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lundi 2 février 2015

Propulseurs électriques Torqeedo : mythes et réalités

Résumé

Le fabricant allemand Torqeedo propose une gamme de propulseurs électriques pour bateaux. L’analyse de ses informations  commerciales montre que ses produits sont sérieux, bien conçus, et à jour des techniques récentes assurant à la fois longévité et bon rendement : moteurs « brushless », réducteurs planétaires, packs de batteries lithium-ion dérivées de la gamme Johnson Controls pour  véhicules électriques, offre bien segmentée, et éventuellement choix d’hélices, assurant une bonne adaptation au bateau, qui va du kayak au gros voilier. Que des compliments sur les produits !

Mais la capacité limitée des batteries, si modernes soient-elles, oblige à réduire la puissance des moteurs pour préserver une certaine durée d’utilisation, qui reste modeste. Torqeedo l’a fait, car il n’y a pas d’autre solution ! Les véhicules électriques terrestres sont dans le même cas, ce qui les limite pratiquement à un usage urbain.

Bien loin d’expliquer ce point qui est évidemment peu vendeur, ou même de le passer sous silence, Torqeedo tente de démontrer à grand renfort d’arguments pseudo-techniques, qu’à puissance égale sur l’arbre d’hélice, un moteur électrique serait plus efficace qu’un moteur thermique. Il introduit ainsi une généreuse équivalence de ses moteurs avec des moteurs thermiques largement plus puissants. Par surcroît, il définit, contre tous les usages, la puissance de ses moteurs par la puissance électrique consommée et non par la puissance  mécanique, évidemment inférieure. En réalité :
  • L’hélice, montée sur l’arbre d’hélice, « ne sait pas » si cet arbre est lui-même entraîné par un moteur électrique, à essence, diesel, à vapeur, ou même par des pédales. Pour un couple et une vitesse de rotation donnés, l’hélice aura donc exactement les mêmes performances quel que soit le moteur en amont, du moment qu’il est capable de fournir ce couple à cette vitesse, c’est-à-dire cette puissance.
  •  Les arguments basés sur la courbe de couple plus plate d’un moteur électrique, n’ont aucun sens. A chaque vitesse de rotation, le couple effectif du moteur n’est pas son couple maximum, mais seulement celui que l’hélice requiert pour tourner à cette vitesse. Le couple maximum du moteur intervient exclusivement à la vitesse de rotation maximum qui correspond à la puissance maximum. En dessous de cette vitesse, le couple requis par l’hélice décroît très vite, en sorte que les deux types de moteurs ont alors des couples maximum très surabondants, non utilisés, et donc inutiles. La courbe plate d’un moteur « brushless » n’apporte donc strictement rien.
  •  Avec juste raison, Torqueedo vante l’intérêt des hélices lentes à grand diamètre et faible pas. Elles assurent en effet une bonne poussée malgré la faible puissance, mais ce, à moindre vitesse. Elles ne remplacent pas la puissance manquante !
Torqeedo y ajoute :
  • Des arguments écologiques, à prendre avec réserves, car l’énergie électrique utilisée est rarement verte, particulièrement en Allemagne, et les batteries ne le sont jamais. Voir notre message à ce sujet.
  • Des arguments économiques biaisés, faisant état de coûts identiques, mais sur la base d’une énergie mécanique produite très inférieure.
Le client doit être informé des limites inhérentes à cette technologie : autonomie très réduite malgré un poids fortement augmenté par les batteries. 

 Mise à jour du 2 juin 2020 : Il reste que la gamme Torqeedo présente un intérêt évident pour certaines applications : remplacement de l’énergie humaine (kayaks, annexes), petits plans d’eau,  pêche, manœuvres de port, silence, interdiction des moteurs thermiques, et surtout facilité de démarrage : plus de lanceur, ni de stress lié au "Va-t-il démarrer?" Son fils ayant  acheté un Torqeedo 1003 pour les entrées et sorties de port de son petit voilier de course, l'auteur à fait de même pour son annexe gonflable de 2,5 m : Que du bonheur à démarrer sans effort et circuler lentement, mais silencieusement dans un port ou un mouillage jusqu'à la plage ! 



Message 

Torqeedo est un fabricant allemand de propulseurs électriques de faible ou moyenne puissance pour applications nautiques. Ses produits paraissent sérieux et bien conçus, mais certains arguments contenus dans son catalogue 2015 sont critiquables car ils utilisent des arguties erronées pour masquer des faiblesses inhérentes à l’utilisation de batteries, qui sont de nature à induire l’acquéreur non averti en erreur.

Notre analyse critique repose sur les documents publiés par Torqeedo, mais pas sur l’expérience, car nous n’avons pas utilisé ces produits, ni effectué sur eux des mesures ou essais dont nous n’avons pas la possibilité. Voir mise à jour en fin du résumé ci-dessus.

Les produits Torqeedo sont sérieux et inspirent confiance

Moteur

Inventé en 1869, le moteur à courant continu est arrivé dès 1900, à un  bon rendement. Ses progrès ultérieurs ont porté sur le fer du circuit magnétique, les isolants, puis sur les aimants permanents à partir de 1960, éventuellement au néodyme depuis 1990. Le remplacement des balais de graphite frottant sur le collecteur, par une commutation électronique à partir de 1980 a permis, tout en conservant exactement son principe, une transformation radicale de ce moteur ainsi devenu « brushless » : le stator et le rotor sont permutés, les aimants tournent, les bobinages sont fixes, d’où une amélioration importante de la longévité,  du rendement et du silence.

