Unité SER : Classe énergétique SailSafe pour les voiliers à propulsion électrique
Sail Safe Energy Rating (SER) : une méthode proposée pour évaluer la réserve énergétique des voiliers électriques
La propulsion électrique est de plus en plus présente sur les voiliers, mais l’énergie disponible à bord est encore généralement présentée uniquement à travers la capacité de la batterie, la puissance du moteur et une autonomie théorique.
Ces données sont utiles, mais elles ne répondent pas à l’une des questions les plus importantes qu’un navigateur peut avoir à se poser :
C’est précisément la question à laquelle cherche à répondre le Sail Safe Energy Rating (SER).
Le SER est une méthode de planification énergétique proposée par Baywatt afin d’aider les plaisanciers, constructeurs de bateaux, professionnels du nautisme et autres acteurs du secteur à évaluer la réserve d’énergie réellement disponible pour la propulsion d’un voilier électrique.
- Voilier électrique
- Autonomie énergétique
- Réserve batterie
- Propulsion hybride
- Sécurité en mer
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Pourquoi les voiliers électriques ont besoin d’un indicateur d’autonomie énergétique
Avec un moteur thermique classique, l’autonomie disponible peut généralement être estimée à partir de la quantité de carburant embarquée et de la consommation du moteur.
La propulsion électrique introduit un système énergétique plus complexe. Un voilier peut combiner un parc batteries, des panneaux solaires, de l’hydrogénération, un groupe électrogène, des convertisseurs DC/DC, des chargeurs et de nombreux consommateurs électriques à bord.
La capacité de la batterie seule ne permet donc pas de connaître la véritable réserve de propulsion disponible.
Une batterie de 30 kWh peut sembler importante, mais sa valeur réelle dépend notamment :
- de la puissance de propulsion nécessaire au bateau ;
- de la quantité d’énergie réellement utilisable dans la batterie ;
- des équipements électriques qui doivent rester alimentés ;
- de la production électrique disponible pendant l’utilisation du moteur.
Le SER cherche à réunir ces différents paramètres dans une mesure simple de l’autonomie énergétique disponible pour une puissance de propulsion donnée.
Que mesure le Sail Safe Energy Rating ?
Le SER estime combien de temps un voilier peut maintenir une puissance de propulsion définie tout en continuant à alimenter les équipements électriques qui doivent rester opérationnels.
Le résultat SER est représenté par le symbole Poseidon W.
Ce W Poseidon représente l’unité SER et ne doit pas être confondu avec l’unité électrique watt, également notée W.
Par exemple, une notation de 4,75 W correspond à environ 4 heures et 45 minutes d’autonomie à la puissance de propulsion sélectionnée.
Autonomie maximale et capacité à rejoindre un abri ne sont pas la même chose
Les bateaux électriques sont souvent comparés à partir de leur autonomie maximale. Cette donnée est intéressante, mais autonomie maximale et autonomie de sécurité ne représentent pas la même chose.
Un voilier peut naviguer pendant de nombreuses heures à faible puissance dans une mer calme. Cela peut donner une autonomie théorique très importante.
Une situation d’urgence peut cependant demander beaucoup plus de puissance.
Faible puissance de propulsion, conditions favorables et recherche du meilleur rendement énergétique.
Une puissance continue plus élevée peut être nécessaire pour lutter contre le vent, les vagues, la marée ou un courant défavorable.
Un bateau devant entrer dans un port face à un fort courant, s’éloigner d’une côte sous le vent ou rejoindre rapidement un abri avant une dégradation météo peut nécessiter plusieurs fois sa puissance habituelle de croisière.
Il demande : combien de temps le bateau peut-il maintenir la puissance nécessaire pour progresser réellement vers un lieu sûr ?
Le modèle énergétique du SER
La méthodologie SER actuelle utilise cinq données principales.
Énergie électrique réellement disponible dans le parc batteries, exprimée en kWh.
Puissance considérée comme nécessaire pour maintenir une progression utile vers un abri, exprimée en kW.
VHF, AIS, instruments de navigation, pilote automatique, feux de navigation et autres équipements essentiels.
Réfrigérateur, pompes et autres appareils qui restent alimentés pendant le scénario étudié.
Puissance réellement disponible pendant la situation étudiée, provenant d’un groupe électrogène, de panneaux solaires ou d’une autre source.
