Navire de plaisance du futur – "RELAX" BOAT
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Navire de plaisance du futur – "RELAX" BOAT
24/05/2013 ATMA Navire de plaisance du futur – "RELAX" BOAT Ivan JANEAU – Arnaud LAVE Etudiants en Architecture Navale et Ingénierie Offshore ENSTA Bretagne ABSTRACT The ATMA, which is a non-profit professional organization dedicated to advancing sciences and techniques, organizes a student challenge around the theme « Pleasure Crafts of the Future ». The aim is to design an innovative ship. This report details the "RELAX Boat" concept, which means "Renewable Energy to Live Autonomous eXplorations". This ship is a trimaran built in aluminium which enables long sailing travels with a maximum comfort for a family of 4. The energy mostly comes from a set of solar panels and a vertical-axis wind turbine. To carry out the initial design of this ship, we followed the typical steps of the ship-loop method, as developed in this report. RESUME L’Association Technique Maritime et Aéronautique (ATMA), une association française à vocation professionnelle, organise cette année un concours intitulé « Navire de plaisance du futur » permettant à des étudiants d’imaginer et de concevoir un projet de navire innovant. Le présent rapport développe le concept « RELAX Boat », qui est l’acronyme de « Renewable Energy to Live Autonomous eXplorations ». Ce navire est un trimaran en aluminium permettant de longues navigations en tout confort pour une famille de 4 personnes, qui puise une partie de son énergie grâce à des panneaux solaires et une éolienne à axe vertical. La conception en phase d’avant-projet y est détaillée, en suivant les différentes étapes de la boucle navire. 2 Concours ATMA "Navire de plaisance du futur" - The "RELAX" Boat - Ivan JANEAU, Arnaud LAVE Sommaire ABSTRACT ................................................................................................................................................ 2 RESUME ................................................................................................................................................... 2 INTRODUCTION ....................................................................................................................................... 5 I. PRESENTATION DU PROJET ............................................................................................................. 6 a. Le concept ................................................................................................................................... 6 b. Vues générales ............................................................................................................................ 7 c. Caractéristiques ........................................................................................................................... 8 d. Plans de formes ........................................................................................................................... 9 II. CONCEPTION.................................................................................................................................. 11 a. Analyse de l’existant .................................................................................................................. 11 b. Boucle Navire ............................................................................................................................ 13 c. Réglementation ......................................................................................................................... 14 III. STRUCTURE .................................................................................................................................... 15 a. Structure générale ..................................................................................................................... 15 b. Midship section ......................................................................................................................... 16 c. Dimensionnement ..................................................................................................................... 17 IV. LE DEVIS DE MASSE........................................................................................................................ 18 a. Masse de la structure ................................................................................................................ 18 b. Masse des équipements ............................................................................................................ 18 c. Cas de chargement .................................................................................................................... 18 V. STABILITE ....................................................................................................................................... 19 a. Compartimentage ..................................................................................................................... 19 b. Stabilité à l’état intact ............................................................................................................... 19 VI. PROPULSION .................................................................................................................................. 22 a. Résistance à l’avancement ........................................................................................................ 22 b. Hélice ......................................................................................................................................... 25 c. Moteur électrique de propulsion .............................................................................................. 26 d. Moteur de secours .................................................................................................................... 28 e. Safran......................................................................................................................................... 29 VII. GESTION DE L’ENERGIE .................................................................................................................. 30 a. Architecture électrique ............................................................................................................. 30 b. Panneaux solaires ...................................................................................................................... 31 c. Eolienne ..................................................................................................................................... 32 3 Concours ATMA "Navire de plaisance du futur" - The "RELAX" Boat - Ivan JANEAU, Arnaud LAVE d. Batteries .................................................................................................................................... 34 e. Groupe électrogène................................................................................................................... 34 f. Bilan énergétique ...................................................................................................................... 35 VIII. ANALYSE ECONOMIQUE ET CYCLE DE VIE ..................................................................................... 36 a. Coût et délai d’acquisition ......................................................................................................... 36 b. Coût d’utilisation ....................................................................................................................... 36 c. Comparaison avec bateau identique 100% diesel .................................................................... 37 d. Rentabilité projet....................................................................................................................... 37 e. Cycle de vie ................................................................................................................................ 37 IX. UTILISATION................................................................................................................................... 39 f. Confort, au centre du design ..................................................................................................... 39 g. Maintenance.............................................................................................................................. 50 h. Sécurité ...................................................................................................................................... 52 CONCLUSION ET PERSPECTIVES ............................................................................................................ 53 BIBLIOGRAPHIE ...................................................................................................................................... 