L’éclaté publié en page 12 de la documentation Torqeedo confirme cette analyse, en montrant :
  • A gauche, la cloche grise tournante est l’inducteur constitué de :
    • un flasque en aluminium moulé et ajouré pour faciliter le refroidissement des bobinages,
    • supportant une virole extérieure cylindrique en acier refermant le flux magnétique,
    • et portant à l’intérieur les aimants permanents qui créent ce flux magnétique fixe.
    • Le flasque est solidaire d’un axe en acier
    • supporté par deux roulements à billes, un gros côté cloche et un plus petit côté pignon,
    • axe qui va jusqu’au au pignon central du réducteur en traversant l’induit fixe.
  • A l’intérieur de la cloche, l’induit portant le bobinage est fixé sur la structure en aluminium de l’embase. Ses sections (bobinages élémentaires) sont connectées au large circuit imprimé vert qui supporte aussi les capteurs à effet Hall en périphérie et les commutateurs électroniques, non visibles.
  • Au centre droit, un réducteur épicycloïdal dont les 3 satellites entraînent l’arbre d’hélice. C’est la meilleure architecture pour un réducteur, qui allie bon rendement, faible encombrement et bonne longévité.
  • A droite, l’arbre d’hélice très court est supporté par deux roulements à billes et, semble-t-il, un palier lisse avec joint tournant d’étanchéité (toujours un point faible, mais inévitable).

L’ensemble est de belle facture et inspire confiance : aucune critique de principe à formuler. La conception est conforme aux technologies actuelles, a certainement un bon rendement, mais ne présente pas d’innovation particulière.


 Batteries

Torqeedo préconise avec juste raison des batteries lithium-ion. Cette technologie récente a été développée d’abord pour des applications de mobilité (téléphones mobiles, ordinateurs, appareils photos…) par Sony qui l’a commercialisée en 1981. Elle a progressé rapidement grâce à sa généralisation dans la mobilité, tout en montant en puissance pour des utilisations dans l’outillage électroportatif, les cycles, les véhicules hybrides, et enfin dans les véhicules purement électriques (Zoé, Ampera, Up, Tesla…)

Les éléments de base sont regroupés en série et/ou en parallèle pour constituer des modules. Chaque module comporte une électronique de base gérant les inévitables dissymétries entres éléments. Les modules sont regroupés en pack comportant une électronique dite BMS « Battery Management System » qui assure la sécurité, la gestion de l’énergie, et de la température, et la métrologie des paramètres.



Torqeedo achète les packs dérivés de ceux des véhicules électriques à Johnson Controls,  groupe multinational, l’un des acteurs majeurs en la matière, dont le logo figure discrètement au milieu de la page 42.

Ces batteries constituent un progrès énorme par rapport aux batteries classiques plomb/acide sulfurique, avec une énergie spécifique (c’est-à-dire par unité de masse) environ 4 fois supérieure, due pour moitié à une tension par élément pratiquement double. Plus fiables et plus endurantes que les batteries classiques, elles n’en ont pas moins certaines limites :
  • Un vieillissement dans le temps, indépendant de l’utilisation, porte à la fois sur la capacité qui diminue, et sur la résistance interne qui augmente. Il est négligeable sur quelques années jusqu'à 30°C, mais peut être un problème les pays chauds ou en cas de stockage au soleil. Tablons sur 1% de capacité perdue par an.
  • Un vieillissement du à l’utilisation, qui entraîne une réduction de capacité de l’ordre de 20% pour 1500 cycles portant sur les 2/3 de la capacité.
  • Sur environ 5 ans à 300 cycles par an, la perte de capacité peut ainsi atteindre 20 à 30% sans être trop gênante. Mais elle est très dispersée selon de nombreux paramètres d’utilisation. Sur la durée de vie des propulseurs qui paraissent de très bonne qualité et qui n’ont pas de pièce d’usure, un changement de batterie sera probablement  nécessaire à terme.
  • La garantie de Torqeedo est d’ailleurs limitée à 9 ans, durée néanmoins audacieuse pour une technologie qui n’a que 10 ans, tout comme Torqeedo elle-même. Avant de signer le bon de commande, le client devra relire attentivement les termes de cette garantie, et vérifier que, en cas de problème récurrent,  Torqeedo dispose d’une assurance en responsabilité civile du fait du produit, sauf si la garantie est assurée par Johnson Controls, très grand groupe multinational dont la solvabilité est notoire.
Malgré toutes ces qualités, il faut resituer la quantité d’énergie en stock dans une batterie par rapport à celle d’un réservoir d’essence.

Nature
Energie en stock /Kg
Rendement moteur
Energie finale disponible /Kg
Essence
11 KWh   (1)
20% (3)
2,2 Kwh
Batterie Li-Ion
0,12 KWh (2)
90% (4)
0,11 Kwh
(1)    Soit 45 MJ/Kg / 3,6 = 12 KWh/Kg ramené à 11 KWh/Kg pour intégrer la masse du réservoir =10% du carburant
(2)    D’après catalogue Torqeedo, page 30, 2 batteries 26 v x 104 Ah chacune pesant en tout 48 Kg, soit 26 x 104 x2 / 48 = 120 Wh = 0,12 KWh
(3)    Moteur 4 temps à allumage électronique
(4)    Moteur « brushless »

Malgré le mauvais rendement du moteur thermique qui résulte du principe de Carnot-Clausius, à masse égale, un facteur 20 apparaît ! Et encore ce facteur n’est-il qu’un minimum initial, car, contrairement à la batterie, la masse du réservoir vide est très inférieure à celle du réservoir plein. De ce fait, le facteur moyen est plutôt 36 !  Il explique pourquoi la capacité des batteries, très limitée malgré la technologie lithium-ion, amène à réduire la puissance des moteurs afin de préserver la durée de fonctionnement. Torqeedo tente de minimiser ce problème en alléguant d’un meilleur rendement d’hélice dû au moteur électrique et justifiant la notion d’équivalence, mais nous verrons ci-dessous que ces allégations sont dénuées de tout fondement.

Torqeedo n’échappe pas aux lois de la physique

L’hélice marine a été inventée en 1835. C’est une technologie arrivée à maturité depuis longtemps, et il ne faut plus en attendre d’avancée décisive. En revanche, l’adaptation de l’hélice au bateau reste un point essentiel à traiter pour chaque bateau, qui laisse parfois à désirer. Il est probable que la relativement faible puissance des moteurs électriques (limitée uniquement par la capacité des batteries) a amené Torqeedo à optimiser cette adaptation, notamment grâce à une offre bien segmentée par type de bateau, et pour certains moteurs par un choix d‘hélice, ce qui est une très bonne chose, mais qui n’a pas pour effet d’augmenter la puissance disponible !

