Principe

La pile à combustible est un procédé destiné à produire du courant basse tension sur nos bateaux (et ailleurs, dans beaucoup d’applications). Si ce nom sonne très high tech à vos oreilles, le principe n’est pas récent, il a été découvert en 1839 par l’anglais Sir William Groove. Mis en veilleuse jusqu’au début des années 1960, cette technique est revenue en force grâce à la conquête spatiale.

Le procédé est relativement simple: l'électricité est produite grâce à l'oxydation sur une électrode d'un combustible réducteur (hydrogène pur ou composé comme le méthanol ou le méthane) couplée à la réduction sur l'autre électrode d'un oxydant, tel que l'oxygène de l'air. La réaction d'oxydation de l'hydrogène est accélérée par un catalyseur en platine, métal rare et coûteux.

Si l’oxygène de l’air est par définition omniprésent, le combustible réducteur est plus problématique à utiliser, car l’hydrogène pur n’existe pas sous forme naturelle. Il faut le fabriquer et le stocker. Ce qui est coûteux et parfois dangereux. Les composés d’hydrogène (méthanol) sont plus facilement manipulables.

La pile utilisant de l’hydrogène pur ne rejette qu’un peu d’eau (résidu de l’air dont il a été pris une partie de l’oxygène). Par contre la pile utilisant du méthanol rejette un peu d’eau et du CO₂ (décomposition du méthanol en eau et CO₂).

Plusieurs technologies de pile à combustible sont développées aujourd’hui. L’objectif étant de pouvoir produire du courant avec un maximum de rendement en utilisant un combustible réducteur peu cher et facile à produire.

Si les technologies connues permettent en théorie de produire une large gamme de besoins (de quelques watts à 100MW), les rendements sont très variables (25 à 90 %) suivant la méthode. La technologie au méthanol est parmi les plus basses avec +-25% de rendement, mais son combustible est le plus pratique et le moins dangereux. Les appareils déjà commercialisés répondent avec succès à une série d’applications fixes ou mobiles mais à un prix de revient économique et écologique élevé.

La PAC (pile à combustible) s’est miniaturisée. Elle s’embarque sur nos bateaux mais aussi sur les ordinateurs portables et même dans les smartphones. Il est déjà possible d’acquérir une semi indépendance électrique dans nos maisons grâce à la combinaison co-génération + PAC tournant au gaz naturel. Toutefois, cela a encore un prix élevé: Viessmann micro-cogénération.

Utilisation en Grande Croisière

L’utilisation de la PAC est simplissime. Une fois enclenchée, on ne s’occupe seulement de vérifier s’il reste du méthanol dans le bidon. Le reste est transparent. La production de courant est automatique, l’électronique vérifiant les limites hautes et basses des batteries. Entre ces limites, la PAC produit.

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La PAC est compatible avec tout autre producteur de courant (alternateur moteur, éolienne, panneau solaire,…). Si un de ces appareils produit du courant, la PAC le détecte (tension aux bornes de la batterie) et diminue ou arrête de produire.

Inversement, la PAC va produire plus lorsque des consommateurs pompent sur la batterie, diminuant d’autant la décharge de la batterie. Le cycle de décharge étant plus lent, il y aura moins de cycles de décharge et donc une durée de vie plus longue de la batterie.

Le méthanol pour PAC (marque Efoy) se trouve maintenant un peu partout sur le trajet du tour de l’Atlantique. Voir la carte du monde des revendeurs sur le site d’Efoy.

Marché de la PAC en 2020

Le marché s’est simplifié et il n’existe plus que la marque EFOY pour le monde de la plaisance et du camping-car (une marque du groupe allemand «SFC Energy»). La gamme est actuellement déclinée en 3 modèles 12 V: 80 – 140 – 210 Ah par jour. N.B.: il existe également une gamme PRO pour des tensions 24/48V. 

Voici les caractéristiques du constructeur:

Rendement et utilisation d’une PAC

Ces modèles peuvent produire de 80 à 210Ah lorsqu’ils sont neufs. La PAC va perdre une partie de sa production en vieillissant. On parle de 40% de chute entre 1000 et 3000 heures d’utilisation. Ce sont essentiellement les électrodes de platine qui sont à remplacer (±1000€) ou à terme, le cœur (stack) de la pile pour une remise à neuf (±50% du prix de la PAC). Les conditions d’utilisation vont influer sur la rapidité de cette perte de rendement. Un usage régulier est recommandé pour bien vieillir. La qualité du méthanol est aussi importante, un «carburant» de médiocre qualité va encrasser rapidement les électrodes et donc faire baisser le rendement.