54 LISTE DES FIGURES................................................................................................................................. 56 LISTE DES TABLEAUX ............................................................................................................................. 58 ANNEXE 1 : VUES 3D .............................................................................................................................. 59 4 Concours ATMA "Navire de plaisance du futur" - The "RELAX" Boat - Ivan JANEAU, Arnaud LAVE INTRODUCTION L’Association Technique Maritime et Aéronautique (ATMA) est une association française à vocation professionnelle, qui vise à encourager le développement des sciences dans les domaines de l’architecture navale, de l'ingénierie et des industries maritimes et aéronautiques. Dans cette optique, l’ATMA organise actuellement une compétition étudiante intitulée « Navire de plaisance du futur ». Le concours consiste à développer un concept innovant tel que : Bateau à moteur ou voilier Navire utilisant les énergies renouvelables Sous-marins Navires semi-submersibles Etc… Le projet prendra comme hypothèse des avancées technologiques disponibles à court-terme (< 5 ans), moyen-terme (< 10 ans) ou long-terme (< 15 ans). Le navire devra avoir une longueur inférieure à 20 mètres et un déplacement inférieur à 20 tonnes. Le règlement complet du concours est disponible sur le site internet de l’ATMA : http://www.atma.asso.fr/FR/evenement.php?event=2 Le présent rapport fournit les méthodes employées et les détails techniques du navire que nous avons conçu, afin de compléter la présentation PowerPoint de 10 slides destinée au jury. 5 Concours ATMA "Navire de plaisance du futur" - The "RELAX" Boat - Ivan JANEAU, Arnaud LAVE I. PRESENTATION DU PROJET a. Le concept Notre projet de navire s’intitule « RELAX Boat », qui est l’acronyme de « Renewable Energy to Live Autonomous eXplorations ». RELAX Boat est un navire de plaisance s’adressant aux personnes qui souhaitent effectuer des voyages de longue durée, telle une transatlantique ou un tour du monde, avec un maximum de confort. Les conditions de vie à bord sont au centre du concept, puisque RELAX Boat offre une grande habitabilité et une visibilité optimale sur l’extérieur, il a été conçu pour 4 personnes, notamment une famille de deux enfants et deux parents. Ce navire est tout particulièrement destiné à ceux qui désirent effectuer une « pause » dans un monde où les transports et l’information circulent toujours plus vite, afin de prendre son temps et d’explorer îles et contrées lointaines à son rythme. Cette fracture avec la vie quotidienne stressante permet d’envisager une autre forme de plaisance, sur la longueur, au rythme de l’environnement, relax. L’accent est mis sur les économies d’énergie et le développement durable. Afin d’assurer une autonomie maximum et de limiter les émissions polluantes, RELAX Boat possède un système de propulsion électrique innovant obtenant une partie de son énergie grâce à des panneaux solaires et une éolienne à axe vertical. Ainsi les utilisateurs peuvent vivre une expérience 100% énergétiquement autonome s’ils prennent le temps de vivre d’une nouvelle manière au rythme naturel de l’énergie disponible. 6 Concours ATMA "Navire de plaisance du futur" - The "RELAX" Boat - Ivan JANEAU, Arnaud LAVE b. Vues générales Figure 1 : Vue de face Figure 2 : Vue trois-quarts arrière 7 Concours ATMA "Navire de plaisance du futur" - The "RELAX" Boat - Ivan JANEAU, Arnaud LAVE c. Caractéristiques Le RELAX Boat est un trimaran en aluminium dont les caractéristiques principales sont présentées dans le Tableau 1 ci-dessous : Grandeurs caractéristiques Longueur hors tout 16.75 mètres Longueur entre perpendiculaires 15.83 mètres Largeur hors tout 6.72 mètres Largeur à la flottaison (coque centrale) 2.88 mètres Tirant d'eau 1.00 mètres Déplacement lège 18.0 tonnes Vitesse et autonomie Coefficient de bloc (coque centrale) 0.365 Vitesse de croisière Vitesse maximum Autonomie gasoil (à 6 nœuds) 1 6 nœuds 10 nœuds > 1200 milles Habitabilité Surface habitable 80 Passagers 4 Chambres 2 m² Tableau 1 : Caractéristiques principales du navire Les informations détaillées seront fournies dans la suite de ce rapport. Par ailleurs, d’autres vues 3D sont présentées en ANNEXE 1 : VUES 3D. 1 Selon conditions météorologiques et profil de navigation – Voir GESTION DE L’ENERGIE 8 Concours ATMA "Navire de plaisance du futur" - The "RELAX" Boat - Ivan JANEAU, Arnaud LAVE d. Plans de formes Plan de formes – Coque centrale Vue Longitudinale PPAR 1D 2D 3D 4D 5D 6D 7D 8D 9D 10D 11D 12D 13D 14D 15D PPAV 10D 11D 12D 13D 14D 15D PPAV Vue Horizontale PPAR 1D 2D 3D 4D 5D 6D 7D 8D 9D Vue Verticale (Echelle x1.5) Figure 3 : Plan de formes de la coque centrale 9 Concours ATMA "Navire de plaisance du futur" - The "RELAX" Boat - Ivan JANEAU, Arnaud LAVE Plan de formes – Coque avec flotteurs Vue Longitudinale Vue Horizontale Vue Verticale (Echelle x1.5) Figure 4 : Plan de formes avec les flotteurs 10 Concours ATMA "Navire de plaisance du futur" - The "RELAX" Boat - Ivan JANEAU, Arnaud LAVE II. CONCEPTION a. Analyse de l’existant Cette section présente une liste non exhaustive de navires utilisant des énergies renouvelables, hors navires à voile. Navire solaire « Tûranor PlanetSolar » Ce catamaran de 31m de long a effectué un tour du monde très médiatisé en utilisant uniquement l’énergie solaire. Il possède un vaste pont plat recevant 537m² de panneaux solaires, et des batteries permettant de stocker l’excès d’énergie le jour afin de garantir la propulsion la nuit. Sa structure légère en fibres de carbone lui permet d’atteindre une vitesse moyenne de 7.5 nœuds pour un déplacement de 95 tonnes. [1] Figure 5 : Catamaran solaire "Tûranor" PlanetSolar Ce concept de haute-technologie est très innovant, mais privilégie la performance à l’habitabilité et au confort. Solar Odyssey Le trimaran fait 12m de long, avec 110m² de panneaux solaires et un moteur de 15kw avec lequel il peut atteindre 18 nœuds mais préférant une vitesse de croisière à 8 nœuds. Figure 6 : Solar Odyssey 11 Concours ATMA "Navire de plaisance du futur" - The "RELAX" Boat - Ivan JANEAU, Arnaud LAVE Encore une fois un projet innovant, alliant légèreté et optimisation de carène d’un voilier pour créer un bateau 100% autonome. Cependant c’est encore un bateau peu confortable pour l’habitation. Production électrique auxiliaire Les navires utilisant exclusivement la force du vent pour se mouvoir sont tous des voiliers, mais une voile présente l’inconvénient de ne pas pouvoir stocker d’énergie. Or, il n’existe pas à l’heure actuelle de navires utilisant exclusivement une éolienne comme source d’énergie principale. En revanche, les éoliennes sont largement répandues sur les voiliers pour la production d’électricité. Elles sont également présentes sur de plus gros navires à titre d’expérimentation, afin de réduire la consommation de carburant des groupes électrogènes. Figure 7 : Eoliennes à axe vertical sur un ferry Stena Line (2 x 4kW) [21] Voiles solaires Une technologie en développement consiste à implanter sur une voile classique des cellules photovoltaïques, afin de capter à la fois l’énergie du soleil et du vent. Les panneaux solaires souples n’étant pas encore suffisamment aboutis, les concepts existants utilisent des panneaux rigides en guise de voile. Ainsi, l’efficacité demeure limitée du fait de la difficulté à orienter la voile à la fois vers le soleil et en direction du vent. Des concepts de navires (ferry ou navire de charge) utilisant cette technologie existent, comme illustré par la Figure 8 [2] [3] Figure 8 : Navires à voiles solaires rigides 12 Concours ATMA "Navire de plaisance du futur" - The "RELAX" Boat - Ivan JANEAU, Arnaud LAVE b. Boucle Navire Devis de poids Cahier des charges Structure Dimensions générales Orca 3D Excel Excel Mars 2000 Fiches de calcul Excel Equipement Coque Hélices NavCad Devis de poids Motorisation Orca 3D Hydrostatique Rhinocéros Agencement Résistance à l’avancement NavCad Figure 9 : Schéma de la Boucle Navire Notre démarche de conception s’est déroulée selon le principe classique de la Boucle Navire. A partir du cahier des charges que nous nous sommes fixés, nous avons déterminé le type de navire (trimaran) et les dimensions générales, avant de créer un premier dessin de carène sous Rhinoceros avec le plugin Orca3D. La forme de la carène et son déplacement nous permet alors d’estimer la résistance à l’avancement, et donc la puissance propulsive nécessaire, à l’aide du logiciel NavCad. En parallèle de la progression de l’agencement (entièrement réalisé en 3D sur Rhino), le devis de poids est mis à jour sur Excel afin de déterminer notamment la position du centre de gravité. Nous avons vérifié le dimensionnement de la structure à la midship-section grâce au logiciel du Bureau Veritas MARS 2000, et adapté le devis de poids en conséquence. Connaissant la hauteur du centre de gravité, il devient alors possible d’effectuer les calculs de stabilité réglementaires à l’aide d’Orca3D et d’Excel. Ainsi, lorsque la stabilité se révèle insuffisante, le dessin de la carène et des flotteurs est modifié en conséquence est la boucle de conception est parcourue une nouvelle fois, jusqu’à obtenir le design final de l’avant-projet. 