Faire le bilan énergétique de son voilier

Ce texte est le deuxième d’une série portant sur les systèmes électriques. Il permet d’évaluer vos besoins électriques et de les comparer avec vos capacités de production. En lisant ce texte, vous serez en mesure d’évaluer votre bilan énergétique. Vous pourrez ainsi déterminer le besoin de changer vos systèmes de production ou s’il est préférable de réviser vos besoins.

J’ai utilisé cet outil de diagnostic pour évaluer les besoins sur Jean-du-Sud. Les besoins de chaque bateau sont bien sûr différents. Ce faisant, la bilan présenté n’a pas beaucoup de sens pour un bateau qui est à quai à chaque soir. Jean-du-Sud a des ambitions hauturières, si bien que la production énergétique à bord doit satisfaire toute sa demande.

Cependant, la méthodologie d’évaluation des besoins qui est présentée ci-dessous permet d’établir vos besoins en fonction de votre contexte. En d’autres termes, la méthode détaillée est beaucoup plus utile que les constats et résultats obtenus pour Jean-du-Sud.

On peut faire un budget électrique sans être électricien

Faire un budget électrique demande de comprendre les concepts de Watt, de Wattheure et d’ampère-heure. Autrement, il est utile de savoir que la plage opérationnelle d’une pile (autre qu’au lithium) est l’intervalle de 50% à 80% de sa charge totale. En d’autres termes, on aimerait que le budget électrique quotidien ne décharge pas les piles à moins de 50%, mais ne demande pas une recharge plus grande que 80%. Pour comprendre, on peut lire le texte « introduction aux piles » au besoin.

La borne supérieure peut varier selon votre style de navigation. Si vous êtes fréquemment en marina, où vous pouvez recharger vos piles pendant la nuit, la borne supérieure de 80% n’a plus beaucoup d’importance (et vous pouvez planifier une plage d’opération des piles entre 50% et 100%). Il en va de même si vous êtes constamment à moteur (!). En mer, pour de longues navigations, il est cependant mieux de planifier avec cette limite de 80%, car les derniers 20% de charge prennent trop de temps pour être compensés par la durée d’exposition au soleil.

Cette approche budgétaire est adaptée d’une publication de Sailboat-Cruising.com (s.d.). Le texte original se concentre sur l’évaluation des besoins. En sus, ce texte complémente l’idée originale en ajoutant une évaluation de la production pour établir un bilan énergétique.

Watt, Wattheure et Ampère-heure

Les appareils électriques détaillent leur puissance en Watt alors que les systèmes de piles ou de production détaillent leurs capacités en Ampère-heure. À titre d’exemple, une antenne Starlink demande en moyenne 50-75 Watts de puissance, mais une pile « ordinaire » affichera sa capacité de stockage en ampère-heure (Clarke, 2023; Canadian Tire, s.d.). Il faut donc être capable de convertir ces unités pour comparer des pommes avec des pommes.

Le Watt est une mesure de puissance (Électricité de France, s.d.). Par exemple, un grille-pain de 100 Watts demande « 100 unités de puissance » pour être en mesure de fonctionner. Les appareils plus puissants demanderont plus de Watt et les appareils moins puissants en demanderont moins. Il n’est vraiment pas nécessaire « d’être un 100 Watts » pour comprendre!

Le Wattheure (Wh) est une unité d’énergie: elle calcule la quantité de Watt requis pour faire fonctionner un appareil pendant une durée (id.). Ainsi, 100 Wh représente l’énergie requise pour faire fonctionner un appareil de 100 Watts pendant une heure (100 x 1 = 100). Alternativement, elle désigne également l’énergie requise pour faire fonctionner un appareil de 50 Watts pendant deux heures (50 x 2 = 100), ou encore un appareil de 25 Watts pendant quatre heures (25 x 4 = 100).

Par exemple, si votre radio VHF demande 25 Watts de puissance lorsque vous émettez un appel radio, et que vous faites à peu près cinq minutes d’appels radios pendant une journée, alors vos besoins d’énergie pour vos appels VHF sont d’à peu près 25 x 5 / 60 ≈ 2.08 Wh par jour. Voilà un premier élément de vos besoins en énergie.

Sur les bateaux, la notion d’énergie est souvent exprimée en termes d’Ampère-heure (Ah). Comme le standard des bateaux nord-américains est de 12 volts, un ampère-heure correspond à un wattheure divisé par 12. En d’autres termes, 1 Ah = 1 Wh / 12.

Construire son bilan

Les trois paragraphes précédents nous donnent trois idées simples pour construire son bilan:

1. Identifier la puissance de nos appareils (sur leurs étiquettes ou leur description en ligne) et évaluer pendant combien de temps on les fait fonctionner pendant une journée. Ça nous donne alors les besoins d’énergie en Wh pour une journée.
2. Convertir ces Wh en Ah en divisant par douze pour obtenir le nombre d’ampère-heure requis pour ces appareils.
3. Faire la somme des besoins en Ah pour la comparer à la somme de la production en Ah.