Torqeedo utilise en pages 10 et 11 trois définitions distinctes relatives à la  puissance:

La « puissance au moteur » électrique, selon eux définie par « courant x tension ». Cette définition est un abus de langage, car en réalité relative à la puissance consommée. La puissance du moteur est toujours être définie par sa puissance mécanique sur l’arbre, soit « couple x vitesse angulaire ». La différence entre les deux, liée aux pertes cuivre, fer, aérodynamiques, et frottements dans le moteur, est de l’ordre de 10% dans la gamme envisagée. Le passage ambigu de « du » à « au » semble être un alibi au gonflement artificiel de la puissance affichée.

La « puissance à l’arbre d’hélice » = « couple x vitesse angulaire ». C’est exact. Elle est utilisée par tous les fabricants de propulseurs marins, et ne diffère (peu) de la puissance du moteur que par le (bon) rendement d’un éventuel réducteur ou renvoi d’angle.

La   « puissance de propulsion », que Torqeedo définit par : « poussée x vitesse du bateau ». Cette définition de circonstance est recevable, mais elle n’est jamais utilisée pour une raison simple : elle dépend fondamentalement du bateau et des éléments extérieurs. Examinons ce point en détail ci-dessous :

Puissance de propulsion : adaptation de l’hélice au bateau
Graphe ci-dessous : « Force propulsive vs. Vitesse du bateau »
En abscisses, la vitesse du bateau en m/sec. (Pour mémoire, 1m/sec = 2 nœuds moins 7%)
En Ordonnées, les forces exprimées en newtons.
Le produit XY en chaque point du graphe est la puissance propulsive.

  • Les trois courbes analogues (non liées au bateau) donnent les forces propulsives d’un même propulseur équipé d’hélices successivement courte, médiane ou longue. Dans chaque cas, la force propulsive :
    • est maximum à vitesse nulle ou très faible (coque est très lourde et large, avec du vent et/ou des vagues contraires, ou simplement amarrée au quai !)
    • décroît quand la vitesse croît,
    • et devient nulle au synchronisme : l’hélice se « visse » dans l’eau sans la déplacer, comme dans un écrou». (On s’en approche avec une coque est très fine et légère, avec du vent et/ou des vagues portants, ou simplement remorquée à cette vitesse !)
  • La puissance propulsive étant le produit « force x vitesse », elle est nulle à vitesse nulle et au synchronisme. Elle est maximum respectivement en C, M et L.
  • En ces trois points, les courbes sont tangentes à l’hyperbole iso-puissance propulsive en pointillé noir.
  • La résistance de carène est la force qu’il faut vaincre pour faire avancer le bateau (hors accélérations). Elle est nulle à faible vitesse, croît d’abord lentement, puis plus vite à l’approche de sa vitesse de carène, jusqu’à déjauger éventuellement et se réduire. La courbe donnée en exemple est celle d’un bateau en immersion. Elle coupe l’hyperbole iso-puissance entre C et M.
  • Dans cet exemple, l’hélice idéale serait donc proche de C, car elle permettrait d’aboutir à la puissance propulsive maximum.
  • La nature du moteur utilisé ne rentre nullement en ligne de compte : le moteur électrique n’a aucun avantage mystérieux !
  • Une hélice, qui ne se résume pas à son pas,  doit donc avoir des paramètres (pas, diamètre, nombre de pales…) adaptés au bateau et au moteur via la transmission pour que  pour que la vitesse maximum du bateau,  par vent et mer calmes, soit obtenue à la puissance maximum du moteur. Rien ne permet d’affirmer :
    • ni que l’adaptation des hélices de moteurs thermiques soit systématiquement mauvaise,
    • ni que celle des hélices de moteurs électriques soit systématiquement bonne ! 
  • la puissance de propulsion ne peut donc pas caractériser un propulseur indépendamment du bateau sur lequel il est monté, et encore moins autoriser des comparaisons avec d’autres propulseurs. Sans doute ce concept obscur est-il destiné à noyer le poisson dans l’eau !
  • Torqeedo aurait dû publier pour chaque couple « moteur + hélice »,  4 paramètres significatifs :
    • La poussée à vitesse nulle (ce qu’elle a fait)
    • La vitesse de synchronisme au régime maximum
    • La poussée et la vitesse correspondant à la puissance de propulsion maximum que le moteur ne peut développer qu’au régime maximum.
    • Ou, mieux, les courbes ci-dessus (bleue, rouge, verte) depuis la vitesse nulle jusqu’au synchronisme.
Comme plusieurs de ses concurrents, Torqeedo avance une notion d’équivalence. Selon elle, un moteur électrique serait capable des mêmes performances qu’un moteur thermique de puissance supérieure, et serait donc équivalent à cette puissance. Son argumentaire en page 11 est le suivant suivant :

« Les moteurs électriques peuvent fournir la même puissance de propulsion avec une puissance beaucoup plus faible à l’arbre de l’hélice. Ce qui s’explique par les différences de courbes caractéristiques du couple des moteurs électriques et celle à essence. Tandis que la courbe du couple d’un moteur à essence présente un pic proéminent avec un point de fonctionnement limité auquel le moteur donne le couple maximum, la courbe du couple en fonction de la vitesse des moteurs électriques est beaucoup plus plate, d’où un couple élevé disponible à toutes les vitesses de rotation. C’est pourquoi les moteurs électriques peuvent entraîner les hélices avec un rendement nettement supérieur. »

Cette revendication est absurde dans son principe même: L’hélice, montée sur l’arbre d’hélice, « ne sait pas » si cet arbre est lui-même entraîné par un moteur électrique, à essence, diesel, à vapeur, ou même par des pédales. Pour un couple et une vitesse donnés, l’hélice aura donc exactement les mêmes performances quel que soit le moteur en amont, du moment qu’il est capable de fournir ce couple à cette vitesse, c’est-à-dire cette puissance. Examinons le plus en détail l’allégation sur les couples :

Quel couple est nécessaire ? Graphe « Couple vs. Vitesse de rotation »
En abscisses, la vitesse de rotation est exprimée en % de la vitesse de rotation à puissance maximum en A.
En Ordonnées, les couples à l’arbre d’hélice sont exprimés en % du couple à puissance maximum en A.