13 Concours ATMA "Navire de plaisance du futur" - The "RELAX" Boat - Ivan JANEAU, Arnaud LAVE c. Réglementation Notre navire a une longueur hors tout de 16.8m, embarque 4 passagers et sa jauge brute est de 60 tonneaux environ. Il s’agit d’un navire de plaisance [4]. Par conséquence, les réglementations concernant les navires à passagers (≥ 12 personnes) et les navires de charge ne sont pas applicables. La réglementation internationale applicable est : SOLAS – Parties applicables à tous les navires. En particulier, le chapitre II-1-B (Compartimentage et stabilité) ne s’applique pas. MARPOL – Annexes V (pollution par les ordures) et VI (pollution de l’atmosphère). Il est à noter que l’annexe IV (pollution par les eaux usées des navires) ne s’applique pas car la jauge est inférieure à 200 tonneaux. La réglementation française applicable pour la sécurité et pour les équipements est éditée par les Affaires Maritimes. Le règlement applicable dans notre cas est : Affaires Maritimes – Division 240 – Navires de plaisance à usage personnel et de formation de longueur de coque inférieure à 24m [5] Par ailleurs, en prévision d’une démarche ultérieure de certification, nous appliquerons les règles contenues dans la réglementation du Bureau Veritas : Bureau Veritas – NR500 – Rules for the Classification and the Certification of Yachts [6] ainsi que les différentes réglementations Bureau Veritas qui en découlent. On retiendra en particulier : Bureau Veritas – NR561 Hull in Aluminium Alloys - Design Principles, Construction and Survey [7] 14 Concours ATMA "Navire de plaisance du futur" - The "RELAX" Boat - Ivan JANEAU, Arnaud LAVE III. STRUCTURE a. Structure générale Au regard de la taille et de la configuration du navire (trimaran), nous avons décidé de réaliser l’intégralité de la structure en aluminium. En effet, la construction en aluminium permet d’obtenir une coque à la fois très solide et légère, et ne nécessite pas la fabrication de moule comme pour une coque en composite. Grâce à ses qualités de résistance exceptionnelle, une coque en aluminium encaisse beaucoup mieux les chocs qu’une coque en polyester par exemple. Un bateau en aluminium est donc plus sécurisant, et particulièrement adapté à la navigation en haute mer. L’aluminium offre aussi l’avantage d’une longévité inégalée. Peu d’entretien est nécessaire et la structure ne se détériore pas au fil des années. Un bateau en aluminium n’a pas de limite de durée de vie. Autre atout majeur, l’aluminium résiste remarquablement bien à la corrosion. [8] Les structures primaire et secondaire ont été dessinées sous le logiciel Rhino, tel que représenté dans la Figure 10 : Vue 3D de la structure. Les couples sont espacés d’1 mètre. Figure 10 : Vue 3D de la structure Certains couples se prolongent jusqu’au niveau du toit, qui possède lui-même un important nombre de raidisseurs longitudinaux (Figure 11). Par ailleurs, un renforcement au niveau du mât de l’éolienne permet de transmettre les efforts dus à celle-ci. Des renforts sont également disposés autour de chaque fenêtre, mais non représentés sur la Figure 11. 15 Concours ATMA "Navire de plaisance du futur" - The "RELAX" Boat - Ivan JANEAU, Arnaud LAVE Figure 11 : Construction des superstructures b. Midship section La midship-section a été dessinée avec le logiciel de structure du Bureau Veritas, MARS 2000. L’épaisseur de la tôle d’aluminium utilisée ainsi que les raidisseurs longitudinaux (profilés standard de type méplats à boudins) sont définis dans la Figure 12. L’espacement des raidisseurs le long de la coque est de 400 mm, et de 250 mm sous le pont principal. Les superstructures sont supposées ne pas participer à la résistance globale de la poutre navire, elles ne figurent donc pas sur la midship section. Figure 12 : Midship section (épaisseur des tôles et raidisseurs longitudinaux) 16 Concours ATMA "Navire de plaisance du futur" - The "RELAX" Boat - Ivan JANEAU, Arnaud LAVE c. Dimensionnement Notre conception se situant au stade d’avant-projet, nous limitons le dimensionnement de la structure aux vérifications réglementaires à l’aide du logiciel MARS 2000. Les résultats du calcul de résistance locale de la tôle et des raidisseurs sont présentés Figure 13. Nous utilisons le règlement Yatch du logiciel. Figure 13 : Résistance de la structure sous MARS 2000 La structure à la midship section paraît bien dimensionnée. Cependant, pour une phase ultérieure de la conception et pour la classification, il est indispensable de définir les cas de chargement selon la réglementation (BV NR500) et de mener une étude poussée par éléments finis, afin de renforcer la structure au niveau des concentrations de contraintes. Une attention particulière devra être portée à la jonction entre les flotteurs et la coque centrale, ainsi qu’à la fixation du mât de l’éolienne. En effet, l’éolienne, par son mouvement de rotation, produit des chargements cycliques qui sont d’importantes sources de fatigue. 17 Concours ATMA "Navire de plaisance du futur" - The "RELAX" Boat - Ivan JANEAU, Arnaud LAVE IV. LE DEVIS DE MASSE a. Masse de la structure Pour la masse de la structure, nous ne pouvons pas utiliser la valeur indiquée par le logiciel MARS 2000. En effet, l’extrapolation à partir de la midship-section à notre navire n’est pas pertinente, en particulier à cause de la présence de flotteurs. Nous avons donc entièrement modélisé la structure sous le logiciel Rhino en représentant : La quille et les couples Les raidisseurs longitudinaux Les tôles de bordé Les ponts et leur raidissage Les superstructures Des marges sont prises dans le devis de masse pour tenir compte des renforts locaux (non modélisés sous Rhino) et des cordons de soudure. b. Masse des équipements Notre approche concernant l’établissement du devis de masse pour les équipements est résumée comme suit : Les équipements majeurs, tels que le moteur de propulsion, le groupe électrogène, la masse des batteries, ou le volume des différentes cuves sont dimensionnés dans les sections suivantes du présent rapport afin de respecter le cahier des charges. Les équipements non dimensionnant mais de masse importante sont également calculés entièrement. Par exemple, la masse des ancres et la longueur des lignes de mouillage sont dimensionnées selon les critères du règlement BV [6] Les autres équipements plus petits sont dimensionnés par comparaison avec d’autres navires de longueur et de déplacement équivalents. c. Cas de chargement Les différents cas de chargement sont présentés dans le Tableau 2. A noter que l’on considère la caisse à eau douce toujours pleine, même dans le cas de chargement à 10%, du fait de la présence d’un osmoseur. Lorsque le navire est chargé, le centre de gravité se situe plus bas car la caisse à gasoil et les caisses à eaux grise/noire sont situées dans les fonds. Masse (t) D/0H (m) D/PPAR (m) D/AXE (m) Déplacement lège 18.0 2.44 7.09 0.00 100% consommables 19.5 2.33 7.35 0.01 10% consommables 18.2 2.41 7.10 0.00 Tableau 2 : Cas de chargement 18 Concours ATMA "Navire de plaisance du futur" - The "RELAX" Boat - Ivan JANEAU, Arnaud LAVE V. STABILITE a. Compartimentage D’après le règlement Bureau Veritas [6], les navires de moins de 24m ne sont pas tenus de respecter les critères de stabilité après avarie définis par la SOLAS. Cependant, pour les navires de plus de 15m, le navire doit comporter au moins les cloisons étanches suivantes : Cloison de collision, située à l’avant entre 5% et 8% de la longueur à la flottaison. Séparation entre les machines et la zone habitée Notre navire possède davantage de cloisons. Son compartimentage est donné par la Figure 14 ci-dessous : Figure 14 : Cloisons étanches Il est important de noter que les flotteurs sont remplis de mousse, un envahissement d’eau n’est donc pas possible. Ils offrent ainsi une réserve de flottabilité de 9.6 m3 chacun. L’ajout volontaire de compartiments est un choix particulier. Avoir plus de compartiments permet une sécurité accrue face à l’envahissement. Ainsi que d’avoir un plancher horizontal. Avec des composants plus nombreux qu’en pur diesel, le risque d’incendie est plus élevé, en compartimentant plus, on sécurise le bateau. b. Stabilité à l’état intact Les critères de stabilité à l’état intact sont définis dans le règlement BV [6] page 87. Les superstructures possèdent de larges ouvertures vitrées. Bien qu’étanches, elles ne peuvent pas être prises en compte dans les volumes utilisés lors du calcul de