La démarche d’identification des besoins par appareil est relativement facile à faire avec un tableur (e.g. Excel). Quelques lignes de ce tableur auraient ainsi la forme suivante:

Item	Puissance (W)	Temps (h)	Énergie (Wh)	Énergie (Ah)
Antenne Starlink	75	3	225	18.75
Radio VHF	25	0.08	2	0.17

On remarquera que la dernière colonne n’est rien d’autre que la quatrième colonne divisée par 12. On notera également que la quatrième colonne n’est rien d’autre que le produit de la deuxième par la troisième. Dès qu’on comprend la relation entre Watt, Wattheure et Ampère-heure, la construction du bilan s’exécute très simplement avec un tableur!

L’évaluation du temps n’a pas besoin d’être exacte à la minute près. Une estimation raisonnable suffit pour établir un ordre de grandeur. Ultimement, pour tenir compte de ces estimations et d’autres facteurs impondérables tels que l’énergie perdue dans les circuits, on ajoutera une marge de sécurité de 15% à partir des besoins établis, ne serait-ce que pour être confiant que notre estimation est suffisante en pratique.

Faire l’inventaire

On aura maintenant compris la tâche fastidieuse à faire: il faut faire le tour de l’ensemble des systèmes électriques à bord pour faire un bilan énergétique. Deux conseils pratiques permettent de sauver du temps.

Premièrement, c’est une bonne idée de se concentrer sur les appareils qui consomment beaucoup d’énergie: frigidaire, watermaker, air climatisé, guindeau, radar, ordinateurs personnels, chaîne stéréo, télévision et système de cuisson électrique (…si quoique ce soit dans cette liste est à bord). Ce sont les gros items budgétaires. Ça vaut la peine de faire un bilan réel de ces appareils embarqués en fouillant leurs manuels techniques et en prenant plus de temps à estimer leur temps d’usage. À titre d’exemple, un frigidaire n’est pas constamment en train de refroidir les aliments, mais seulement quand son thermostat détecte une température trop élevée. Il faut faire un peu de recherche!

Deuxièmement, bien des éléments sont identiques à bord et consomment peu d’énergie. Le meilleur exemple est constitué des lampes d’éclairage LED (feux de positions, lampes de cabines, etc.). Ça ne consomme presque rien et il y en a beaucoup. C’est parfaitement acceptable de faire une estimation raisonnable de la puissance pour une lampe et ensuite de compter les lampes à bord. C’est plus simple et l’erreur d’estimation ne fera pas beaucoup de différences sur le bilan total.

Bilans prospectifs

La démarche ci-dessus vous donnera un bon bilan de ce qui est déjà à bord. Cependant, on peut appliquer les mêmes idées si vous voulez estimer l’impact de gadgets additionnels sur votre bilan. Il faut aller voir leurs manuels techniques et estimer combien de temps ils seraient hypothétiquement utilisés. C’est certainement une bonne manière de vérifier si l’ajout de ce gadget demande de plus grosses piles.

En route ou à l’arrêt?

Si vous êtes en navigation, vos besoins ne seront pas les mêmes que si vous êtes à l’ancre. En navigation, le radar et les instruments de bord seront allumés, mais la télévision ne sera peut-être pas autant en demande. Inversement, le feux de mouillage ne sera allumé qu’à l’arrêt… de même qu’un possible air-climatisé. C’est donc une bonne idée d’estimer vos besoins énergétiques selon les deux modes opérationnels de votre bateau, en adaptant la consommation et les besoins selon le mode.

L’évaluation de la production

L’évaluation de la production d’énergie à bord est relativement simple, notamment parce que le sources d’énergie sont limitées: panneaux solaires, alternateurs, éolienne, turbine électrique (selon ce que vous avez d’installé). Il faut ainsi évaluer la capacité de production de chacun des éléments en fonction de leurs manuels techniques. Il convient peut-être de souligner qu’il faut prendre la capacité de production rapportée par les fabricants avec un grain de sel, c’est-à-dire que la capacité de production réelle des éléments sera probablement plus faible en pratique que dans les conditions « idéalisées » que rapportent les fabricants.

C’est particulièrement le cas pour les alternateurs et les panneaux solaires (Pacific Yacht Systems, 2019). À titre d’exemple, un alternateur de 40 ampères présume que le moteur tourne à plein régime et que les fils électriques sont suffisamment froids pour négliger les pertes thermiques. Similairement, un panneau solaire de 200 Watts produira en fonction de l’intensité du soleil (nuages, etc.) et de la durée d’éclairage.

Il n’y a pas de règle ferme, mais c’est mieux de planifier la production de manière conservatrice. J’utilise ici un facteur de 80% de puissance effective pour les panneaux solaires. J’estime également une moyenne de 6 heures de soleil. Ce faisant, un panneau solaire de 200 W peut produire à peu près 960 Wh par jour, ou 80 Ah par jour (200 x 0.8 x 5 / 12 = 80).

Capacité de stockage

L’évaluation de la capacité de stockage est très simple. Il faut évaluer combien de piles sont installées sur votre bateau et ensuite dénombrer les ampère-heures totales associées à ces piles. Il faut alors retenir une plage de 30% de cette capacité, soit la plage de 50% à 80% de la charge totale (avec les nuances détaillées plus haut).