  • La courbe du couple maximum typique d’un moteur thermique (sans turbo), qui croît avec la vitesse de rotation jusqu’à un maximum situé aux alentours du mi régime, et décroît ensuite jusqu’à la vitesse maximum qui correspond à la puissance maximum (point A du graphique, pour Adapté).
  • La courbe du couple maximum d’un moteur à courant continu en régime permanent, qui est à peu près indépendant de la vitesse de rotation. La puissance maximum correspond donc aussi à sa vitesse maximum, au point A. (Cette courbe n’est plate que si l’intensité est constante. Au-delà d’une certaine vitesse, la « force électromotrice » du moteur atteint la tension de batterie, et alors le couple maximum chute brutalement faute d’intensité.)
  • La courbe (en trait plein) du couple requis par une hélice adaptée permettant d’exploiter toute la puissance du moteur (elle dépend évidemment du bateau).
    • Par définition, il est maximum et égal au couple du moteur (quel qu’il soit) en A. C’est donc en ce point, uniquement, que le couple moteur est déterminant.
    • Il  décroît très vite en dessous de la vitesse de rotation maximum, et se trouve donc très inférieur au couple maximum du moteur (quel qu’il soit) à des vitesses de rotation tant soit peu réduites.
    • La forme des courbes de couple n’a donc aucune importance : la courbe plate du moteur électrique n’apporte strictement rien de plus.
  • Les hyperboles en trait fin noir sont les courbes d’iso-puissance à 100%, 75%, 50% et 25% de la puissance maximum. Dans la pratique, la courbe 100% se réduit au seul point A. L’intersection de ces hyperboles avec la courbe verte donne les points de fonctionnement réels à ces puissances.
  • Les courbes des couples requis par :
    • Une hélice de pas trop court (en trait mixte vert) : au régime maximum du moteur (quel qu’il soit), le couple requis est inférieur à la capacité du moteur, et la puissance absorbée en C n’est que d’environ 70% de la puissance du moteur, par manque de couple.
    • Une hélice de pas trop long (en pointillé vert) : le couple maximum du moteur est atteint en L (intersection avec la courbe bleue ou rouge selon le cas), sans  parvenir au régime maximum. La puissance maximum absorbée n’est que d’environ 90% (électrique) ou 97% (thermique) de la puissance du moteur par manque de vitesse.
    • Dans les deux cas, la vitesse du bateau se trouve réduite, par non utilisation de toute la puissance du moteur.
  • Les rendements (=énergie produite / énergie reçue) n’ont rien à voir avec les courbes de couple.
  • L’argumentation de Torqeedo est dénuée de tout fondement. L’excellent niveau de leurs réalisations techniques laisse perplexe sur la possibilité d’une erreur.
En s’appuyant sur son allégation d’équivalence, Torqeedo publie le comparatif ci-dessous qui n’a aucun sens :



Il doit être clair que les performances d’un système de propulsion ne dépendent que de deux facteurs :
  • La puissance mécanique à l’arbre d’hélice (couple x vitesse angulaire), et peu importe de quelle manière cette puissance a été obtenue.
  • L’adaptation au bateau de l’hélice et de la transmission. Avec une hélice adaptée au bateau et à la puissance, la vitesse maximum ne dépend que de la puissance. Toutefois, à puissance égale, entre deux bateaux ayant la même coque et la même puissance, mais pas le même poids, et donc différents, le plus rapide sera évidemment le plus léger : le poids des batteries est un paramètre défavorable… 

Les mérites des grandes hélices à pas court sont vantés par Torqueedo avec juste raison : elles permettent de faire avancer des bateaux alourdis par les batteries  avec un rendement correct à vitesse modérée malgré une puissance insuffisante, mais ce dernier point est soigneusement passé sous silence !

Rendements

Examinons objectivement la chaîne des rendements dans les trois hypothèses ci-dessous

Hypothèses 
Moteur thermique
Moteur électrique
Electricité thermique
Moteur électrique
Electricité nucléaire
Energie primaire
Pétrole
Charbon
Chaleur de fission
Rendement de distillation / conversion
98%
35% (Carnot)
33% conventionnel
Rendement de transport
95%
90%
Energie en stock à bord
Essence
Electricité
Rendement de stockage
100%
80% (Batterie)
Rendement moteur
20% (Carnot)
90%
Rendement transmission
95%
95%
Energie finale arbre hélice / primaire
18%
22% à 20%
Rendement d’hélice
Non lié au mode de production de l’énergie mécanique
  • Il est clair que sur la chaîne complète, l’avantage du moteur électrique est peu significatif, d’autant que le rendement de 20% ici adopté pour un moteur hors-bord à essence est un chiffre pessimiste faute d’information fiable de leurs fabricants.
  • Dans l’automobile, les moteurs à essence dépassent 35% au point optimum, et les diesels 40%. Avec ces chiffres la comparaison passe en faveur des moteurs thermiques.  
  • A l’inverse, si l’électricité est produite par une centrale à gaz à cycle combiné (malheureusement rares et sous-utilisées) dont le rendement atteint 58%, la comparaison revient en faveur du moteur électrique.
  • Si elle est produite par une centrale nucléaire, le rendement de Carnot n’a aucune importance, et il n’y a pas d’émission de CO2. Mais ceci est une spécificité française.
On le voit bien : le véritable enjeu du rendement et de l’émission de CO2 n’est pas dans le moteur électrique ou non, mais dans la manière de produire l’électricité ! L’utilisateur souhaitant limiter ses émissions de CO2 utilisera donc un hors-bord allemand Torqeedo en France métropolitaine. Mais s‘il est aussi antinucléaire, il devra rester au Café du Port !