stabilité. Ainsi, les volumes géométriques considérés pour le calcul sont définis Figure 15. Figure 15 : Volumes pour le calcul de stabilité 19 Concours ATMA "Navire de plaisance du futur" - The "RELAX" Boat - Ivan JANEAU, Arnaud LAVE Le plugin Orca3D effectue alors un découpage par section, puis des calculs hydrostatiques afin de retourner la courbe des bras de levier de redressement. Un tableau Excel permet alors de vérifier les critères réglementaires. Les critères de stabilité pour les cas de chargement à 10% et à 100% sont vérifiés ci-dessous. Cas de chargement à 10% Critère Valeur GM0 (m) Aire de 0 à 30° (m.rad) Aire de 0 à 40° (m.rad) Aire de 30° à 40° (m.rad) GZ après 30° (m) Angle de GZ maxi (°) Limite 1.47 0.1265 0.2208 0.0943 0.5586 35 Marge 0.15 0.055 0.09 0.03 0.2 30 880% 130% 145% 214% 179% 17% Tableau 3 : Critères de stabilité (cas de chargement 10%) 0.6 0.5 Bras de levier (m) 0.4 0.3 0.2 0.1 0 0 10 20 30 40 50 60 -0.1 -0.2 Angle de roulis (°) Figure 16 : Courbe de stabilité (cas de chargement 10%) 20 Concours ATMA "Navire de plaisance du futur" - The "RELAX" Boat - Ivan JANEAU, Arnaud LAVE Cas de chargement à 100% Critère Valeur GM0 (m) Aire de 0 à 30° (m.rad) Aire de 0 à 40° (m.rad) Aire de 30° à 40° (m.rad) GZ après 30° (m) Angle de GZ maxi (°) Limite 1.57 0.1396 0.2440 0.1044 0.6181 36 Marge 0.15 0.055 0.09 0.03 0.2 30 947% 154% 171% 248% 209% 20% Tableau 4 : Critères de stabilité (cas de chargement 100%) 0.7 0.6 Bras de levier (m) 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 0 10 20 30 40 50 60 Angle de roulis (°) Figure 17 : Courbe de stabilité (cas de chargement 100%) Les critères de stabilité à l’état intact sont donc respectés avec des marges raisonnables, malgré un centre de gravité situé relativement haut (voir Cas de chargement). Cela est possible grâce à l’ajout de flotteurs latéraux (trimaran). 21 Concours ATMA "Navire de plaisance du futur" - The "RELAX" Boat - Ivan JANEAU, Arnaud LAVE VI. PROPULSION a. Résistance à l’avancement Pour notre avant-projet, nous utilisons le logiciel NavCad afin d’estimer la résistance à l’avancement à partir de la carène créée sur Rhino avec Orca3D. Comme le navire est un trimaran, il est impossible d’utiliser directement NavCad (seuls les monocoques et les catamarans sont pris en compte). La démarche adoptée est alors la suivante : Estimation de la résistance à l’avancement de la coque centrale seule RC Estimation de la résistance à l’avancement d’un flotteur seul RF Estimation de la résistance totale RT = RC + 2.RF Cette démarche suppose que les interactions entre la coque et les flotteurs sont négligeables. Résistance à l’avancement de la coque centrale Les données issues de Orca3D permettent à NavCad de déterminer les méthodes les plus pertinentes. D’après la Figure 18, trois méthodes donnent de très bons résultats (Oortmerssen, CRTS et HSTS). Une comparaison montre que ces méthodes donnent des résultats très proches. Nous choisissons pour la suite la méthode d’interpolation d’Oortmerssen, considérée comme étant la meilleure par NavCad. Figure 18 : Méthodes d'interpolation sous NavCad (Coque centrale) Nous ajoutons une marge de 5% afin de prendre en compte la traînée des appendices (safran, ligne d’arbre et chaise de ligne d’arbre). L’évolution de la résistance à l’avancement avec la vitesse est donnée en Figure 19. A titre indicatif, la résistance à 6 nœuds (vitesse de croisière) est de 780 N, soit 2.5 kW. 22 Concours ATMA "Navire de plaisance du futur" - The "RELAX" Boat - Ivan JANEAU, Arnaud LAVE Résistance à l’avancement d’un flotteur Figure 19 : Résistance à l'avancement (Coque centrale seule) D’après la Figure 20, l’interpolation pour un flotteur donne des résultats nettement plus pauvres. La méthode Simple displ/semi, considérée comme la plus pertinente par NavCad, est finalement choisie. Cette méthode relativement basique utilise seulement 3 paramètres d’interpolation, elle offre donc moins de risques de retourner des résultats aberrants comparativement à une méthode plus élaborée. Figure 20 : Méthodes d'interpolation sous NavCad (Flotteur) Figure 21 : Résistance à l'avancement (Flotteur seul) 23 Concours ATMA "Navire de plaisance du futur" - The "RELAX" Boat - Ivan JANEAU, Arnaud LAVE Résistance totale Comme détaillé précédemment, la résistance à l’avancement totale est calculée en sommant la résistance de la coque et des flotteurs. Résultat prévisible, la résistance des flotteurs est faible devant celle de la coque centrale. Une marge de conception de 10% est prise afin notamment de tenir compte des résistances additionnelles dues aux vagues sur l’étrave (état de mer 2-3), bien que celle-ci soit très effilée. La Figure 22 illustre la résistance à l’avancement totale du navire. Nous retiendrons la résistance à l’avancement totale pour les vitesses suivantes : Vitesse (nœuds) 5 6 8 10 Résistance (kW) 2.06 3.47 11.4 54.0 Observation Vitesse économique Vitesse de croisière Vitesse rapide Vitesse maxi Tableau 5 : Résistance à l'avancement selon la vitesse Figure 22 : Résistance à l'avancement 24 Concours ATMA "Navire de plaisance du futur" - The "RELAX" Boat - Ivan JANEAU, Arnaud LAVE b. Hélice Le dimensionnement de l’hélice est également effectué sous NavCad, à partir des données de résistance précédemment calculées. Nous optons pour une hélice à pales fixes de type B-Series Wageningem. Le tirant d’eau de 1 m nous impose un diamètre d’hélice maximum de 0,8 m, afin d’éviter la ventilation et de conserver une immersion suffisante (cavitation). Les caractéristiques de l’hélice retenue sont résumées dans le tableau ci-dessous : Type Nombre de pales Diamètre Pas Rapport P/D Fraction de surface B-Series 4 0.75 m 0.825 m 1.1 0.4 Tableau 6 : Caractéristiques de l'hélice La Figure 23 montre un schéma de l’hélice retenue, généré automatiquement par NavCad. Figure 23 : Représentation de l'hélice La Figure 24 trace le rendement de l’hélice en fonction de la vitesse du navire. L’hélice conserve un très bon rendement sur une large gamme de vitesse (3 – 8 nœuds). Au-delà, l’apparition de la cavitation fait chuter le rendement, comme illustré Figure 25. Figure 24 : Rendement de l'hélice 25 Concours ATMA "Navire de plaisance du futur" - The "RELAX" Boat - Ivan JANEAU, Arnaud LAVE Figure 25 : Cavitation de l'hélice Ainsi, en prenant en compte le rendement de l’hélice, un rendement de coque de 95%2 et un rendement de la ligne d’arbre de 98% (frottements du presse-étoupe notamment), nous obtenons une puissance nécessaire en sortie du moteur telle que résumé dans le Tableau 7. Vitesse (nœuds) 5 6 8 10 Puissance moteur (kW) 3.13 5.27 18.2 105.1 Observation Vitesse économique Vitesse de croisière Vitesse rapide Vitesse maxi Tableau 7 : Puissance délivrée par le moteur selon la vitesse c. Moteur électrique de propulsion L’architecture hybride électrique du navire nous impose de choisir un moteur électrique. Pour une fiabilité maximale de la propulsion, nous choisissons de ne pas intercaler de réducteur entre le moteur de propulsion et la ligne d’arbre. Ceci est rendu possible par les progrès de l’électronique de puissance, qui permet désormais d’avoir des variateurs de vitesse pour moteurs avec de très bons rendements. Le moteur synchrone à aimants permanents est particulièrement adapté dans ce cas, car ce type de moteur conserve un bon rendement à faible vitesse par rapport au moteur asynchrone. (d’après [9], page 563) Le calcul de l’hélice sous NavCad retourne également la vitesse de rotation du moteur (en utilisant un rapport de réduction de 1, car la ligne d’arbre est directement accouplée au moteur). Ainsi, la vitesse du moteur varie de 0 à 702 tr/min pour une vitesse du navire allant de 0 à 10 nœuds. 2 Valeur arbitraire. Ce rendement dépend des coefficients de sillage et de succion, difficiles à estimer à ce stade du projet. 