On observe sur ce diagramme que la navigation demande le double d'énergie électrique par rapport aux autres situations: instruments de navigation, informatique, assistance de bord, hydraulique, osmoseur, expliquent cette demande importante. Les 2 alternateurs des moteurs de propulsion y pourvoient aisément, épaulé par les photovoltaïques.

Ci-dessous, en détail , l'organigramme  des moyens en "plateforme arctique" 

Il s'agit des prévisions maximales, navire opérationnel avec 8 hommes en hivernage, avec leurs équipements spécifiques des sciences ou images etc...

Cet hiver 2007-2008,vous pouvez observer sur les relevés de bord,que le demande d'énergie électrique tourne autour de 3kwh par jour, soit trois fois moins que le potentiel des machines, mais Pierre Sauvadet est seul à bord!

Il est donc utile de voir ailleurs: Tara termine son épopée avec une consommation moyenne de 8,5 kwh-jour environ, à effectif complet, et pour une unité plus importante qu'Aurora magnetica.

Pierre pense atteindre  dans les 6 kwh-jour effectif complet. Le Cogénérateur WHISPERGEN peut, à lui seul fournir 15 kwh/jour! Il est plus logique d'exploiter les énergies renouvelables, vent et soleil combinés; l'intérêt est triple: économie de carburant, moins de CO2, moindre usure de la machine. A l'instant où j'écris ces lignes ( 4-06-08), le cogénérateur est stoppé. Le soleil donne 24h/24h, le vent apporte le reste! A noter que seul 700w de photovoltaïque sont installés. Vers les 75 à 80 de latitude il y aurait un vent plus régulier, mais une incidence solaire plus faible que vers les 65 actuels:d'où moins d'énergie solaire!

Le prochain article traitera des générateurs.

Je vous ai parlé del'impératif de confort à bord: voici une image de "la carrée", salle de détente, repas, jeux .... travail si nécessaire!

A suivre.... 

Shémas et câblages en place nous allons voir comment tout cela fonctionne. Le tableau de pré-synthèse ci-dessous situe les applications dans chaque compartiment d'Aurora magnetica, ; d'autre part le fonctionnement du navire est évalué en trois situation: au port, en mer, en hivernage.

 J'ai donné plus de lisibilité à ce tableau très important pour la suite. Au port et en mer, il n'y a pas vraiment de souci d'autonomie avec le chargeur à quai, ou les alternateurs des moteurs.

    En hivernage, rien de tout cela sur la banquise. C'est donc en hivernage qu'il faut serrer l'étude. Le total des besoins journaliers ( non foisonnés) atteignent 10277w dont 828w en CC 24volts.

    Ces chiffres projetés en répartition horaire deviennent 34,5 w en 24 vCC et 394 W en 110/220 V. Ces chiffres ouvrent une réflexion sur les générateurs à prévoir pour satisfaire ces consommations.

    Enfin le diagramme horaire, réplique de l'activité sur le bateau, fixe le mode d'exploitation de l'énergie électrique: voici ce diagramme. 

Hélas pour le lecteur, le transfert des diapos ne permet pas une vision claire.

Sachez que le tableau et le graphique sont montés sous tableur, de sorte que chaque modification du tableau modifie  le graphique: au skipper de choisir le mode d'exploitation.

Nous en sommes maintenant au choix des générateurs: une autre page à venir 

L’étude des circuits sur le papier est suivie des nomenclatures matérielles, au premier rang desquelles sont définies les qualités des câbles :

Cette page vient rappeler les différents types de conducteurs et câbles de bord : les normes sévères doivent répondre aux prescriptions techniques différentes :

- étanchéité, contre l’eau et les déflagrations.

- blindés, contre les agressions mécaniques ( vibrations et autres)

- anti-magnétique, pour protéger l’instrumentation, les radios communications, les alarmes

- anti-feu ou Pyro, pour ce qui concerne les liaisons électriques stratégiques ci-dessus.

Les conducteurs sont généralement en fils souples ; les connexions et terminaisons sont serties ou plombées ; ce dernier procédé est plus à la portée des amateurs : il présente une très faible résistance électrique, une excellente tenue aux chocs électriques genre court-circuits. Il se met en œuvre avec un chalumeau léger et…une connaissance de la soudure étain-plomb ou à l’argent ( meilleure tenue en température que l’étain-plomb).