A propos des rendements, Torqeedo publie les éléments suivants :


Ces données très fantaisistes et biaisées appellent les commentaires suivants :
  • Le « Rendement global » n’est pas défini : on peut ainsi raconter ce qu’on veut !
  • En quoi le Torqeedo ne serait-il pas un hors-bord électrique classique ?
  • Qu’est-ce que c’est qu’un « moteur électrique de traîne » ?
  • Le rendement des hors-bords à essence est placé dans une fourchette trop large (un facteur 3 entre 5% et 15%) et très basse. Elle n’est envisageable que pour des vieux moteurs hors-bords 2 temps sans injection directe, utilisés dans de mauvaises conditions, et en incluant son rendement de Carnot-Clausius, ce qui fausse la comparaison (voir notre tableau ci-dessus).
Torqeedo n’échappe pas aux lois de l’économie

L’argumentation développée en page 44, copiée ci-dessous, est surprenante :


Analysons les chiffres de la première colonne (les autres sont proportionnels) pour 150 cycles par an, basés sur un amortissement de la batterie en 9 ans, durée de la garantie contractuelle annoncée :
  • L’énergie utilisée dans 150 cycles de décharge à 80% est de : 150 x 12,8 KWh x 80% = 1 536 KWh consommés, soit encore après rendements de 90% (moteur) et 95% (réducteur), de 1 300 KWh à l’arbre d’hélice. 
  • 2 413 € de carburant correspondent à 1 600 litres d’essence à 10 KWh/litre, soit 16 000 Kwh avant rendement, soit encore 3 000 KWh à l’arbre d’hélice après rendement de Carnot (20%) et de renvoi d’angle (95%).
Manifestement, l’équilibre économique suggéré ne correspond pas à l’égalité des prestations ! A coût de consommation égal, le moteur thermique aura fourni 2,3 fois plus d’énergie. Ceci reste vrai au prix français de l’électricité, car, dans les chiffres Torqeedo, l’amortissement de la batterie est, à juste titre, très prépondérant sur le prix du carburant. Par surcroît, le bateau dans sa version électrique sera plus lourd d’environ 300 Kg, donc consommera plus d’énergie, notamment s’il déjauge difficilement ou plus du tout. S’il est peu utilisé, l’amortissement annuel étant constant, le prix (amortissement inclus) devient prohibitif.

La propulsion électrique, bien qu’échappant aux lourdes taxes sur les carburants (TICPE et TVA afférente), est finalement beaucoup plus chère, à cause du prix et du poids des batteries, même lithium-ion. Voir message à ce sujet.

Sont-ils vraiment écologiques ?

Indéniablement, les propulseurs électriques ont des avantages importants :
  • Silence de fonctionnement, particulièrement appréciable en eaux plates : lacs, canaux, rivières…
  • Aucune pollution atmosphérique locale
En revanche, et compte tenu de l’absence d’« équivalence » :
  • Leur bilan carbone peut n’être pas aussi bon qu’annoncé, suivant que la recharge est faite en France continentale ou ailleurs, car il faut comparer les émissions de CO2 totales pour une même énergie mécanique produite.
  • Il faut intégrer aussi les émissions liées à l’achat et au remplacement de la batterie. Loin d’être négligeables, elles peuvent être prépondérantes.
  • Ces sujets ont déjà été traités par notre message  relatif aux voiliers à moteur électrique remplaçant des diesels. S’agissant ici de remplacer des moteurs hors-bords à essence dont le rendement est moins bon, une correction s’impose, mais elle ne change pas les ordres de grandeur.
  • Ajoutons que l’argument parlant de la légèreté des propulseurs est lui-même un peu léger : il oublie simplement le poids des batteries, largement prépondérant !

 Conclusion

Les moteurs électriques sur batteries sont appropriés pour la propulsion des bateaux de faible puissance dans certaines applications particulières, parmi lesquelles :
  • Utilisation sur lacs et canaux : faible distance à parcourir, restrictions d’utilisation des moteurs thermiques, pêche
  • Très petites embarcations, non susceptibles de recevoir un hors-bord thermique : canoës, kayaks (analogie avec les vélos électriques qui ne sont pas des cyclomoteurs)
  • Annexes de port
  • Engins de plage
  • Moteurs de voiliers, notamment de régate, réservés aux manœuvres de port

Les produits proposés semblent sérieux et de bonne qualité, bien que nous n’en n’ayons pas l’expérience, mais ils ne peuvent pas remplacer les moteurs thermiques dans leurs applications usuelles.

L’argumentation développée par Torqeedo est erronée à plusieurs égards. Notre message a pour objet de rétablir la réalité technique et d’informer le client des limites inhérentes à cette technologie : autonomie très réduite et poids fortement augmenté par les batteries. On peut légitimement se demander si Torqeedo prend ses désirs pour des réalités, ou enjolive sciemment la vérité : faute de preuves, nous ne conclurons pas.



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dimanche 29 janvier 2012

Voiliers à propulsion électrique: vraiment écologique?





Les moteurs électriques sont « tendance », outre qu’ils sont « branchés », et les bateaux de plaisance n’y échappent pas.

Les journalistes des revues nautiques font de leur mieux pour informer leurs lecteurs des nouveautés, mais tombent parfois dans les chausse-trappes dont les dossiers de presse remis par les fabricants sont remplis. Nous allons essayer de les aider par quelques rappels à la physique de base.

Un  moteur électrique ne pollue pas ?

Pour avoir un sens, les émissions de CO2 doivent être considérées d’un bout à l’autre de la chaîne énergétique, et sans oublier leur composante « investissements ».

En France métropolitaine, la production électrique est à 95% exempte de CO2. Ceci est une moyenne sur l’année. En fait, le recours aux énergies fossiles a lieu principalement en hiver, saison où l’on ne navigue que très peu. On peut donc affirmer que l’utilisation sur un bateau d’un moteur électrique alimenté par ses batteries chargées à partir du réseau ERDF n’entraîne aucune émission.