26 Concours ATMA "Navire de plaisance du futur" - The "RELAX" Boat - Ivan JANEAU, Arnaud LAVE Nous choisissons alors dans le catalogue du constructeur Leroy-Somer [10] le moteur suivant : Type Référence Vitesse maxi Puissance maxi Masse Moteur synchrone à aimants permanents LSRPM 315 MR1 750 tr/min 110 kW 715 kg Tableau 8 : Caractéristiques du moteur électrique de propulsion Ce moteur possède un excellent rendement, y compris à basse vitesse, comme le montre la Figure 26 (rendement du moteur et du variateur de vitesse associé). Ainsi, en tenant compte de ce rendement, nous obtenons la puissance électrique consommée par le moteur, telle que définie dans le Tableau 9. Cette puissance consommée sert de référence dans les bilans énergétiques calculés plus loin dans ce rapport. Figure 26 : Rendement du moteur électrique de propulsion D’après [10], page 27 Vitesse (nœuds) 5 6 8 10 Puissance électrique (kW) 3.42 5.70 19.4 109.5 Observation Vitesse économique Vitesse de croisière Vitesse rapide Vitesse maxi Tableau 9 : Puissance électrique consommée selon la vitesse 27 Concours ATMA "Navire de plaisance du futur" - The "RELAX" Boat - Ivan JANEAU, Arnaud LAVE d. Moteur de secours En cas d’avarie sur le moteur électrique de propulsion ou de dysfonctionnement de son variateur de vitesse, le navire se retrouve alors sans moyen de propulsion. Cette situation n’étant pas acceptable dans le cas d’une navigation hauturière, un moteur électrique amovible est prévu en secours. Ce moteur se présente sous la forme d’un moteur hors-bord électrique amovible. Stocké dans la soute à matériel en situation normale, ce moteur est fixé sur le tableau arrière en cas d’avarie de propulsion. Il est alors alimenté par une rallonge électrique depuis le tableau électrique principal ou de secours (voir Architecture électrique). A titre d’exemple, le modèle Torqeedo Cruise 4.0 R convient parfaitement pour cette fonction. D’une puissance délivrée de 2.2 kW (puissance électrique 4 kW sous 48 V) et d’un poids de 39 kg (d’après [11]), ce moteur permet d’atteindre 5 nœuds. Une illustration du moteur est donnée en Figure 27. Figure 27 : Moteur électrique de secours Figure 28 : Moteur électrique de secours monté 28 Concours ATMA "Navire de plaisance du futur" - The "RELAX" Boat - Ivan JANEAU, Arnaud LAVE e. Safran Afin de dimensionner le safran en phase d’avant-projet, nous retenons le critère réglementaire de l’OMI relatif au rayon de giration [12] : L’avance ne doit pas dépasser 4.5 longueurs du navire (L) Le diamètre tactique ne doit pas dépasser 5 longueurs (L) lors de la manœuvre de giration L’application des formules de Lyster et Knights dans le cas d’un navire à 1 hélice nous donne une surface minimale de safran de 0.28 m² (voir [13], section 5.0 - ESTIMATION OF TURNING CHARACTERISTICS) Afin de tenir compte de l’influence éventuelle des flotteurs sur la manœuvrabilité, nous retenons une importante marge de conception puisque nous choisissons une surface de 0.55 m² pour le safran. 29 Concours ATMA "Navire de plaisance du futur" - The "RELAX" Boat - Ivan JANEAU, Arnaud LAVE VII. GESTION DE L’ENERGIE a. Architecture électrique Afin de combiner plusieurs sources d’énergie différentes, le navire possède une architecture tout-électrique organisée autour du tableau électrique principal, dont le rôle principal est d’assurer la gestion de l’énergie. Un schéma du circuit électrique est donné en Figure 29. Figure 29 : Architecture électrique Les sources d’énergie disponibles sont : Panneaux solaires, situés sur le toit Eolienne à axe verticale Groupe électrogène diesel Branchement sur le ponton (à quai) L’énergie produite est ensuite dirigée vers le moteur de propulsion et vers les équipements électriques présents à bord, le surplus étant envoyé dans les batteries pour y être stocké. Un système informatique permet d’optimiser les flux d’énergie et de gérer la charge des batteries. Il est envisagé d’implémenter une interface utilisateur sur un smartphone ou une tablette, afin de visualiser les flux d’énergie à n’importe quel endroit du navire. 30 Concours ATMA "Navire de plaisance du futur" - The "RELAX" Boat - Ivan JANEAU, Arnaud LAVE b. Panneaux solaires La surface définie par le toit permet de loger 80m² de panneaux solaires. Les cellules photovoltaïques sont constituées de silicium monocristallin à haut rendement, de 25%. Cette valeur représente une hypothèse d’innovation technologique à moyen-terme, les meilleurs rendements actuels étant de l’ordre de 20% [14]. L’énergie solaire n’est captée qu’en journée afin de recharger les batteries, qui permettront ensuite de propulser le bateau durant la nuit. La quantité d’énergie récupérée dépend bien sûr de la latitude à laquelle on se situe et des conditions météorologiques. Pour notre avant-projet, nous utiliserons les valeurs d’ensoleillement moyennes. A titre d’exemple, la carte d’ensoleillement pour la France (d’après [15]) est donnée Figure 30. Figure 30 : Carte d'ensoleillement de la France Par exemple, la somme moyenne annuelle à Brest est d’environ 1100 kWh/m², soit une puissance moyenne de 127 W/m². Ainsi, en prenant en compte le rendement des cellules photovoltaïques, les panneaux solaires du navire offrent une puissance moyenne de 2.54 kW. En revanche, la même surface de panneaux solaires permet de collecter en moyenne 3.88 kW à Marseille. 31 Concours ATMA "Navire de plaisance du futur" - The "RELAX" Boat - Ivan JANEAU, Arnaud LAVE c. Eolienne Le moyen le plus simple de capter l’énergie du vent afin de propulser un navire est d’y installer des voiles. Cependant, une voile n’est pas capable de stocker l’énergie qu’elle capte. Or, un navire de plaisance est amené à rester régulièrement à quai ou au mouillage, ce qui nous conduit à opter pour une éolienne afin de récupérer l’énergie du vent. Il existe deux types d’éoliennes : Eolienne à axe horizontal Eolienne à axe vertical Nous retenons pour notre navire une éolienne à axe vertical, car elle ne nécessite pas d’être orientée face au vent pour fonctionner. En théorie, une éolienne peut récupérer jusqu’à 59% de l’énergie cinétique du vent (limite de Betz [16]). En pratique, le rendement est nettement plus faible puisqu’il se situe aux alentours de 25% pour une éolienne à axe vertical de taille moyenne [17], illustrée Figure 31. La puissance récupérée est proportionnelle à l’aire balayée par l’éolienne. Figure 31 : Eolienne à axe vertical L’inconvénient d’une telle éolienne placée sur un mât est qu’elle empêche l’installation de haubans. Pour cette raison, nous limitons la hauteur de l’éolienne installée sur le navire à 5.8m. Avec un diamètre moyen de 5m, l’aire balayée par l’éolienne est donc de 30m². La puissance délivrée par l’éolienne (en W) est alors donnée par la formule suivante [16]: : Rendement de l’éolienne (25%*59%=14,75%) : Masse volumique de l’air (1.2 kg/m3) : Surface de l’éolienne (30 m²) : Vitesse du vent, en m/s Soit La puissance électrique délivrée par l’éolienne est donc proportionnelle au cube de la vitesse du vent. Par conséquent, la production est très faible lorsqu’il y a peu de vent. 32 Concours ATMA "Navire de plaisance du futur" - The "RELAX" Boat - Ivan JANEAU, Arnaud LAVE A titre d’illustration, la puissance délivrée n’est que de 0.62 kW pour 10 nœuds de vent, mais elle atteint 3.57 kW pour 18 nœuds. La vitesse du vent peut se modéliser par une distribution de Weibull [18]. Par exemple, la Figure 32 donne l’histogramme de la vitesse du vent à Brest pour les années 2008 – 2011 (données Wolfram Mathematica). V [m/s] Figure 32 : Vitesse du vent à Brest En calculant la puissance générée, selon la méthode détaillée précédente, l’éolienne délivre la puissance illustrée par la Figure 33. La valeur moyenne de cette série de valeurs est de 206 W. P [m/s] Figure 33 : Puissance délivrée par l'éolienne à Brest L’éolienne installée sur le navire délivre 10 fois moins d’énergie que les panneaux solaires. Cependant, elle conserve son intérêt dans les régions plus exposées au vent et moins ensoleillées. 33 Concours ATMA "Navire de plaisance du futur" - The "RELAX" Boat - Ivan JANEAU, Arnaud LAVE d. Batteries Les énergies renouvelables (solaire, vent) permettent certes des économies de carburant, mais elles ont le défaut de ne pas être disponibles en permanence. Ainsi, les batteries jouent le rôle de « filtre » afin de stocker le surplus d’énergie produit pour ensuite le restituer lorsque la production vient à manquer. La place disponible étant comptée à bord d’un navire, nous avons choisi d’utiliser des batteries au lithium car ce type de batteries offre une excellente densité de stockage. Nous prenons pour le dimensionnement les hypothèses suivantes : Energie spécifique Densité énergétique 260 Wh/kg 700 Wh/L Tableau 10 : Propriétés des batteries envisagées Ces hypothèses se basent sur des innovations à court-terme car il existe déjà des batteries présentant un tel niveau de performance [19], mais de petite dimension. La quantité de batteries embarquée est telle que le navire peut se propulser à une vitesse de 6 nœuds pendant 72h, ce qui permet de parcourir un peu plus de 400 milles. D’après la puissance consommée à 6 nœuds (voir Tableau 9) et les données précédentes, le dimensionnement des batteries est résumé dans le Tableau 11 ci-dessous : Masse des batteries Volume des batteries 1580 kg 0.59 m3 Tableau 11 : Dimensionnement des batteries e. Groupe électrogène Le groupe électrogène fournit l’énergie d’appoint, lorsque le soleil et le vent sont insuffisants. Il est dimensionné afin de pouvoir propulser seul le navire à vitesse rapide (8 nœuds). Le modèle retenu est un groupe électrogène possédant les caractéristiques suivantes [20] : Modèle Puissance Tension Masse Dimensions Consommation (pleine charge) Divers Cummins Onan 23 kW 208 V triphasé 422 kg 1.13 x 0.6 x 0.7 m 7.4 L/h Avec abris insonorisé Tableau 12 : Caractéristiques du groupe électrogène Ce groupe électrogène