Notez à l’avantage du sertissage par pinces hydrauliques ou mécaniques , la tenue au feu jusqu’à la destruction totale. Mais dans ce cas la situation générale est inquiétante…….

Les fournisseurs locaux ont tous les échantillons souhaités, au pire, sur commande.

Sur Aurora magnetica, l’instrumentation et les télécommunications étaient en service depuis 2004, puisque l’unité a été testée en circumnavigation depuis 2 ans, avant de poursuivre les aménagements habitables aux chantiers Despierre à La Rochelle.

Mon rôle visait l’alimentation électrique générale.

Toujours dans le domaine de la câblerie, outre les critères posés ci-dessus, celui du coût des fournitures est une préoccupation pour le propriétaire. D’où la nécessité de prendre la règle à calcul pour gérer la question. C’est avec quelques lois élémentaires d’électrotechnique que je définirais le meilleur compromis entre les chutes de tension et pertes admissibles. Ces deux critères traitent de l’échauffement des câbles, aussi réduit que possible pour assurer la fiabilité des installations.

D’autre part des câbles de trop faible section disperseraient l’énergie électrique, très précieuse en situation d’autonomie totale : par exemple, un câble de 20m et de 35mm2, chargé à 100 A ( 2,5 kw en 24 v) provoquerait une perte de 2,328 kwh en 24 heures !! Autant que l’apport solaire journalier !!

Cela conduit à réserver les liaisons 24 volts pour les générateurs ( Eolienne, Photovoltaïque, Cogénérateur, démarreurs et alternateurs des moteurs ; les organes de sécurité, de secours et le matériel de la salle des machines où est installé le parc batteries de 1260 Ah. et contigüe au tableau de distribution,

Toute la distribution domestique est assurée en 220 v ou 110v délivrées par des onduleurs ou inverters.

Il est impératif de choisir ces matériels en haute qualité, avec des pertes très faibles en veille, et un fort rendement, pour l’autonomie des batteries. Enfin , très important pour les transmissions radio, les inverters doivent être exempts s"émissions électromagnétiques.

Avec les tensions 220 et 110v, les sections conventionnelles ( 1,5¤ en éclairage, 2,5¤ sur les prises diverses, 5,5¤ pour l’électroménager) satisfont aisément l’alimentation des équipements domestiques, et à moindre coût.

Je joins  les schémas Timonerie et Passerelle.

A vos règles à calcul: V=RI; Pw= V 2 /R; Pw=VI; on ne va pas finasser avec l'impédance.

Résistance d'un conducteur

Elle est proportionnelle à la longueur de celui-ci. En doublant la longueur d'un conducteur on double sa résistance électrique.
En augmentant la section d'un conducteur on diminue sa résistance. Voir aussi la loi d'Ohm.
En haute fréquence la résistance d'un conducteur augmente avec la fréquence à cause de l'effet de peau.
La formule qui permet de calculer la résistance d'un conducteur de longueur l et de section S est la suivante :


Exemple

Quelle sera la résistance d'un fil de longueur 12m et de diamètre 2mm ?
On commencera par calculer la section en m² d'un fil diamètre 2 mm² :
S = 3,14 x D² / 4 avec D = 0,002 m
S = 3,14 x 10-6 m² ou 0,00000314 m²
Il suffit ensuite d'appliquer la formule ci-dessus en remplaçant chaque variable par sa valeur :
R = 18 x 10-9 x 12 / 0,00000314 = 0.07 ohms ou 70 milliohms

Le calcul de la résistance d'un conducteur est la base du choix du fil en fonction de l'intensité  à transiter.

V=RI permet de calculer la chute de tension v en ligne.

P=V2/R donne la puissance dissipée, ou perte en ligne

P x 0,862 donne les calories disspées en ligne afin de maîtriser la température des conducteurs ( et isolants)

La densité admissible dans un câble n'est pas linéaire, en raison de la difficulté d'évacuation thermique de l'âme des câbles; par exemple, on peut choisir 10 ampères mm2 sur un fil de 10m en 2,5 mm2 : la perte sera de 0,68 w au mètre linéaire et la chaleur dissipée de 0,586 calories.