Formule du Sail Safe Energy Rating
Demande totale = Puissance de propulsion + Équipements de sécurité + Autres consommations continues
Puissance batterie nette = Demande totale − Production électrique continue
SER = Énergie batterie utilisable ÷ Puissance nette prélevée sur la batterie
Lorsque l’énergie batterie est exprimée en kWh et la puissance nette demandée à la batterie en kW, le résultat obtenu correspond à un nombre d’heures.
Pourquoi la production continue doit être calculée comme une puissance
Une évolution importante par rapport à la première version de la méthodologie SER concerne la manière de prendre en compte la production électrique à bord.
Un groupe électrogène est une source de puissance continue. Un générateur de 2,2 kW n’ajoute donc pas simplement 2,2 kWh une seule fois à la batterie.
S’il fournit continuellement 2,2 kW pendant que le moteur électrique fonctionne, il réduit continuellement la puissance que la batterie doit fournir.
Si le bateau consomme 8,1 kW alors que le générateur fournit 2,2 kW, la batterie doit fournir :
8,1 kW − 2,2 kW = 5,9 kW
Cette différence est particulièrement importante dans le cas d’une propulsion électrique hybride.
Toutes les sources de production électrique ne sont pas aussi fiables
La puissance de production saisie dans le calcul SER doit représenter ce qui peut réellement être disponible pendant la situation étudiée.
Peut fournir une puissance relativement prévisible en continu, tant que le carburant et le refroidissement restent disponibles.
La production dépend de l’ensoleillement, de la météo, de l’ombre et de l’heure de la journée. La nuit, la production solaire est nulle.
La production dépend généralement de la vitesse du bateau et peut fortement diminuer lorsque la propulsion est utilisée.
La puissance nominale d’un groupe électrogène ou d’un chargeur doit également être corrigée si les pertes de conversion réduisent la puissance réellement disponible sur le bus DC de propulsion.
Exemple pratique de calcul SER pour un voilier électrique
Prenons un voilier électrique présentant les caractéristiques suivantes :
- Batterie utilisable : 28 kWh
- Propulsion : 7,4 kW
- Équipements de sécurité : 500 W
- Autres consommations : 200 W
- Générateur : 2,2 kW
7,4 kW + 0,5 kW + 0,2 kW = 8,1 kW
28 kWh ÷ 8,1 kW = 3,46 heures
Soit environ 3 heures et 28 minutes.
Puissance nette demandée à la batterie :
8,1 kW − 2,2 kW = 5,9 kW
Nouvelle autonomie :
28 kWh ÷ 5,9 kW = 4,75 heures
Soit environ 4 heures et 45 minutes.
Dans cet exemple, le générateur augmente l’autonomie disponible à pleine puissance de sécurité d’environ 1 heure et 17 minutes.
Que se passe-t-il lorsque la réserve utilisable de la batterie est épuisée ?
C’est l’une des distinctions les plus importantes introduites par le concept SER.
Atteindre la limite de décharge utilisable de la batterie ne signifie pas nécessairement que toute l’électricité disponible à bord disparaît immédiatement.
Si une production électrique reste disponible, une propulsion réduite peut parfois être maintenue.
Puissance du générateur : 2,2 kW
Équipements de sécurité + autres consommations : 0,7 kW
Puissance potentiellement disponible pour la propulsion :
2,2 kW − 0,7 kW = 1,5 kW
Si l’architecture électrique permet au générateur d’alimenter directement le système de propulsion, le bateau peut donc conserver environ 1,5 kW disponibles pour le moteur.
Mais le scénario de sécurité avait été calculé avec une puissance de 7,4 kW.
Les trois états énergétiques d’un voilier électrique
La batterie et les moyens de production disponibles peuvent fournir la puissance de propulsion considérée comme nécessaire pour progresser vers un lieu sûr tout en alimentant les équipements électriques essentiels.
La propulsion reste disponible, mais à une puissance inférieure au niveau choisi pour le scénario de sécurité.
Le voilier peut encore manœuvrer ou progresser dans des conditions favorables, mais cette puissance ne doit pas automatiquement être considérée comme suffisante face à un vent, des vagues ou un courant défavorables.
La puissance restante peut uniquement suffire à maintenir les systèmes essentiels, comme la communication, les instruments de navigation, l’AIS et l’éclairage, avec peu ou pas de puissance disponible pour la propulsion.
Comment déterminer la capacité batterie réellement utilisable ?
Le calcul SER doit utiliser l’énergie réellement utilisable et non simplement la capacité nominale indiquée sur la batterie.
Un parc batteries annoncé à 30 kWh ne fournit pas nécessairement 30 kWh réellement exploitables.