est ainsi capable de recharger entièrement les batteries en un peu moins de 18h. 34 Concours ATMA "Navire de plaisance du futur" - The "RELAX" Boat - Ivan JANEAU, Arnaud LAVE f. Bilan énergétique Le bilan énergétique, donc les économies de carburant réalisées, dépendent de l’ensoleillement et de la vitesse du vent. Pour des conditions moyennes (navigation en Mer Méditerranée au large de Nice par exemple), le bilan énergétique est résumé dans le Tableau 13 ci-dessous : Lieu Puissance moyenne éolienne 3 Ensoleillement moyen 4 Puissance moy. panneaux solaires Puissance moyenne disponible Nice, France 0.42 kW 185 W/m² 3.7 kW 4.12 kW Puissance propulsion à 6 nœuds5 Puissance équipements bord Puissance moyenne consommée 5.7 kW 1.0 kW 6.7 kW Economies de gasoil 62 % Tableau 13 : Bilan énergétique Le tableau précédent illustre les économies réalisables lors d’une traversée de longue durée, ce qui est le cas le plus défavorable pour le navire. En effet, les batteries ne font que « lisser » la production d’énergie. Dans le cas d’une navigation de plaisance, où les arrêts sont fréquents, les panneaux solaires et l’éolienne peuvent recharger les batteries lorsque le navire est au mouillage. Celui-ci utilise ensuite uniquement l’énergie stockée dans les batteries pour rejoindre son prochain port/mouillage, ce qui permet d’atteindre l’autonomie énergétique. 3 Calculé d’après la méthode exposée précédemment, à partir des données météorologiques Mathematica D’après la carte Figure 30 5 D’après Tableau 9 4 35 Concours ATMA "Navire de plaisance du futur" - The "RELAX" Boat - Ivan JANEAU, Arnaud LAVE VIII. ANALYSE ECONOMIQUE ET CYCLE DE VIE Pour un projet innovant il convient de réaliser une étude sur la viabilité économique, entre le cout d’achat, le cout d’utilisation et le recyclage. a. Coût et délai d’acquisition Catégorie Mouillage Chaudronnerie Système Direction Electronique et Electricité Agencement Post Construction Système Propulsion Sécurité Solaire Eolien Total Coût en € 5 183,64 € 118 044,33 € 5 725,56 € 23 730,95 € 18 531,44 € 1 500,00 € 37 712,00 € 21 506,27 € 40 000,00 € 20 000,00 € 291 934,19 € Tableau 14 : Coût d'acquisition Pour une telle construction les délais sont d’environ 7 à 9 mois. b. Coût d’utilisation Il y a plusieurs postes de dépenses pour l’utilisation d’un navire. L’entretien continu comme refaire l’antifouling ou remplacer les tuyaux, vannes, peintures défaillants. Ainsi que l’achat des vivres et du gasoil. Le prix de l’assurance et les passages dans les canaux (panama) sont des postes conséquents également. Gasoil Emplacement Antifouling Sortie/remis à flot Droit Navigation Assurance Divers Total Prix (€) Durée Coef Cout €/mois 1111,6 0,68 0,4 656,4 0 1 1 0,0 1000 12 1 83,3 500 12 1 41,7 400 12 1 33,3 1200 12 1 100,0 1000 12 1 83,3 998,0 Tableau 15 : Coût d'utilisation Une budget de 1000€ par mois est nécessaire pour aller vivre à l’autre bout de la planète sans aucune contrainte. 36 Concours ATMA "Navire de plaisance du futur" - The "RELAX" Boat - Ivan JANEAU, Arnaud LAVE k€ c. Comparaison avec bateau identique 100% diesel Retour sur Investissement 450 400 Cout (€) 350 300 250 RELAX 200 100% Diesel 150 100 50 0 0 1 2 3 Années 4 5 6 7 Figure 34 : Retour sur investissement L’acquisition représente 60 k€ de plus pour l’équipement solaire et éolien. Cependant avec 62% d’économies de gasoil (dans le pire des cas), c’est à partir de la 6ème année que le navire est rentable. d. Rentabilité projet Bien entendu il est viable de faire l’achat d’un tel navire pour soi. Cependant une alternative serait de mettre ce bateau en leasing. C’est-à-dire qu’une société de location fait l’achat du navire et le loue pour des durées déterminées, 3 mois, 6 mois ou 1 an. Ceci règle le problème de l’hivernage et l’entrepôt à terre. Bien sur le bateau a besoin de faire des révisions et être mis à sec mais la plupart de son temps est passé à naviguer de mer en mer. e. Cycle de vie Il faut non seulement penser à l’utilisation d’énergies renouvelables lors de la navigation mais aussi penser au concept dans son ensemble pour minimiser son impact écologique, depuis la construction du navire jusqu’à son recyclage. La structure, qui représente une grande partie de la masse du navire est faite en aluminium. L’aluminium est un métal très abondant et accessible, mais son extraction possède une forte empreinte écologique car le traitement du minerai nécessite une importante quantité d’électricité. Cependant, nous gagnons en impact environnemental par rapport à de l’acier, de la fibre de verre ou de l’époxy, au regard des composés chimiques utilisées pour la pose et l’embellissement du métal. C’est-à-dire que la construction aluminium nécessite pas de produits chimiques (résine, adhérents, …) utilisés pour faire des coques en fibre, ni la construction de moules. De plus une coque en aluminium ne nécessite pas forcement de peinture, produit agressif pour l’environnement. Bien entendu l’aluminium est totalement recyclable. Pour la superstructure nous utilisons des panneaux sandwich en aluminium avec une âme en nid d’abeille, très résistants et légers, permettant de minimiser la quantité de matière de construction. Toute la structure du navire est donc recyclable à la fin de vie du navire. 37 Concours ATMA "Navire de plaisance du futur" - The "RELAX" Boat - Ivan JANEAU, Arnaud LAVE L’éclairage est entièrement assuré par des panneaux LED, permettant un éclairage instantané, avec jusqu’à 50% d’économie d’énergie par rapport aux solutions fluorescentes, et une longévité accrue. L’isolation est faire avec des rouleaux de fibres naturelles, totalement recyclables et non nocives. De même, l’ameublement et les cloisons de l’habitation sont faits en bois, matériau recyclable. Dans ce concept nous minimisons donc autant que possible l’impact du navire sur l’environnement. 38 Concours ATMA "Navire de plaisance du futur" - The "RELAX" Boat - Ivan JANEAU, Arnaud LAVE IX. UTILISATION f. Confort, au centre du design L’espace vie est très lumineux avec vue panoramique sur l’extérieur pour profiter pleinement et en permanence les explorations en cours. La grande cuisine toute équipée permet un régime alimentaire sain et varié. Figure 35 : Vue de la cuisine Pour stocker les vivres nécessaires pour une telle cuisine, un imposant espace de stockage se situe à l’arrière de l’espace habitation sous le pont. Figure 36 : Stockage de vivres 39 Concours ATMA "Navire de plaisance du futur" - The "RELAX" Boat - Ivan JANEAU, Arnaud LAVE L’eau douce est renouvelée en permanence par une station de désalinisation de l’eau de mer (osmoseur). Le circuit d’eau douce est pressurisé et chauffé pour un confort d’utilisation. Une machine à laver est installée pour une économie d’eau douce au lavage. Figure 37 : Circuit Eau Douces Ce circuit d’eau se prolonge jusqu’au stockage des eaux usées pour un respect maximum de l’environnement. 40 Concours ATMA "Navire de plaisance du futur" - The "RELAX" Boat - Ivan JANEAU, Arnaud LAVE Figure 38 : Eaux Usagées 41 Concours ATMA "Navire de plaisance du futur" - The "RELAX" Boat - Ivan JANEAU, Arnaud LAVE Le volume habité est régulé par une station d’air conditionné pour une température ambiante confortable, que l’utilisateur soit sous les tropiques ou plus près des pôles en hivers. Figure 39 : Circuit d'Air Conditionné 42 Concours ATMA "Navire de plaisance du futur" - The "RELAX" Boat - Ivan JANEAU, Arnaud LAVE Par ailleurs, une isolation conséquente (15cm) est installée pour minimiser les pertes thermiques. Cette isolation par la même occasion permet une isolation sonore. Même si une propulsion électrique est silencieuse et que le générateur est dans un abri insonorisé, il y a toujours des bruits extérieurs. Figure 40 : Isolation de 15cm sur toute l'habitation Une lance à arrosage peut être branchée sur l’embout connecté à une pompe faisant circuler de l’eau de mer pour arroser le pont ou nettoyer. Figure 41 : Lance a eau de mer L’éclairage se fait par lampes carrés LED de faible consommation, forte puissance et longue durée de vie. 43 Concours ATMA "Navire de plaisance du futur" - The "RELAX" Boat - Ivan JANEAU, Arnaud LAVE Figure 42 : Lampe à LED De multiples espaces de rangement sont disposés dans l’espace habitation sous le pont pour le stockage des affaires personnelles. 