Mais il en va très différemment dans des pays ou l’électricité est peu ou pas nucléaire ou hydraulique. Dans le cas fréquent (Italie, Irlande, Maghreb, mais aussi Corse) où la quasi-totalité de la production électrique est d’origine fossile, l’émission relative à la production électrique doit être divisée par les rendements cumulés jusqu’à l’utilisation, typiquement :
  • production électrique                 35%
  • réseau   de distribution               93%
  • charge / décharge batterie          75%
  • moteur électrique bateau            90%
soit en tout 35% x 93% x 75% x 90% = 22% à comparer au rendement d’un moteur diesel marin de même puissance, qui serait de l’ordre de 30%. Les émissions de CO2 sont ainsi aggravées d’environ 1/3 si le combustible primaire est un hydrocarbure, ou doublées si c’est du charbon, par rapport à  un diesel à bord.

Ajoutons que la batterie est un élément très cher, donc probablement très émetteur de  CO2. En première approche, utilisons le ratio simpliste, mais pas absurde, selon lequel les produits industriels non pétroliers émettent 1 tonne de CO2 par tranche de coût de 1000 €HT au niveau utilisateur.  Pour nos batteries évaluées à 30 000 € TTC, l’ordre de grandeur des émissions correspondantes pourrait être de 30 000 € /1,196 / 1000 €/T = 25 tonnes de CO2 qui auraient pu être émis par la combustion de 10000 litres de gazole avec lesquels un bateau à moteur diesel consommant 1,7 litre/heure aurait parcouru 30 000 miles nautiques en 6 000 heures. En d’autres termes, il faudra 1 200 recharges complètes avant de commencer à améliorer le bilan CO2… dans le cas improbable où les batteries n’auraient pas été changées avant !

Il faut ajouter que les batteries, quelques soit leur technologie, sont tout sauf vertes, et ici il y en a (8 x 2 + 4) x 15kg = 300 kg. Pas vert du tout !

Un moteur électrique « équivalent » à un moteur thermique ?

Les fabricants de bateaux électriques, ou de moteurs électriques pour bateaux utilisent presque systématiquement la notion de « puissance équivalente ». Celle-ci n’existe dans aucun livre de physique ou de techniques de l’ingénieur. La puissance mécanique d’un moteur, en watts, est le produit de sa vitesse angulaire (en rad/s) par son couple (en Nm). Tout le reste n’est que littérature !

Pour entraîner une hélice à une vitesse de rotation donnée, il faut que son arbre lui apporte cette vitesse en même temps que le couple correspondant, qui dépend de ses caractéristiques (diamètre, pas, nombre de pales, etc.). L’hélice « ne sait pas » si l’arbre sur lequel elle est montée est lui-même entraîné par un moteur thermique ou électrique, ou même par des pédales, et ses performances seront exactement les mêmes si on change de moteur en conservant couple et vitesse.

La vérité est que le moteur électrique, excellent et illimité en lui-même, est handicapé par la batterie  dont les capacités sont trop faibles, ridiculement faibles si on les compare au même poids de gazole, même affecté d’un coefficient de 30% pour tenir compte de rendement du moteur diesel. On est donc contraint à limiter la puissance du moteur électrique pour éviter de vider trop vite la batterie.

Afin de permettre néanmoins la propulsion de coques lourdes, les fabricants munissent les moteurs électriques d’hélices à pas court, capables de fournir une force de propulsion équivalente à moindre puissance, mais aussi… à moindre vitesse !

C’est pourquoi ils communiquent souvent en termes de poussée, sans spécifier la vitesse de synchronisme, et jamais en termes de puissance pour laquelle les termes de la comparaison seraient trop défavorables, et donc peu vendeurs…

Ils ajoutent souvent un argument spécieux sur le couple des moteurs électriques, qui serait selon eux plus élevé à bas régime. Qu’en est-il ?

Regardons d’abord les caractéristiques de puissance mécanique et de couple d’un moteur Diesel typique de voilier, le Yanmar 3YM30 :



On constate sur le graphe du bas que le couple est à sa valeur maximum de 70 mN jusqu’à 2500 t/min, puis décroît jusqu’à 60% de cette valeur, soit 42 Nm à sa vitesse maximum.

 Le graphe du haut, qui résulte du précédent puisque puissance = couple x vitesse, montre une puissance proportionnelle à la vitesse dans la zone de couple constant jusqu’à 2500 t/min puis croissant moins vite jusqu’à atteindre à partir de 3250 t/min un palier correspondant à la zone de couple fortement décroissante.

Tous les moteurs thermiques sans turbocompresseur ont des courbes de couple vs. vitesse de ce type, à peu de choses près. Notons que la zone de couple maximum est aussi celle du meilleur rendement du moteur, la vitesse de croisière s'y trouve bien en termes de vitesse, mais avec un couple un peu bas.

Les moteurs électriques de propulsion

Le couple d’un moteur électrique dépend énormément de sa technologie et de son mode d’alimentation. Par surcroît, sa puissance doit se définir par rapport à un « facteur de marche ». On considère habituellement, et en particulier ci-dessous, la puissance mécanique qu’il est capable de fournir en continu, c'est-à-dire avec un taux d’utilisation de 100%. Il faut retenir qu’à froid, il est capable de temporairement fournir plus sans détérioration s’il a été conçu à cet effet, mais ceci a peu d’intérêt sur un bateau, contrairement, par exemple, à une automobile.

