Produire de l'énergie à bord : alternateur, solaire, courant à quai

L'énergie à bord provient de trois sources : du moteur, du soleil et du branchement à quai. Chacune possède ses propres caractéristiques, sa propre régulation et sa propre faiblesse. Cette section explique comment les dimensionner individuellement, puis les connecter sans qu'elles ne se perturbent mutuellement.

Comparaison des trois sources

La différence décisive ne réside pas dans la puissance, mais dans la disponibilité. Un alternateur fournit beaucoup de courant, mais seulement tant que le moteur tourne. Le solaire fournit peu de courant, mais tous les jours et sans intervention. Le courant de quai fournit une énergie illimitée, mais seulement au poste d'amarrage.

La ligne la plus souvent oubliée dans la planification est la première : un alternateur de série est conçu pour alimenter le moteur, et non pour remplir un grand parc de batteries de service.

L'alternateur

L'alternateur de série d'un moteur diesel ne fournit souvent que 30 à 40 ampères au ralenti et fonctionne avec un régulateur simple, généralement mono-étagé. Celui-ci maintient une tension fixe et arrête de fait la charge à environ 80 %. Ceux qui utilisent le moteur deux heures par jour pour alimenter un parc de batteries de 400 Ah n'atteindront jamais une charge complète.

Un alternateur haute performance change deux choses simultanément : il fournit beaucoup plus de courant, dès les bas régimes, et il peut être piloté par un régulateur externe multi-étagé. C'est ce régulateur qui transforme l'alternateur en un véritable chargeur doté d'une courbe de charge, d'une compensation de température et d'une coupure adaptée au type de batterie.

Ce n'est pas le désir, mais la batterie qui détermine la taille de l'alternateur : les batteries à électrolyte liquide acceptent environ 25 % de leur capacité en courant de charge, le Gel jusqu'à 35 %, l'AGM standard jusqu'à 40 %, et les AGM TPPL ou à mousse de carbone jusqu'à 100 %. Un parc de batteries de 300 Ah en cellules AGM correspond donc à environ 120 ampères.

Trois points mécaniques déterminent si la transformation tiendra : la géométrie de fixation sur le moteur, la poulie et le type de courroie. Au-delà d'environ 100 ampères en 12 volts, une courroie trapézoïdale simple ne suffit plus ; des courroies trapézoïdales doubles ou des courroies striées sont nécessaires, éventuellement avec un kit de conversion.

Attention : Ceux qui passent au LiFePO4 doivent protéger l'alternateur contre le délestage (load dump). Si le système de gestion de batterie (BMS) coupe sous charge, la batterie disparaît brutalement du réseau de bord et la pointe de tension résultante détruit les diodes et le régulateur. Un module de protection entre B+ et B- est la protection la plus simple, une batterie tampon ou un chargeur booster étant des solutions plus robustes.

Connecter deux circuits de batterie

Dès lors qu'il existe une batterie de démarrage et un parc de batteries de service, la question se pose de savoir comment recharger les deux à partir de la même source sans que l'une ne décharge l'autre. Il existe trois types de dispositifs, et ils ne sont pas interchangeables.

Un coupleur de batterie (relais de charge) connecte les deux circuits dès qu'une tension de charge est présente, et les sépare dès qu'elle disparaît. Simple, économique, avec peu de pertes, mais les deux parcs voient la même tension. Cela suppose qu'ils acceptent la même courbe de charge.

Un chargeur booster découple électriquement les circuits. Il prélève l'énergie d'un circuit et la délivre à l'autre avec sa propre courbe de charge réglable. C'est la réponse idéale lorsque les parcs de batteries utilisent des technologies différentes — démarrage au plomb, service au lithium — ou lorsque la tension de charge n'est plus suffisante au bout d'une longue ligne.

Une diode de répartition est la variante la plus ancienne et elle coûte cher en tension : celle-ci chute à travers la diode et manque à la batterie. Sans compensation au niveau de l'alternateur, les deux parcs de batteries restent sous-alimentés.