44 Concours ATMA "Navire de plaisance du futur" - The "RELAX" Boat - Ivan JANEAU, Arnaud LAVE Figure 43 : Emplacements des nombreux rangements La douche et les WC sont séparés pour un maximum de volume dans chaque endroit. Figure 44 : WC et Douche spacieux 45 Concours ATMA "Navire de plaisance du futur" - The "RELAX" Boat - Ivan JANEAU, Arnaud LAVE L’espace vie est vaste et permet d’accueillir une salle à manger, une cuisine et un salon. La TV géante est repliable au plafond par vérin électrique et est accompagnée de son système audio homecinema pour une expérience cinéma partout sur la planète. Une connectique permettant l’installation de console de jeux pour les enfants est disponible ainsi qu’une connexion sans fils aux appareils électroniques (pc portable, tablette, téléphone). Figure 45 : Espace de vie 46 Concours ATMA "Navire de plaisance du futur" - The "RELAX" Boat - Ivan JANEAU, Arnaud LAVE Depuis le poste de pilotage, le capitaine a une vue à 360° pour faciliter les manœuvres et la navigation. Le pupitre est complet, avec affichage des informations de navigation et d’énergie ainsi qu’un système de débogage avec analyse et localisation des composants défaillants. Figure 46 : Vue panoramique du capitaine Figure 47 : Vue à 360° depuis le poste de pilotage 47 Concours ATMA "Navire de plaisance du futur" - The "RELAX" Boat - Ivan JANEAU, Arnaud LAVE L’innovation porte principalement sur le système électronique et informatique de gestion de Navigation et Energie. Le navire est équipé d’un réseau local efficace et sans fils avec données de navigation en permanence disponibles à afficher sur la TV géante ou sur les appareils mobile : smartphones, tablettes ou ordinateurs portables. La navigation et l’énergie se gèrent en temps réel à travers ce réseau et son affichage clair compatible sur toutes plateformes. Par exemple l’utilisateur peut diriger son bateau en indiquant une vitesse d’avance et un cap ou alors le diriger manuellement avec un joystick virtuel sur son téléphone. Une fois arrivé sur place il commande les guindeaux de mouillage, tout cela depuis son sofa ou depuis la poupe en regardant les ancres en mouvement. Un autre moyen d’utiliser le réseau local est d’afficher les organes générateurs et consommateurs d’énergie pour couper ceux qui ne sont pas nécessaires sur le moment et ainsi voir en temps réel l’estimation du temps avant épuisement du stock d’énergie augmenter. Ou au contraire en observant que les batteries sont pleines l’utilisateur peut mettre la machine à laver en marche. Un autre cas par exemple serait de voir sur l’interface Navigation qu’il reste 100 milles nautiques à parcourir, les conditions étant bonnes, l’utilisateur remarque sur l’interface Energie que la production est égale à la consommation, il peut donc augmenter sa vitesse de croisière. Les données Navigation et Energie permettent de définir des profils d‘utilisation. Dans chacun des profils l’interface indique l’autonomie et demande un cap et une vitesse de croisière si besoin. C’est-à-dire que l’utilisateur peut choisir parmi ces trois profils : Navigation 100% autonome et directe. Toute l’énergie générée est directement transmise au moteur de propulsion. Le bateau avance donc à des allures très variables, une rafale le fera accélérer, un nuage épais ralentir. C’est une croisière au rythme de la nature. Vitesse constante. Quelle que soient les conditions le navire aura une vitesse d’avance constante. Le système de gestion d’énergie va envoyer au moteur électrique la puissance nécessaire pour contrer courants et vents en puisant dans les batteries qui se chargent simultanément par l’éolien et le solaire et en mettant le générateur diesel en route si besoin. Navigation 0 Diesel. Le navire avance à vitesse constante et le moteur de propulsion puise sa puissance dans les batteries sans jamais mettre en route le générateur. Un message d’alerte est affiché lorsque la charge des batteries passe sous un seuil donné. Le bateau est muni d’un système moderne et automatique de mise à flot et rangement de l’annexe. Une télécommande contrôlant l’ouverture et fermeture de l’accès arrière par vérins hydrauliques puis enroulement du bout dans le guindeau pour la montée et descente de l’annexe. A noter que le compartiment où est stockée l’annexe est étanche et incliné. Ceci pour le cas d’un envahissement par une vague lorsque l’accès est ouvert qui n’a pas d’effet sur la stabilité puisque l’eau est directement évacuée par simple gravité. 48 Concours ATMA "Navire de plaisance du futur" - The "RELAX" Boat - Ivan JANEAU, Arnaud LAVE Figure 48 : Système d'annexe moderne et automatisé 49 Concours ATMA "Navire de plaisance du futur" - The "RELAX" Boat - Ivan JANEAU, Arnaud LAVE g. Maintenance L’installation et/ou le remplacement du moteur électrique et du générateur se font simplement par accès vertical à travers une trappe boulonnée dans le plafond et le pont. Les autres équipements sont également accessibles par des trappes. Figure 49 : Trappe moteur Il convient de porter une attention particulière au niveau de la structure subissant les efforts dus à l’éolienne, notamment au niveau des calculs de fatigue. Les compartiments où sont installés les divers composants sont accessible et spacieux. Pour le compartiment arrière, une allée centrale permet la vérification aisée des composants disposés de chaque côté. Figure 50 : Compartiment composants 50 Concours ATMA "Navire de plaisance du futur" - The "RELAX" Boat - Ivan JANEAU, Arnaud LAVE Figure 51 : Vue complète des composants 51 Concours ATMA "Navire de plaisance du futur" - The "RELAX" Boat - Ivan JANEAU, Arnaud LAVE h. Sécurité Une lance à incendie est accessible sur la plage arrière ainsi que des extincteurs disséminés dans tout le navire. Figure 52 : Pompe à incendie L’assèchement est centralisé et aspiré par une pompe électrique. Figure 53 : Circuit d'assèchement Le radeau de survie est sur le panneau arrière près à être déployé. Outre ce radeau, des gilets de sauvetage sont disponibles ainsi que des bouées de sauvetage devant la timonerie. La réglementation impose un système de double mouillage, représenté ci-dessous : Figure 54 : Double mouillage 52 Concours ATMA "Navire de plaisance du futur" - The "RELAX" Boat - Ivan JANEAU, Arnaud LAVE CONCLUSION ET PERSPECTIVES Le présent rapport a démontré la faisabilité technique d’un tel projet à court ou moyen terme. Cependant, des études complémentaires sont nécessaires, par exemple au niveau de la structure. Des exemples de profils de navigation (transatlantique, cabotage entre plusieurs îles des Caraïbes, …) devront être développés davantage, afin de valider la viabilité financière du projet de locations de longues durées. Il convient également de mener des études de marché pour s’assurer qu’une demande suffisante existe pour ce type de croisière. Une grande habitabilité et confort sont au centre du concept RELAX. Le navire possède ainsi un grand espace de vie et des équipements pratiques pour profiter de ses explorations en toute sécurité et en minimisant son impact environnemental. Cette philosophie représente selon nous le futur de la plaisance hauturière. 53 Concours ATMA "Navire de plaisance du futur" - The "RELAX" Boat - Ivan JANEAU, Arnaud LAVE BIBLIOGRAPHIE [1] Planet Solar, «Le bateau - Données http://www.planetsolar.org/fr/le-bateau. techniques,» [En ligne]. Available: [2] Solar Sailor, «Boats,» [En ligne]. Available: http://solarsailor.com/showroom/. [3] Eco Marine Power, «Aquarius Eco Ship http://www.ecomarinepower.com/en/research/58. Concept,» [En ligne]. Available: [4] Legifrance.fr, «Décret n°84-810 du 30 août 1984 relatif à la sauvegarde de la vie humaine, à l'habitabilité à bord des navires et à la prévention de la pollution,» [En ligne]. Available: http://legifrance.gouv.fr/affichTexte.do?cidTexte=JORFTEXT000000328378&dateTexte=201303 20. 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Available: http://www.stenaline.com/en/stena-line/corporate/media/press-releases/wind-poweronboard-a-ferry/. 55 Concours ATMA "Navire de plaisance du futur" - The "RELAX" Boat - Ivan JANEAU, Arnaud LAVE LISTE DES FIGURES Figure 1 : Vue de face ............................................................................................................................. 7 Figure 2 : Vue trois-quarts arrière ........................................................................................................... 7 Figure 3 : Plan de formes de la coque centrale ....................................................................................... 9 Figure 4 : Plan de formes avec les flotteurs .......................................................................................... 10 Figure 5 : Catamaran solaire "Tûranor" PlanetSolar ............................................................................. 11 Figure 6 : Solar Odyssey......................................................................................................................... 11 Figure 7 : Eoliennes à axe vertical sur un ferry Stena Line (2 x 4kW) .................................................... 12 Figure 8 : Navires à voiles solaires rigides ............................................................................................. 12 Figure 9 : Schéma de la Boucle Navire .................................................................................................. 