Appliquons cette même densité à un câble de 10 m en  50 mm2 soit (50*10)= 500 ampères au total. La chute de tension en ligne atteint 2,04 volts et la puissance dissipée atteint 1020 w et 879 calories. La perte thermique serait de 87,9 calories au ml:le câble sera rapidement détérioré!!! Aussi choisira-t-on 2 Ampères mm2 soit 100 Ampères maxi au total: la chute de tension est de 0,408 v , la puissance dissipée descend à 40,8 w soit 4,08w au ml.La perte thermique est limitée à 3,52 calories au ml: aucun risque!!

En 24 volts la chute de tension doit rester très faible: 0,40 est un maximum: une info, sur Aurora magnetica, les liaisons entre Batteries 24 v et tableau de distribution ont une section de 150 mm2, tout comme les bus positif et négatif où ils se raccordent ,dans l'armoire de distribution: 300 ampères en pointe sont ainsi disponibles

Mais pas de panique: des abaques existent chez les fournisseurs de câbles pour choisir immiatement le meilleur câble, donc le plus économique. Enfin penser aux couleurs  en continu ( r et n), comme en alternatif selon les fonctions desservies: le repérage s'impose enfin pour rester facilement dans les shémas lors de modification, de  dépannage..... Et oui cela peut arriver !

Et dans ce cas, pensez à votre sécurité, et à celle du matériel. Ce qu'il faut savoir:l'organisme humain est en danger dès lors qu'il est soumis à une intensité de 55mA soit 0,055 A: effet de choc électrique qui destabilise le corps;  titanisation des muscles bloqués dans leur position ( impossible de lâcher l'outil, le conducteur), fibrilation cardiaque et asphyxie suivent dans les 3 minutes!! 110 et 220volts ne plaisantent pas: avec  pieds et mains humides, prévoir des gants isolants et chaussures isolantes. Si vous devez travailler sous tension, dans les coffrets,en cas de courcircuit, le port de lunettes anti-flash vous protégera les yeux des projections du métal pulvérulent, outre l"éblouissement momentané inévitable.

Les précautions ? Outre le disjoncteur-interrupteur différentiel en tête de rampe de distribution, il faut monter systématiquement un coupe-circuit à ouverture manuelle visible, (genre porte fusible, mais avec un tube cuivre approprié) lequel vous garantit que les départs de la rampe sont hors tension: après, et après seulement, vous pourrez intervenir en toute sécurité sur les installations concernées.

A moins d'être très averti, ne jamais travailler sous tension en 110v et 220v

Avec les courants sous 24 volts, c'est disons une tension de sécurité. Elle n'induit pas de choque électrique. Par contre les court-circuits sont très violents en raison de la puissance disponible dans les batteries. Là c'est l'incendie qui attend l'imprudent! Isolez soigneusement les éléments sous tension avec une nappe, un tapis etc, sur lesquels vous ne travaillez pas.

 Seul sur l'Océan rien ne doit être négligé .  

Ensuite nous verrons le synoptique général. 

 Avançons dans déroulement de l'étude. Ici nous voyons la protection générale des différents départs.

Le  réfrigérateur-congélateur dispose d'une alimentation spécifique avec un  convertisseur 24/220 v suivi d'un disjoncteur 10A différentiel 30mA, ceci pour une sécurité optimale quant à la conservation, y compris les échantillons aussi précieux qu'utiles aux scientifiques en mission à bord.

La répartition satisfait les matériels 220 v 50hz, 110v 60hz et les alimentations directes 24 v ( secours, navigation en timonerie, et autres applications  en salle des machines.

A propos des protections différentielles

 Nous avons vu plus haut le danger  des corrosions électrolytiques sur les navires à coque alu en particulier. Certains équipementier utilisent la coque du navire comme bus négatif, et cette même coque comme mise à la terre  des applications 220v et 110v.

Dans aurora magnética point de ces facilités préjudiciables à la qualité de la coque: les lignes 24v sont bifilaires; les lignes 220 et 110 v sont 2+T . Sur le schéma ci-dessous, nous voyons comment la terre retourne au neutre en amont du disjoncteur différentiel: ainsi toute fuite de courant sur la masse d'un appareil est détectée par la boucle de mesure et, au delà de 30mA, provoque l'ouverture du disjoncteur.

La protection des utilisateurs des matéreils électriques est ainsi optimale.

Ci-contre un schéma unifilaire du câblage de  la cambuse; c'est  le quartier le plus  gourmand en énergie.