La capacité utilisable peut notamment être influencée par :
- les limites de décharge imposées par le BMS ;
- la réserve d’état de charge choisie par le propriétaire ;
- le vieillissement et l’état de santé de la batterie ;
- la température ;
- le comportement de la batterie à fort courant ;
- les limites de tension du système ;
- les pertes de conversion électrique.
Si seulement 28 kWh d’un parc batteries nominal de 30 kWh sont réellement disponibles dans le scénario étudié, il faut utiliser 28 kWh dans le calcul.
Comment choisir la puissance de propulsion de sécurité ?
La puissance de propulsion choisie constitue l’une des hypothèses les plus importantes du calcul SER.
Elle ne doit pas nécessairement être égale à la puissance maximale nominale du moteur électrique.
Un moteur de 10 kW peut par exemple propulser un voilier à déplacement à 5,5 nœuds à pleine puissance, alors que 7,5 kW permettent déjà d’atteindre 5 nœuds.
Si les 2,5 kW supplémentaires augmentent très peu la vitesse du bateau, 7,5 kW peuvent représenter une puissance continue de sécurité plus rationnelle pour ce voilier.
Idéalement, cette puissance devrait être déterminée à partir de véritables essais en mer réalisés à différents niveaux de puissance moteur.
Quels équipements inclure dans la consommation de sécurité ?
- VHF
- AIS
- GPS
- Traceur
- Pilote automatique
- Feux de navigation
Les autres consommations continues peuvent comprendre le réfrigérateur, les pompes et les équipements qui ne peuvent raisonnablement pas être coupés pendant le scénario étudié.
Les équipements puissants utilisés pendant une courte durée, comme un guindeau ou un propulseur d’étrave, sont moins bien représentés par un simple modèle de puissance continue et doivent être étudiés séparément lors de l’évaluation de la réserve énergétique.
L’échelle de sécurité énergétique SER
L’échelle SER propose un cadre simple permettant de comparer différents niveaux d’autonomie de propulsion électrique.
| Notation SER | Interprétation de l’autonomie énergétique |
|---|---|
| Moins de 1 W | Très dangereux — Moins d’une heure d’autonomie à la puissance de sécurité laisse très peu de réserve, notamment pour les manœuvres portuaires avec vent, marée ou courant défavorables. |
| 1 à 3 W | Dangereux — Marge limitée pour rejoindre un port ou un abri proche en cas d’urgence. |
| 3 à 6 W | Bon pour la journée — Réserve plus confortable pour une navigation à la journée et pour faire face à une période de propulsion imprévue. |
| 6 à 9 W | Risque acceptable — Adapté à la navigation côtière lorsque des ports ou abris sûrs restent raisonnablement accessibles. |
| 9 à 12 W | Adapté à la croisière côtière — Autonomie énergétique importante lorsque des abris sûrs restent régulièrement accessibles. |
| 12 à 16 W | Acceptable pour un week-end — Réserve plus importante pour de courtes croisières, des nuits à bord et des périodes prolongées de propulsion. |
| 16 à 20 W | Longue capacité de propulsion — Grande flexibilité lorsque le moteur électrique doit fonctionner pendant plusieurs heures. |
| 20 à 24 W | Bonne capacité à respecter un programme — Forte autonomie de propulsion pour les passages où une motorisation prolongée peut être nécessaire. |
| Plus de 24 W | Idéal pour les longues croisières — Très grande autonomie énergétique et forte flexibilité opérationnelle. |
Ces catégories constituent une aide à la planification. Elles ne sont pas des classifications réglementaires de sécurité. La signification d’une valeur SER dépend fortement du bateau, de sa zone de navigation et des conditions rencontrées.
Une même notation SER peut avoir une signification différente selon la zone de navigation
Trois heures de réserve de propulsion peuvent être suffisantes dans une petite zone côtière disposant de plusieurs ports et mouillages sûrs à proximité.
La même réserve peut être insuffisante au large, le long d’une côte sous le vent, dans une zone de forts courants de marée ou lorsqu’un abri sûr se trouve à plusieurs heures de navigation.
Ce que le SER ne calcule pas
Le SER est volontairement un indicateur énergétique simple.
Il ne permet pas de déterminer si un bateau particulier peut physiquement surmonter une tempête, un courant ou un état de mer donné.