13 Figure 10 : Vue 3D de la structure ......................................................................................................... 15 Figure 11 : Construction des superstructures ....................................................................................... 16 Figure 12 : Midship section (épaisseur des tôles et raidisseurs longitudinaux) .................................... 16 Figure 13 : Résistance de la structure sous MARS 2000........................................................................ 17 Figure 14 : Cloisons étanches ................................................................................................................ 19 Figure 15 : Volumes pour le calcul de stabilité...................................................................................... 19 Figure 16 : Courbe de stabilité (cas de chargement 10%) ..................................................................... 20 Figure 17 : Courbe de stabilité (cas de chargement 100%)................................................................... 21 Figure 18 : Méthodes d'interpolation sous NavCad (Coque centrale) .................................................. 22 Figure 19 : Résistance à l'avancement (Coque centrale seule) ............................................................. 23 Figure 20 : Méthodes d'interpolation sous NavCad (Flotteur).............................................................. 23 Figure 21 : Résistance à l'avancement (Flotteur seul)........................................................................... 23 Figure 22 : Résistance à l'avancement .................................................................................................. 24 Figure 23 : Représentation de l'hélice ................................................................................................... 25 Figure 24 : Rendement de l'hélice ......................................................................................................... 25 Figure 25 : Cavitation de l'hélice ........................................................................................................... 26 Figure 26 : Rendement du moteur électrique de propulsion ............................................................... 27 Figure 27 : Moteur électrique de secours ............................................................................................. 28 Figure 28 : Moteur électrique de secours monté.................................................................................. 28 Figure 29 : Architecture électrique........................................................................................................ 30 Figure 30 : Carte d'ensoleillement de la France .................................................................................... 31 Figure 31 : Eolienne à axe vertical ......................................................................................................... 32 Figure 32 : Vitesse du vent à Brest ........................................................................................................ 33 Figure 33 : Puissance délivrée par l'éolienne à Brest ............................................................................ 33 Figure 34 : Retour sur investissement ................................................................................................... 37 Figure 35 : Vue de la cuisine .................................................................................................................. 39 Figure 36 : Stockage de vivres ............................................................................................................... 39 Figure 37 : Circuit Eau Douces ............................................................................................................... 40 Figure 38 : Eaux Usagées ....................................................................................................................... 41 Figure 39 : Circuit d'Air Conditionné ..................................................................................................... 42 Figure 40 : Isolation de 15cm sur toute l'habitation ............................................................................. 43 Figure 41 : Lance a eau de mer ............................................................................................................. 43 Figure 42 : Lampe à LED ........................................................................................................................ 44 Figure 43 : Emplacements des nombreux rangements ......................................................................... 45 Figure 44 : WC et Douche spacieux ....................................................................................................... 45 56 Concours ATMA "Navire de plaisance du futur" - The "RELAX" Boat - Ivan JANEAU, Arnaud LAVE Figure 45 : Espace de vie ....................................................................................................................... 46 Figure 46 : Vue panoramique du capitaine ........................................................................................... 47 Figure 47 : Vue à 360° depuis le poste de pilotage ............................................................................... 47 Figure 48 : Système d'annexe moderne et automatisé ........................................................................ 49 Figure 49 : Trappe moteur..................................................................................................................... 50 Figure 50 : Compartiment composants ................................................................................................. 50 Figure 51 : Vue complète des composants ........................................................................................... 51 Figure 52 : Pompe à incendie ................................................................................................................ 52 Figure 53 : Circuit d'assèchement ......................................................................................................... 52 Figure 54 : Double mouillage................................................................................................................. 52 57 Concours ATMA "Navire de plaisance du futur" - The "RELAX" Boat - Ivan JANEAU, Arnaud LAVE LISTE DES TABLEAUX Tableau 1 : Caractéristiques principales du navire.................................................................................. 8 Tableau 2 : Cas de chargement ............................................................................................................. 18 Tableau 3 : Critères de stabilité (cas de chargement 10%) ................................................................... 20 Tableau 4 : Critères de stabilité (cas de chargement 100%) ................................................................. 21 Tableau 5 : Résistance à l'avancement selon la vitesse ........................................................................ 24 Tableau 6 : Caractéristiques de l'hélice ................................................................................................. 25 Tableau 7 : Puissance délivrée par le moteur selon la vitesse .............................................................. 26 Tableau 8 : Caractéristiques du moteur électrique de propulsion ....................................................... 27 Tableau 9 : Puissance électrique consommée selon la vitesse ............................................................. 27 Tableau 10 : Propriétés des batteries envisagées ................................................................................. 34 Tableau 11 : Dimensionnement des batteries ...................................................................................... 34 Tableau 12 : Caractéristiques du groupe électrogène .......................................................................... 34 Tableau 13 : Bilan énergétique.............................................................................................................. 35 Tableau 14 : Coût d'acquisition ............................................................................................................. 36 Tableau 15 : Coût d'utilisation............................................................................................................... 36 58 Concours ATMA "Navire de plaisance du futur" - The "RELAX" Boat - Ivan JANEAU, Arnaud LAVE ANNEXE 1 : VUES 3D 59 Concours ATMA "Navire de plaisance du futur" - The "RELAX" Boat - Ivan JANEAU, Arnaud LAVE 60 Concours ATMA "Navire de plaisance du futur" - The "RELAX" Boat - Ivan JANEAU, Arnaud LAVE 61 Concours ATMA "Navire de plaisance du futur" - The "RELAX" Boat - Ivan JANEAU, Arnaud LAVE 62 Concours ATMA "Navire de plaisance du futur" - The "RELAX" Boat - Ivan JANEAU, Arnaud LAVE