Cuisson  à induction,  chauffe- eau, lave linge forment l'essentiel des consommateurs

Pour importants que soient les équipements, leur temps de fonctionnement sur le diagramme horaire n'affecte pas le potentiel des batteries 24 volts.

Les autres postes du navires ont été étudié avec la même minutie, pour assurer une vision cohérente de l'ensemble.

Au cours de cette étude, la nature des câbles a été calculée pour chaque usage. 

Tout passer en 24 volts conduisait à embarquer 500 kg de câbles en cuivre. Par exemple, alimenter 1kw en 24 volts exige 41 A, servir 1 kw en 220 v demande 4,54 A, soit 10 fois moins de cuivre pour transporter la même puissance!!

Dans la prochaine rubrique nous reviendrons sur le plan synoptique général du fonctionnement.

Pour terminer ce mot, suivez-vous la météo à Iqaluit ?

Pierre revit avec des températures positives, lé débacle doit s'amorcer !! 

Je vais publier les plans de principes des installations: sur le tableau ci-après, le Groupe diésel figure par principe; il n'a pas été embarqué.

 Ce synoptique abouti au schéma ci-après, du répartiteur de la distribution, avec les protections utiles:

la difficulté pratique a été de trouver une armoire de distribution pour contenir ces installations.

En effet, sur le site de La Rochelle, les grands fournisseurs de la plaisance n'ont pas l'expérience des puissances en jeu avec des batteries de 1200Ah; avec Pierre, cette puissance a été retenue pour disposer d'un autonomie de secours ultime de 5 jours.

Je voulais donc un jeu de barre de 150 mm2 pour passer 400A dans de bonnes conditions de sécurité d'exploitation. J'avais dans mes réserves la barre de cuivre 30x5 appropriée. Le trolley positif a été installé à droite dans l'armoire; le négatif à gauche: ainsi, avec 80cm entre les bus, aucun risque de faire le court-circuit fatal.

Perceuse en main sur un tracé très précis pour installer les coupe-circuits, voilà l'âme électrique du navire en forme; les dispositions pratiques sont figurées ci-après:

Dans le prochain dossier je passerai les schémas des applications.

L'intermède de la fondation du Québec rédigé, le technique revient !

J'espère que le tableau de l'inventaire  détaillé des applications à bord d'Aurora magnetica sera lisible!

Pierre Sauvadet avait organisé minutieusement les utilisations indispensable à son bateau igloo.Il m'a donc restitué cet inventaire que j'ai transcrit sur le tableur excel. Ainsi regoupement  et tri permettront de visualiser rapidement les schémas électriques. Mais mieux encore, l'organisation des horaires d'utilisation des puissances me permettrait de construire une simulation active sous forme d'un graphique horaire que je publierais bientôt.

C'est à partir des simulations actives que j'ai pu évaluer les demandes moyennes quotidiennes et aboutir après de multiples échanges avec Pierre, à proposer les moyens de productions utiles, mais indispensables.

C'est ce que j'ai exposé dans un précédent article:

En effet comment  laisser dans le silence la commémoration de la fondation de Québec?

Pierre est très attaché au Canada, peut-être sa généalogie est-elle passée par là?

C'est en 1608 que la ville est fondée,et il est remarquable de constater combien les populations du Québec sont investies dans la recherche en France de leurs ancêtres; elles nouent des relations permanentes avec les contrées du Poitou-Charente, ce qui n'est pas pour nous déplaire.

Trois villes sont plus impliquées dans cette commémoration:Royan, Rochefort, et La Rochelle. La Rochelle est le coeur des célébrations qui se déroulent du 1er au 8 mai; mais toutes les villes du Poitou-Charente où des familles souches ont des descendants vont contribuer et participer à cette immense manifestation d'amitié franco-québecoise.

L'ancien Port de La Rochelle est le site des festivités, en mémoire de tous les échanges de population par les voies maritimes depuis les trois villes citées. La statue de  Samuel de Champlain  sise à Brouage, est un symbole de la communauté France-Québec. Dans son sillage, de nombreux habitants du Poitou Charente traversairent l'Atlantique vers le "Nouveau Monde", pour une aventure extraordinaire, encore très vivantes dans nos mémoires.

C'est de part et d'autre de l'Atlantique que 400 ans après, l'anniversaire est célébré!

Le temps fort des célébrations est le 8 mai où un gigantesque repas sera servi à 10.000 personnes sur le Port de La Rochelle, pendant que les personnalités françaises et canadiennes échangeront mémoires et souvenirs.