La capacité réelle à rejoindre un lieu sûr peut notamment dépendre de :
- la force et la direction du vent ;
- la hauteur et la période des vagues ;
- les courants de marée et courants océaniques ;
- le déplacement et le chargement du bateau ;
- le fardage ;
- la résistance de la coque et son encrassement ;
- le rendement de l’hélice ;
- les limites thermiques du moteur et du contrôleur ;
- les limites de courant du BMS ;
- l’état et la température de la batterie ;
- les pertes de conversion ;
- la fiabilité du générateur ;
- la production réelle des énergies renouvelables ;
- la distance jusqu’à un port ou un abri sûr.
Le SER mesure l’énergie disponible pour une puissance de propulsion supposée. Il ne garantit ni la navigabilité du bateau, ni sa capacité à sortir d’une situation maritime particulière.
Le SER est une méthode proposée, pas une norme réglementaire
Il ne s’agit pas d’une norme IMO, ISO, d’une société de classification ou d’une réglementation nationale.
L’objectif du SER est d’ouvrir la discussion autour d’une question qui devient de plus en plus importante avec l’électrification de la propulsion marine :
Comment présenter simplement la réserve d’énergie disponible pour la propulsion d’urgence d’un bateau électrique ?
La puissance du moteur seule ne permet pas de répondre à cette question.
La capacité de la batterie seule non plus.
C’est la relation entre puissance de propulsion nécessaire, énergie réellement utilisable, consommation des équipements essentiels et production électrique continue qui détermine combien de temps une navigation motorisée réellement utile peut continuer.
Pourquoi un indicateur commun d’autonomie énergétique pourrait être utile
Une réponse simple à la question : si une propulsion soutenue devient nécessaire, combien d’heures sont réellement disponibles ?
Une relation plus transparente entre énergie batterie installée, puissance moteur et autonomie réelle de propulsion.
Une référence supplémentaire pour discuter de réserve énergétique et de capacité de propulsion.
Une contribution possible à la réflexion plus large sur la réserve énergétique de propulsion d’urgence à mesure que les bateaux électriques deviennent plus nombreux.
SER et propulsion électrique hybride
Le SER permet également de comprendre pourquoi un système hybride peut se comporter très différemment d’un bateau alimenté uniquement par batterie.
La batterie continue à se décharger, mais plus lentement.
L’état de charge de la batterie peut théoriquement rester approximativement stable tant que ces conditions persistent.
Un surplus de puissance peut être disponible pour recharger la batterie, sous réserve des limites de l’architecture électrique et des convertisseurs.
Le paramètre essentiel est donc la puissance nette réellement prélevée sur la batterie.
SER et moteurs hors-bord électriques
Le même principe d’autonomie énergétique s’applique que le bateau utilise un moteur électrique inboard ou un moteur hors-bord électrique.
La puissance moteur doit toujours être considérée avec la capacité batterie réellement utilisable et le profil réel d’utilisation du bateau.
Moteur hors-bord électrique de 1,5 kW adapté aux bateaux légers et voiliers nécessitant une puissance de propulsion modérée.
Moteur hors-bord électrique de 3 kW offrant davantage de puissance pour les bateaux plus lourds ou les conditions plus exigeantes.
Le système de propulsion approprié dépend notamment de la résistance de la coque, du déplacement, de la vitesse recherchée et des conditions de navigation. Le SER permet ensuite d’évaluer la réserve énergétique disponible à la puissance de propulsion sélectionnée.
Calculez votre Sail Safe Energy Rating
Le calculateur SER Baywatt applique automatiquement le modèle de production électrique continue.
- Notation SER
- Autonomie de sécurité
- Consommation totale
- Puissance nette batterie
- Propulsion après batterie
Indiquez la capacité batterie réellement utilisable, la puissance de propulsion nécessaire, les consommations essentielles et la production électrique continue disponible.
Une proposition ouverte
Le SER ne doit pas être considéré comme la réponse définitive à la sécurité des bateaux électriques.
Il s’agit volontairement d’un modèle simple, conçu pour rendre plus facile à comprendre et à comparer un aspect essentiel de la propulsion électrique :
La méthodologie pourra évoluer à mesure que l’expérience pratique des voiliers électriques et hybrides progressera.
Les retours des plaisanciers, constructeurs, architectes navals, ingénieurs électriciens, experts maritimes, assureurs, sociétés de classification et autorités maritimes sont donc les bienvenus.
Si une meilleure méthode commune apparaît, l’objectif restera identique : rendre la réserve énergétique des bateaux électriques plus facile à comprendre avant d’avoir besoin de cette réserve en mer.