Solaire

Le solaire est la seule source qui fonctionne sans aucune intervention, et donc la seule capable de maintenir un parc de batteries pendant des semaines. C'est également la source pour laquelle les calculs sont le plus souvent erronés.

La puissance nominale d'un module en Watts-crête (Wc) est valable dans des conditions de laboratoire. En pratique, le rendement quotidien en été en Europe centrale est de l'ordre de quatre à cinq fois la puissance nominale en Wattheures, et une fraction en hiver. Planifier avec les valeurs des fiches techniques revient à ne prévoir que la moitié de la surface nécessaire.

Pour le régulateur, une seule question réelle se pose : l'installation est-elle assez grande ou la tension du module assez élevée pour justifier un régulateur MPPT ? Il recherche en permanence le point de fonctionnement offrant la puissance maximale et, comparé à une régulation simple, obtient des résultats nettement supérieurs, surtout par temps froid ou en cas d'ombrage partiel.

Courant de quai

Le branchement à quai est la seule source où intervient la tension alternative, et donc la seule où une défaillance met directement en danger les personnes. Les exigences sont donc différentes : protection contre les courants de fuite, séparation définie lors de la commutation entre les sources et gestion du conducteur de protection qui n'aggrave pas la corrosion.

C'est précisément ce qui arrive lorsque le conducteur de protection relie plusieurs bateaux au même ponton : un chemin pour la corrosion galvanique se forme via l'eau. Un isolateur galvanique ou un transformateur d'isolement interrompt ce chemin sans annuler la fonction de protection.

Connecter plusieurs sources ensemble

Dès que deux sources chargent simultanément, leurs régulations entrent en compétition. Chacune mesure la tension de la batterie et en déduit sa phase de charge. Si une source augmente la tension, l'autre en conclut que la batterie est plus pleine qu'elle ne l'est réellement et se met en retrait.

En pratique, cela signifie : les tensions de fin de charge de toutes les sources doivent être compatibles entre elles et adaptées au type de batterie. Une source avec une courbe de charge au plomb obsolète dans un système au lithium ne se contente pas de freiner : elle empêche le parc de batteries d'atteindre le seuil de synchronisation du moniteur de batterie. Lorsque les régulations communiquent via un système de bus, le problème se résout de lui-même, car une instance unique pilote alors la charge.

Erreurs typiques

• Remplacement unique de la batterie. Un parc de batteries lithium derrière un alternateur de série inchangé ne sera ni chargé complètement ni en toute sécurité.
• Alternateur choisi sans tenir compte de l'acceptation de charge. Une grosse machine sur un parc de batteries à électrolyte liquide ne sert à rien.
• Courroie non adaptée. Au-delà de 100 ampères, une courroie trapézoïdale simple patine, génère de la poussière et rompt.
• Absence de capteur de température sur l'alternateur. Un régulateur externe sans capteur règle à l'aveugle et peut surchauffer la machine.
• Pas de protection contre le délestage. La panne survient brutalement au moment précis où le BMS coupe.
• Rendement solaire calculé sur la puissance nominale. Donne régulièrement la moitié de la surface nécessaire.
• Tensions de fin de charge non harmonisées. Deux sources avec des courbes différentes se brident mutuellement.
• Chargeur booster surdimensionné. Il finit par tirer plus que ce que l'alternateur et les câbles peuvent fournir.

Normes et réglementations

Depuis sa version actuelle, la norme ISO 13297:2020 couvre les deux aspects : les installations en courant continu jusqu'à 50 V de tension nominale et les installations en courant alternatif monophasé jusqu'à 250 V. Pour la partie charge, cela signifie avant tout : chaque source de charge avec sa propre ligne vers la batterie nécessite une protection (fusible) sur cette ligne, située à proximité de la batterie — et non de l'appareil.

Côté courant alternatif, s'ajoutent la protection contre les courants de fuite et la question de la commutation. Deux sources ne doivent jamais être couplées simultanément ; la commutation doit impérativement déconnecter avant de connecter. En Amérique du Nord, la norme ABYC régit en outre les exigences des systèmes de charge et exige expressément, pour les systèmes au lithium, une gestion de batterie maintenant celle-ci dans sa zone de fonctionnement sécurisée.