Les moteurs les plus usuels en propulsion nautique sont à courant continu et aimants permanents, bien adaptés au fonctionnement sur batteries, dans deux variantes très différentes :
  •  Les moteurs traditionnels à collecteur : le stator est un inducteur à aimants permanents, l’induit (rotor) tourne et est alimenté par deux balais de carbone frottant sur un collecteur à lames de cuivre qui assure la commutation des sections.
  • Les moteurs « brushless » (sans balais), exactement identiques au plan électromagnétique, mais technologiquement très différents : le rotor est un inducteur à aimants permanents, le stator est l’induit dont les sections sont commutées électroniquement en fonction de l’angle du rotor détecté par un capteur à effet Hall. Ils ont l’avantage d’être plus durables et plus silencieux, grâce à l’absence de collecteur, et plus fiables, car les bobinages ne tournent pas.
Les moteurs « brushless » sont très proches des moteurs synchrones qui n’en différent que par l’absence de commutation électronique selon l’angle du rotor. Un alternateur est identique à un moteur synchrone.
Intrinsèquement, la courbe de couple des moteurs à courant continu (des deux familles) sont « plates », c'est-à-dire indépendantes de la vitesse. Selon leur mode de ventilation, forcée ou naturelle, le couple à basse vitesse pourra être identique ou un peu plus bas, mais jamais plus haut.

Résumons-nous : Quand la vitesse décroît depuis son maximum, le couple…
  • ...d’un diesel croît jusqu’à un plateau maximum en dessous des 2/3 du régime maximum.
  • ...d’un moteur électrique à courant continu reste constant ou décroît un peu.
On voit mal ce qui autorise les fabricants de moteurs électriques de bateaux à alléguer un couple plus élevé à bas régime !

Il reste qu’un moteur électrique, contrairement à un thermique, peut être utilisé à des vitesses très basses, 20% du maximum ou moins, mais à ces niveaux, les couples et forces propulsives sont extrêmement bas, pratiquement sans intérêt.

Mais il y a pire. Revenons au premier graphe, repris ci-dessous.
  • La courbe rouge du haut est la puissance maximum que le moteur est capable de fournir à une vitesse donnée.
  • La courbe bleue du bas est la puissance réellement nécessaire pour entraîner l’hélice à travers l’inverseur.
  • A une vitesse (ou abscisse) donnée, le rapport des couples est égal au rapport des puissances.


On constate  que le couple réellement nécessaire n’est égal  au couple maximum du moteur qu’à la vitesse maximum. Dès que la vitesse décroît,  le couple nécessaire décroît beaucoup plus vite, et n’est plus que le ¼ du couple maximum à bas régime. Ceci signifie que tous les moteurs, thermiques ou électriques, ont un couple fortement surabondant à basse vitesse.


L’avantage lié au « couple plus élevé du moteur électrique à bas régime » est non seulement faux, mais en plus parfaitement inutile.

Un exemple concret : Voiles Magazine n° 194 de février 2012

Ce magazine publie un excellent dossier sur la question, avec de bonnes conclusions, notamment son tableau « En un coup d’œil… » (page 58), des encadrés clairs et simples sur les batteries (page 59), les architectures (pages 60-61), les composant (pages 62-63), et nombre de remarques et de réserves fort pertinentes. C’est sans doute le meilleur dossier que j’aie lu sur le sujet. Mais il n’a pas totalement échappé à l’enfumage par les fournisseurs de matériels électriques.

L’auteur de l’article écrit : « Le moteur électrique est un Elco 4000, soit au moins l’équivalent d’un 39cv thermique, et plutôt plus puissant à bas régime. Le générateur est un Polar DC Marine 14 KW, avec, pour la partie thermique, un D1-30 de Volvo Penta. Quant au parc de batteries, il est constitué de 16 batteries au lithium de 138 AH chacune. […] deux racks de 8 batteries lithium Valance […] 12 volts montées en parallèle…»

Les notices en ligne Polar DC Marine et Volvo Penta relatives au groupe électrogène sont cohérentes, avec une puissance mécanique de 14 KW, et une consommation de 290 gr de gazole par KWh.

La fiche en ligne du moteur Elco 4000 donne sa tension (108 volts) mais aucune indication, ni sur sa puissance électrique ou son intensité consommée, ni sur sa puissance mécanique ou son couple ! Bien sûr, il y a quand même cette fameuse puissance équivalente à 40 cv ou 20 kw. Curieux :  40 cv = 30kw, mais pas ici…

On peut quand même évaluer cette mystérieuse puissance. Le parc est constitué de 16 batteries  de 138 AH chacune. Rectifions leur montage en série (on le voit sur la photo) et non en « parallèle ». Le parc assure, en valeurs nominales :
  • Une tension de 13,5 x 8 = 108 volts, convenant au moteur
  • Une capacité utilisable de 138 AH x 2  x 90% = 248 AH
  • Une énergie utilisable de 108 v x 248 AH = 27 KWH = 96 MJ
Tout cela est parfaitement cohérent.
A titre indicatif, l’énergie utilisable du parc de batteries ci-dessus, soit 96MJ, se compare à celle du gazole (37 MJ/litre)
  • 2,6 litres avant rendement des moteurs
  • 7,7 litres après rendement des moteurs (respectivement 90% et 30%)
Notons au passage que la recharge de ce parc par un chargeur de quai n'est pas si évidente: la plupart des prises de ponton sont protégées par un disjoncteur 10 A, parfois moins.
  • La recharge du parc, rendement inclus, nécessite environ 27 KWH / 80% = 34 KWH. 
  • Pour ne pas excéder une puissance apparente de 230 V x 10 A = 2,3 KVA, le chargeur, selon sa technologie et le facteur de forme du courant appelé, ne pourra pas fournir plus de 2,3 x 80% = 1,8 KW environ.
  • La recharge prendra 20 heures, soit 10 fois le temps d'utilisation en mer à 5,8 nds ! (voir ci-dessous)
Dans la pratique, il faudra prévoir un emplacement "yacht", avec prise électrique de grande puissance, de préférence triphasée, et les frais de port associés... là où çà existe!

Le magazine annonce ensuite : « 812 miles. C’est la distance franchissable avec un plein de gasoil, soit 190 litre ». Il précise plus loin : « on atteint un régime de croisière soutenu (1200 t/min pour 5,8 nœuds » et au maximum : « On croise alors à 6,7 nœuds… ».