Si l’utilisation de la PAC est très simple, elle n’en demande pas moins une installation soignée: espace aéré (elle chauffe un peu), assez proche des batteries (tableau des sections de câbles fourni), près de l’axe longitudinal du bateau (25° de gîte max.). Elle sait se faire oublier: fonctionnement silencieux, rejet de CO2 négligeable, faible rejet d’eau (un pot suffit), fonctionnement et recharge automatisé en fonction de seuils de tension haut et bas des batteries. Elle demande aussi un peu de voltage pour fonctionner (10,5V). Il faut également noter que la tension de recharge est assez faible (13,8V), ce qui ne permettra pas une charge à 100% du parc batterie. Mais c’est également vrai pour l’alternateur, le panneau solaire et l’éolienne. Ce qui compte c’est le remplissage régulier et suffisant des chers ampères.

Le fonctionnement est soit permanent (production 100% avec sécurité de surcharge), soit automatique avec fonctionnement entre tensions haute et basse.

La régulation est conduite par une partie logicielle qu’il est possible de mettre à jour au gré des nouvelles versions du constructeur. Avec les années, la consommation et la longévité des électrodes se sont améliorées grâce à l’optimisation logicielle.

Faisons un petit calcul amusant… Le pouvoir calorifique du méthanol est de 19,937MJ/kg soit 5,5381kWh. Le méthanol ayant une densité de 0,7915: 1kg = 1,263L = 5,5381kWh. Ce qui donne une consommation théorique de 0,228L pour produire 1kWh. Or la consommation donnée par le constructeur EFOY pour produire 1kW est de 0,9L. Le rendement de ces PAC est donc de 25% au mieux. C’est faiblard, mais c’est dans la norme des PAC utilisant la technologie DMFC (celles qui fonctionnent au méthanol). D’autres technologies existent (rendement jusqu’à 90%) mais utilisent de l’hydrogène pur et produisent beaucoup de chaleur (jusqu’à 800/1000°C). Actuellement exclus pour nous.

Exploitation de la PAC en Grande Croisière

Essayons de faire un petit calcul d’exploitation pour une Grande Croisière de 3 ans ou 20.000 milles, ceci sur un bateau de 45 pieds dont le bilan électrique fait apparaître une consommation quotidienne de 200Ah. Ceci correspond à l’exemple d’un Dufour 45 explicité en fin d’article et équipé de tout le nécessaire de navigation au long cours à l’exception d’un congélateur (vous ferez un joli tableau Excel pour votre propre navire). Vous envisagez pour partir d’acheter une PAC qui produit en théorie 210Ah au maximum chaque jour.

Bilan de production

Une PAC de 210Ah que nous pondérons de -10% pour intégrer une diminution de rendement due au vieillissement progressif. Soit 210Ah x 0,90 = 190Ah ou 2,3kWh quotidiens (arrondi) au maximum au prix de ±2,0L de méthanol.

Bilan de consommation

En trois ans, vous ferez:

•    temps de navigation: 20%, soit 216 jours

•    temps de mouillage: 50 %, soit 540 jours

•    temps en marina: 30%, soit 324 jours

D’où:

•    consommation navigation: 216 jours x 200 Ah=     43.200 Ah

•    consommation mouillage: 540 jours x 160 Ah =     86.400 Ah

•    consommation marina: 324 jours x 160 Ah =         51.840 Ah

soit un total de:                                                     181.440 Ah

(près de 2.200 kWh!)

La consommation en marina: ces Ah sont produits par le chargeur de batterie alimenté par le courant du quai, donc pas besoin de produire soi-même de l’énergie. Les 51.840 Ah sont assurés par la borne électrique du quai.

La consommation en navigation: elle est à pondérer par l’utilisation du moteur (pas assez de vent, voile-moteur). Comptons 25% des milles parcourus au moteur (on fait toujours bien plus de moteur qu’attendu). Pas de chance, l’alternateur va charger très différemment en fonction de la charge présente dans les batteries. Prenons une charge moyenne de 15A >> 25% de 216 jours= 1.300 heures x 15A = 19.440 Ah. Pas de chance, le bateau a besoin de 43.200 Ah!