À titre d’exemple, Jean-du-Sud a présentement deux piles acide-plomb de 90 Ah chacune. Comme elles sont connectées en parallèle, les capacités de stockage s’additionnent pour un total de 180 Ah. La capacité de stockage effective de Jean-du-Sud est donc de 54 Ah (0.3 x 180, soit très peu!).

Le va et viens entre énergie et besoin

Une fois que les besoins prospectifs, la capacité de stockage et la capacité de production sont établis, c’est le temps des bilans. Les besoins dépassent-ils la capacité de stockage? Dépassent-ils la capacité de production journalière? Si la réponse est oui à l’une des deux questions, il faut soit augmenter la capacité de stockage, soit augmenter la capacité de production (e.g. faire fonctionner les moteurs plus longtemps, ou charger les piles à quai), soit revoir ses ambitions en terme de gadget électriques. Comme disait l’autre: en as-tu vraiment besoin? Ce processus de va et viens permet de raffiner le bilan et de clarifier quels éléments sont essentiels à l’égard de vos projets.

Le Bilan de Jean-du-Sud

Besoins

Le bilan prospectif de Jean-du-Sud est ici. C’est un document en évolution et il peut constituer un bon point de départ pour reprendre l’analyse sur votre bateau. Le point de départ du bilan de Jean-du-Sud est un besoin à moderniser ses instruments embarqués (notamment une antenne Starlink). J’ai également exploré la possibilité d’utiliser un système de cuisson à induction (Sailing SV Delos, 2019; Sailing Tritea, 2022), mais j’ai opté pour un poêle à l’alcool, notamment pour modérer les besoins électriques. Le bilan total est présenté au tableau plus bas et comprend une marge de 15%.

Pour fins de planification, Jean-du-Sud a besoin de 221 Ah par jour. Sur le plan électrique, c’est un voilier relativement simple. Il n’y a pas de stéréo à bord, pas de watermaker, pas de chauffe-eau, ni de télévision ou autres gadgets du même ordre. Par contre, c’est un bateau avec des ambitions hauturières. Ce faisant, la capacité de se rapprocher de ces besoins en production autosuffisante est cruciale.

Stockage et Production

La capacité de stockage actuelle de Jean-du-Sud est de 54 Ah, soit quatre fois moins que les besoins identifiés. De plus, il est présentement alimenté par deux panneaux solaires de 100 Watts, produisant une moyenne estimée à 80 Ah par jour.

	Bilan en route (Ah/jour)	Bilan à l’ancre (Ah/jour)
Besoins	221	196
Solaire	80	80
Besoins moteur	141	116
Temps moteur (estimé)	1h10	2h00

Analyse

Le bilan actuel suggère un déficit d’énergie important sur la base des systèmes actuels. Il y a certainement encore de l’espace pour raffiner l’estimation de la consommation électrique, mais même une réduction du budget électrique de 50% mènerait encore à un déficit énergétique. Ce premier constat, un ordre de grandeur approximatif, m’a fait explorer l’augmentation de la production solaire de même qu’un éventuel remplacement des piles.

Le constat suggère également de mieux détailler la consommation électrique à bord, notamment pour les systèmes énergivores tels que le compresseur du frigidaire et les ordinateurs de bord. Vu la température, ces travaux devront attendre!

Conclusion

Faire un bilan énergétique sur son bateau se fait très bien avec des notions simples d’électricité, une bonne compréhension de ce qui se trouve à bord et un fichier Excel. On peut ainsi évaluer les besoins en énergie, de même que la capacité de production. La différence entre les deux permet d’identifier le déficit/surplus énergétique.

En fonction des besoins prospectifs établis, Jean-du-Sud a un déficit énergétique et ce, même si ces besoins s’avéraient surestimés de 50%. Les prochaines étapes sont donc de mieux estimer la demande énergétique du bateau, de même que d’évaluer comment augmenter sa production solaire. Ces deux considérations sont l’objet de textes à venir.

Références

Canadian Tire (s.d.). Batterie à double usage MOTOMASTER NAUTILUS de groupe 2, page web récupérée en ligne en décembre 2023 à partir de cette adresse.

Clark N. (2023). How Much Power Does Starlink Use?, texte récupéré en ligne en décembre 2023 à cette adresse.

Électricité de France (s.d.). Volt, watt, ampère : les unités en électricité, texte récupéré en ligne en décembre 2023 à partir de cette adresse.

Pacific Yacht Systems (2019). How To: Marine Electrical Seminar – Alternators, vidéo YouTube récupéré en ligne en décembre 2023 à cette adresse.

Sailboat-cruising.com (s.d.). Boat Electrics: The Demands of the Domestic System, texte récupéré en ligne en décembre 2023 à cette adresse.

Sailing SV Delos (2019). Induction Cooking on A Sailbot: One Year Review, vidéo YouTube récupéré en ligne en décembre 2023 à cette adresse.

Sailing Tritea (2022). New Electric Galley, vidéo YouTube récupéré enligne en décembre 2023 à cette adresse.