Le Gouverneur Général du Canada recevra le Grand Livre de Champlain pour cette occasion, où sont retranscrites les notes du fondateur de Québec.

Puis une parade nautique, aérienne et musicale mise en scène dans le chenal du Port de La Rochelle, précèdera le départ de "La Grande Traversée de l'Atlantique" conduite par le BELEM, ouvrant la route maritime du Québec à une flottille de 48 voiliers de haute mer. Via les Açores et St Pierre et Miquelon; cette flottille emprutera le St Laurent pour affaler les voiles à Québec.

Pierre Sauvadet a précédé cette traversée de quelques mois, pour fixer son hivernage à Iqaluit. Je pense lui faire plaisir en l'associant à cette célébration.

Dans le même temps, l'étude du fonctionnement énergétique avançait bon train.

De l'électricité, comment? 

Pierre dispose déjà de panneaux photovoltaïques d'une puissance globale de 750W: très bien pour l'été polaire avec soleil permanent. Facile à installer sur le toit de la passerelle, à l'horizontale ,malgré la faible incidence des rayons solaires en Arctique.

Une Eolienne ? Oui, mais une structure légère, manoeuvrable par un seul homme, montée sur le portique du bateau afin d'éviter les aléas d'une banquise chaotique soumise aux courants et marées. La puissance modeste de 1kw obtenue sur un rotor de 1m80 convenait à Pierre. Une mat antivibratoire prévu par le constructeur limite les nuisances à bord.

Et quand le vent et le soleil sont absents? Un groupe électrogène ferait l'affaire?

Pierre avait une autre idée; celle d'une machine qui fait de l'électricité en même temps qu'elle dispense une puissance  de chauffage  importante: Whispergen s'installait dans nos esprits.

C'est quoi? un cogénérateur avec moteur stirling et échangeurs pour la récupération des productions thermiques résiduelles. Soit 750w d'électricité et 6,5kw de production thermique, le tout pour 0,7 litre de gasole à l'heure. Sur le papier, le rendement de cette machine est espoustouflant: c'est du 90 %.

Pour en savoir plus, frappez "Whispergen" sur le net. C'est en nouvelle Zélande: le service est efficace. 

Sachez que nos centrales thermique se contentent de 35 % de rendement, le reste part dans la nature! 

La bas au delà du cercle polaire, en autonomie totale, ces trois sources d'énergie couplées sur un parc de batteries de 1250 AH en 24 volts  allaient permettre à Aurora magnetica de passer un hiver complet?

Tous les lecteurs de cette chronique, ceux qui ont compilé les données techniques publiées sur le site, en particulier, savent aujourd'hui que ce premier hivernage est une réussite totale.

Une prochaine page 3 va entrer dans le détail du puzzle énergétique. 

Pierre l'a voulu ainsi pout tester  son prototype, dont il m'a confié l'étude du fonctionnement énergétique de bord.

Comment?

Un soir de Noël 2006, devant un apéro festif, j'ai proposé de conduire cette étude, à défaut d'un tissu professionnel très préoccupé par la plaisance à voile, donc peu enclin à s'engager dans une aventure polaire.

L'autonomie totale en site polaire posait un challenge exceptionnel, d'autant plus que le projet respectueux de l'environnement, en symbiose avec le vivant, s'inscrit dans la problèmatique actuelle liée au réchauffement climatique.

Mon cursus:

- une formation électrotechnique, une carrière dans la production, le transport et la distribution d'énergie électrique, et l'exploitation gazière.

- En parallèle quelques incursions dans l'électronique télé, hifi, automatismes, alarmes etc.

- dix ans de navigation cotière à voile

- la retraite!! 

Il me manquait l'essentiel: la connaissance du grand large, la compétence de la vie polaire.

Ces domaines largement maîtrisé par Pierre allaient permettre de dresser un cahier des charges pour l'équipement énergétique d'Aurora magnetica.

Au terme de six mois de travail d'étude, où chaque idée est débattue, insérée dans la sécurité matérielle et humaine, Aurora a quitté le port de La Rochelle le 16 juin 2007. Et depuis ça marche!!

Nous avons fait connaissance: je vous décrirais plus loin la conception pratique. 

A bientôt

This article explain in a simple way all about this patented process, thanks to Anchor Yacht & Ship Sales, LLC.