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Constatation: les heures-moteur «obligatoires» couvrent ±50 % des besoins électriques du bord. Comme vu plus haut, les autres 50 % (±110Ah/jour) peuvent être pris en charge par une PAC de ±190Ah effectifs par jour. CQFD?

Pas tout à fait, car le moteur ne tourne pas de façon régulière. Il arrive de devoir faire plusieurs jours consécutifs de zinzin en traversée par manque de vent et puis plus rien pendant une semaine. La PAC devra débiter toute sa puissance chaque jour, ce qui consommera 2,0L de méthanol quotidiennement.

RESULTAT NAVIGATION: en traversée, une PAC de 190Ah (2,3kWh) par jour suffit en gros à couvrir les besoins électriques d’un bateau de 45 pieds sans congélateur surtout s’il y a un appoint d’heures moteur ou d’un autre moyen de production électrique (alternateur d’arbre, éolienne, panneau solaire).

La consommation au mouillage est moindre (pas de pilote auto, ni d’électronique de navigation). Notre PAC produit 190Ah/jour pour un besoin de 160Ah. La consommation est couverte par la seule PAC. Notons toutefois que la consommation quotidienne de méthanol se réduit dans ce cas à 1,73L.

RESULTAT MOUILLAGE: au mouillage, une PAC de 190Ah (2,3kWh) par jour suffit facilement à couvrir les besoins électriques d’un bateau de 45 pieds sans congélateur surtout s’il y a un autre moyen de production électrique (éolienne, panneau solaire).

Conclusion sur le rendement énergétique 

Il apparaît clairement qu’une seule PAC produisant effectivement 190Ah/jour peut couvrir les besoins électriques d’un bateau de grande croisière de 45 pieds, tant au mouillage qu’en navigation. Cette taille n’est d’ailleurs pas critique, la consommation d’un bateau de 38 pieds mené en grande croisière sera équivalente.

C’est d’autant plus vrai que la plupart des bateaux de grande croisière s’équipent au moins d’un autre producteur électrique (alternateur d’arbre, éolienne, panneau solaire). Il est aussi possible de se passer de frigo, de musique, de PC, etc. Ce que les navigateurs refusent de faire aujourd’hui. A contrario, si vous augmentez la consommation (congélateur, longues heures de PC), il faudra bien affiner votre bilan électrique.

Vous avez bien entendu remarqué que la PAC consommait du méthanol… C’est évidemment ici que vous allez devoir trouver un compromis. Repartons du principe (très théorique) que vous avez uniquement une PAC de 190Ah/jour en plus du moteur pour charger vos batteries en dehors du quai. Lors de votre croisière de 3 ans et suivant les remarques ci-dessus, vous devrez produire avec cette PAC:

• Consommation navigation: 43.200Ah - 19.440 Ah*=        23.760 Ah
• Consommation mouillage:                                              86.400 Ah
• TOTAL  >>>>>                                                          110.160 Ah

*produits avec le moteur

La consommation de méthanol est de 10L pour 925Ah. Il faudra donc 1.190L sur 3 ans.

Rendement économique en Grande Croisière

Une PAC Efoy de 210Ah coûte 5.000€ (avril 2020) en cherchant bien (www.camping-car-plus.com). Le bidon de méthanol de la marque coûte 33€/5L ou 50€/10L (www.ludospace.com).

Pour notre croisière de 3 ans, il faudra donc théoriquement débourser:

• Achat de la PAC Efoy 210                                                    5.000 €
• Consommation méthanol : 1.190L à 50€/10L                        5.950 €
• TOTAL  >>>>>                                                               10.950 €

Chiffre qui tient compte de l’apport des heures de moteur «obligatoires». 

Parfait me direz vous ? Non pas vraiment car si vous calculez le temps de fonctionnement nécessaire pour débiter ces 110.160Ah sur les 3 années de croisière, vous tomberez sur le chiffre un peu effarant de près de 14.000 heures soit ±5 fois la durée de vie de la PAC avant remplacement du cœur de la pile (près de la moitié du prix). Le total avoisine alors les 20.000€ sans compter les difficultés pour faire ces gros entretiens.

En comparaison, un petit groupe 3.000 tours de type Paguro ou Fischer Panda 4000 coûte ±8.000 € avec les kits d’installation. Le montage coûte ±4.000 €. Total: 14.000 €.