Bigre ! Mais en physique, il n’y a jamais de miracle.
  • Notons d’abord que le magazine ne dit pas si cette autonomie est un résultat d’essai ou d’un calcul. Compte tenu de la semaine  nécessaire pour un essai, il s’agit probablement d’un calcul.
  • Il ne précise pas non plus comment est utilisée la capacité de charge, continue ou intermittente. En continu, le moteur Volvo n’est pas à son optimum de rendement. En intermittent, il peut y être, mais le rendement de charge / décharge des batteries pénalise la chaîne.
  • Il ne dit pas à quelle vitesse cette autonomie est atteinte, alors qu’il s’agit là d’un point critique.
Explorons ce sujet : Le Hunter E36 a une coque moderne, à flottaison longue, de déplacement moyen. Aux vitesses envisagées, il navigue en immersion pure : pas de planning. Il existe dans les outils de l’ingénieur une formule (Propeller Handbok, Dave Guerr, page 10) de prédiction de la puissance à l’arbre d’hélice en fonction de :
  • Deux paramètres : longueur de flottaison et déplacement
  • Une variable : la vitesse du bateau
Elle est évidemment valide en eau plate, sans vent, évidemment quel que soit le type du moteur.  Son application au Hunter E36 donne le résultat suivant :

On observe 
  • la parfaite cohérence du résultat, notamment en vérifiant le maximum.
  • A la vitesse de croisière de 5,8nds, la puissance nécessaire est de 11,2kw.
  • A la vitesse maximum de 6,7nds, elle monte à 17,2kw.
  • A 4,0nds, elle se réduit à 3,7kw.
Les conclusions sont intéressantes pour le mode électrique :
  • La puissance mécanique du moteur Elco 4000 ne dépasse guère 17kw en mode « turbo » ou 11kw en mode croisière. On est bien loin des 39 cv (soit 29kw) annoncés, et en-dessous d’un moteur thermique courant… mais on est homogène avec le chargeur dont les 14 kw sont bien adaptés.
  • A 4 nœuds les 3,7 kw mécaniques, soit un peu plus de 4 kw électriques consommés, soit encore environ 40 A tirés sur la batterie donnent une autonomie de l’ordre de 6 heures ou 25 miles (par vent nul et mer plate, rappelons le), ce qui est remarquable pour une propulsion électrique, mais reste faible pour l’utilisateur.
  • Mais cette autonomie électrique décroît très vite avec la vitesse :
    • 2 h 15 min ou 13 miles à 5,8 nds. 
    • et 1h 25min ou 10 miles à 6,7nds. 
L’autonomie annoncée en mode thermique mérite un examen plus approfondi.

Dans les meilleures conditions, selon les données des constructeurs, le diesel du groupe électrogène consomme 0,34 litre de gazole par Kwh mécanique. La transmission d’énergie à l’hélice se fait par voie électrique via un alternateur et un moteur ayant chacun un rendement que nous estimons à 90%.
  • La consommation de gazole par KWh à l’hélice est donc 0,34/(0,9)²= 0,42 litre.
  • Le réservoir de 190 l contient donc 190 / 0,42 = 450  kwh, pour parcourir 812 miles.
  • Il faut donc consommer moins de 450 /812 = 0,56 KWh/MN.
  • La vitesse de 3 nœuds, qui requiert de 1,5K kwh, soit 1,5 / 3 = 0,5KW par mile répond à la question. Il faudra plus de 11 jours pour arriver à destination. Bien sûr, ce n’est pas sérieux.
L’autonomie « gazole » du Hunter E36 à la vitesse raisonnable de 5 nœuds,  soit 7,1kw, soit encore 1,7 litre à l’heure, n’excède pas 190/1,7= 112 heures ou 560 miles, ce qui n’est déjà pas mal.

Conclusion

Le bilan de cette configuration diesel électrique hybride du Hunter 36E, comparée à un diesel classique un peu plus puissant, est le suivant :
  • Emissions de CO2 : au mieux nul par recharge à partir du réseau en France, et négatif dans tous les autres cas: hors de de France et recharge par le groupe électrogène.
  • Ecologique hors CO2 : les 300 kg de batterie ont un impact évidemment négatif.
  • Puissance : on est un peu en dessous du standard.
  • Poids : on additionne deux moteurs électriques et un parc de batteries pour environ ½ tonne.
  • Autonomie thermique: la chaîne hybride dont le rendement n’est pas de 100%, pénalise un peu la performance.
  • Autonomie électrique : relativement bonne, mais très basse dans la pratique.
  • Bruit : Le silence est un avantage indéniable de la propulsion électrique, mais sur batteries seulement.
  • Frein : La présence d’un frein (moteur en marche arrière)  instantanément disponible en navigation à la voile peut être en petit avantage en eaux encombrées.
Il n’est pas certain que ce bilan justifie un supplément de l’ordre de 40 000 €… En tout cas, ce n’est pas l’écologie qui le justifiera !

La recherche d’une moindre émission de CO2 sur les voiliers serait beaucoup moins chère et beaucoup plus efficace en suivant les pistes suivantes :
  • Utilisation de diesel à injection électronique type « common rail », qui nécessite de l’électricité et un gazole de bonne qualité, donc moins rustique, mais quand même envisageable sur un voilier.
  • « Downsizing » (réduction de cylindrée) des moteurs pour ramener le point de fonctionnement dans   la zone optimum du plan « couple vs. vitesse ».
  • Utilisation d'un inverseur (à créer) ayant 2 rapports en marche avant, dont un « surmultiplié », en fait moins démultipliée, pour la même raison que ci-dessus, pour améliorer le rendement en vitesse de croisière à puissance réduite (plus de couple et moins de tours/min)
  • Recours a des moteurs thermiques à cycle d'Atkinson (taux de détente, et donc rendement, amélioré au détriment de la puissance maximum) 
  • Ne pas croire aux solutions miracles inventées par des bricoleurs, telles que le FDME
  • Mais surtout : naviguer à la voile !





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