Navire de plaisance du futur – "RELAX" BOAT

Transcription

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
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
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
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
b. Vues générales
Figure 1 : Vue de face
Figure 2 : Vue trois-quarts arrière
7
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
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
Plan de formes – Coque avec flotteurs
Vue Longitudinale
Vue Horizontale
Vue Verticale
(Echelle x1.5)
Figure 4 : Plan de formes avec les flotteurs
10
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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 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
Cas de chargement à 100%
Critère
Valeur
GM0 (m)
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
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
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
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 rapide
Vitesse maxi
Tableau 5 : Résistance à l'avancement selon la vitesse
Figure 22 : Résistance à l'avancement
24
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
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 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
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 rapide
Vitesse maxi
Tableau 9 : Puissance électrique consommée selon la vitesse
27
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
Figure 38 : Eaux Usagées
41
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
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
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
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
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
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
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
Figure 48 : Système d'annexe moderne et automatisé
49
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
Figure 51 : Vue complète des composants
51
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
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
BIBLIOGRAPHIE
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[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
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[6] Bureau Veritas, «NR 500 - Rules for the Classification and the Certification of Yachts,» Mars
2012.
[7] Bureau Veritas, «NR 561 - Hull in Aluminium Alloys,» Mars 2012.
[8] ALU MARINE Shipyard, «Les avantages d'un bateau en aluminium,» [En ligne]. Available:
http://www.alumarine.fr/fr/les-avantages-de-laluminium.html.
[9] T. Wildi, Electrotechnique, Les Presses de l'Université de Laval, Deuxième édition.
[10] Leroy Somer, «MOTOVARIATEURS DYNEO - Moteurs synchrones et variateurs de vitesse
Unidrive SP».
[11] Torqeedo, «Cruise 2.0 R and Cruise 4.0 R - Technical data & dimensions,» [En ligne]. Available:
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[12] International Maritime Organization, «Resolution MSC.137(76) - Standards for Ship
Manoeuvrability,»
[En
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Available:
http://www.imo.org/blast/blastDataHelper.asp?data_id=15507&filename=137(76).pdf.
[13] Mohd. Rarnzan Mainal & Mohd. Salim Kamil, «Estimation of ship manoeuvring characteristics in
the
conceptual
design
stage,»
[En
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Available:
http://eprints.utm.my/8300/1/MohdRamzanMainal1996_EstimationOf_ShipManoeuvringChara
cteristics.pdf.
54
«Panneau
photovoltaïques
Sunpower,»
[14] Energreen,
http://www.energreen.be/fr/nos-solutions/produits/sunpower.
[15] SolarGIS, «Free Download
http://solargis.info/doc/71.
of
Solar
Radiation
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[17] Quiet Revolution, «QR5 Vertical Axis Wind Turbine,» [En ligne].
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[18] Wind Power Program, «Wind statistics and the Weibull distribution,» [En ligne]. Available:
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[19] Green Car Congress, «Panasonic Develops New Higher-Capacity 18650 Li-Ion Cells,» [En ligne].
Available: http://www.greencarcongress.com/2009/12/panasonic-20091225.html.
[20] Cummins Onan, «Guide pratique des groupes électrogènes marins,» [En ligne]. Available:
http://www.cumminsonan.com/www/html/Common/pdf/marine/F-2370-MarinePPG-fr.pdf.
[21] Stena Line, «First in the world with wind power onboard a ferry,» [En ligne]. Available:
http://www.stenaline.com/en/stena-line/corporate/media/press-releases/wind-poweronboard-a-ferry/.
55
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
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
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
ANNEXE 1 : VUES 3D
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Navire de plaisance du futur – "RELAX" BOAT

Transcription

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