessalinisateur : 40-60 Ah/jour (selon l’utilisation). Voir mon article sur le blog : Dessalinisateur à Bord d’un Voilier
    • Chauffage : 20-30 Ah/jour.
    • Winch électrique : 20-30 Ah/jour (en fonction de la fréquence d’utilisation).

5. Production d’énergie

Dans le cadre du bilan énergétique d’un voilier, plusieurs sources d’énergie peuvent être exploitées pour générer de l’électricité, chacune ayant une capacité de production en ampères (A) variable selon les conditions et les équipements utilisés. Voici une évaluation des capacités moyennes de production des principales sources d’énergie :

A. Les sources d’énergie

Alternateur du Moteur

• • • • Capacité de production : Un alternateur de moteur de voilier produit généralement entre 40 A et 150 A en fonction de sa puissance. Un alternateur de 100 A est courant pour un voilier de taille moyenne.
      • Facteurs influents :
        • RPM du moteur
        • Taille et puissance de l’alternateur
        • Niveau de charge des batteries (plus elles sont chargées, moins l’alternateur produit).

Panneaux Photovoltaïques

• • • • Capacité de production : La production d’un panneau solaire varie en fonction de la taille et de la performance des cellules.
        • Un panneau de 100 W produit environ 5-6 A en plein soleil (basé sur 12V).
        • Deux panneaux de 100 W peuvent donc fournir environ 10-12 A au total, en conditions optimales, pendant environ 5 à 8 heures par jour.
      • Facteurs influents :
        • Ensoleillement (latitude, météo)
        • Orientation et inclinaison des panneaux
        • Rendement des panneaux et du régulateur MPPT.

Éolienne

• • • • Capacité de production : Les éoliennes marines sont conçues pour générer de l’électricité à partir du vent. En fonction du modèle, une éolienne produit généralement entre 5 A et 25 A par heure, selon la force du vent.
        • Par exemple, un modèle performant comme le Rutland 1200 produit environ 8 A avec un vent de 15 nœuds.
      • Facteurs influents :
        • Vitesse du vent
        • Emplacement et exposition de l’éolienne sur le bateau
        • Type et taille de l’éolienne.

Hydrogénérateur

• • • • Capacité de production : Un hydrogénérateur produit de l’électricité en captant l’énergie du mouvement du bateau à travers l’eau. Les modèles courants produisent entre 5 A et 20 A en fonction de la vitesse de navigation.
        • Par exemple, un hydrogénérateur Watt & Sea produit environ 10 A à 6 nœuds.
      • Facteurs influents :
        • Vitesse du bateau
        • Efficacité du modèle
        • Propreté et état de l’hydrogénérateur (absence d’algues ou de débris).

B. Estimation d’une Journée Type

Pour un voilier équipé d’un moteur, de panneaux photovoltaïques, d’une éolienne et d’une hydrogénératrice :

• • • Moteur (en fonctionnement 1h) : 50 A
    • Panneaux solaires (3 x 100W, 6h d’ensoleillement) : 15 A * 6h = 90 A
    • Éolienne (8h de vent à 10 nœuds) : 8 A * 8h = 64 A
    • Hydrogénérateur (6h à 6 nœuds) : 10 A * 6h = 60 A

C. Total de production journalière (estimée) :

• • • 264 A par jour, en conditions favorables.

Cela montre que, combinées, ces différentes sources peuvent fournir une quantité significative d’énergie à bord, mais elles dépendent fortement des conditions extérieures (soleil, vent, vitesse).

6. Optimiser le Bilan Énergétique d’un Voilier – Conclusion

Gérer l’électricité à bord d’un voilier nécessite une approche globale qui intègre à la fois la production d’énergie, la gestion de la consommation et le choix de batteries adaptées. En combinant différentes sources d’énergie comme le solaire, le vent et l’hydrogénérateur, il est possible de maintenir une autonomie énergétique, même en mer. La tropicalisation des équipements et un bon bilan énergétique permettent d’optimiser l’ensemble du système électrique pour naviguer en toute sérénité.