La consommation est de 0,4 litre de gasoil par KWh (±83Ah). Le rendement est meilleur que la PAC. Prenons le à 1,5€/litre (c’est moins cher au Brésil, Venez, etc.)

• Amortissement groupe (3/5 prix) pour croisière 3 ans            8.400 €
• Consommation 530L gasoil pour produire 110.160Ah                800 €
• Entretiens (votre MO + prix des consommables)                       800 €
• TOTAL  >>>>>                                                                10.000 €

Je pars du principe que vous avez de toute façon un bon chargeur 80 ou 100A/12V.

Conclusion économique

Ce petit calcul sans prétention fait apparaître qu’en grande croisière, l’utilisation d’un petit groupe électrogène fixe diesel de 3.500 W en 220 V coûte finalement la moitié du prix d’une PAC avec son entretien.

De plus, il utilise le même carburant que le moteur, produit du 220V et rechargera bien mieux les batteries avec le chargeur de quai qui est de toute façon indispensable dans le bateau. Il est même parfois possible de le démarrer à la main en cas de panne électrique totale.

Conclusions générales

La technologie moderne et silencieuse de la pile à combustible est séduisante mais encore chère. Elle a le handicap d’un mauvais rendement et utilise un combustible différent. Si elle peut être tentante dans un petit bateau par manque de place pour installer un petit groupe, le problème n’est que déplacé puisqu’il faut embarquer quantité de méthanol de qualité. 

En grande croisière, l’analyse indique que la PAC seule ne convient pas car elle    fonctionnera trop et imposera une maintenance rédhibitoire. Il est possible de diminuer l’énergie demandée à la PAC en la combinant avec d’autres producteurs (alternateur d’arbre, panneau solaire, éolienne), il faudra toutefois inclure le prix et le placement de ces appareils dans le bilan financier.

Ces producteurs secondaires ne sont pas à dédaigner, ils sont aussi une sécurité en cas de panne du groupe, du chargeur ou de l’alternateur moteur. Nous sommes en grande croisière, pas en promenade estivale.

Le groupe électrogène reste aujourd’hui la meilleure solution pour alimenter son cher voilier en indispensables Ah. La PAC doit être mise au même niveau que les éoliennes, panneaux solaires et alternateurs d’arbre, c’est à dire un producteur secondaire destiné à faire moins de moteur ou moins de groupe. Si une PAC est envisagée, il faudrait prendre le modèle le plus productif (aujourd’hui 210 Ah par jour).

Pour les bateaux de plus de 45 pieds, le groupe est le bon choix, sans hésitation (si possible un 1.500 T/m, plus résistant). Il offre une recharge à 100% via le chargeur et produit du 220V pour des applications domestiques à bord (lave-linge, dessalinisateur, compresseur de plongée, etc.)

En revanche, dans le cadre d’une navigation plus ponctuelle de quelques mois (tour de Méditerranée par exemple) ou pour une croisière estivale. La PAC offre un choix intéressant qui mérite d’être sérieusement examiné. Son usage en camping-car est largement diffusé.

En annexe ci-après, vous trouverez un petit reportage fait sur le Dufour 45 de mon ami Marcel. Le matériel Max Power n’existe plus, mais ce retour d’expérience garde toujours sa pertinence. Le logiciel de charge Efoy est aujourd’hui plus sophistiqué.

Pour approfondir vos connaissances, voici trois liens:

• Wikipédia : explication plus détaillée PAC
• Insa-Rouen: La pile à combustible
• Arte: documentaire de 41 minutes

Pour vous détendre après ce long article très technique:

Connaissez-vous la puissance électrique d’un coton-tige? (2 ouates)

Merci à Marcel de Minariacum pour les informations qu’il a bien voulu partager.

Création: Septembre 2009 – Ré-écriture: Avril 2020 - Crédit photos: Patrick

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Annexe: retour d’expérience PAC sur un DUFOUR 45 en 2008

Un bateau ami s’est équipé d’une PAC dans le cadre d’une grande croisière. C’était l’occasion de faire point sur ce sujet avec lui au terme de huit mois de navigation en grande croisière. Il s’agit d’un DUFOUR 45 normalement équipé pour ce type de voyage (pilote, frigo, électronique complète avec cartographie électronique, mais sans congélateur).

Installation

Après avoir réalisé son bilan électrique, Marcel a choisi d’équiper son bateau d’une pile à combustible MAX POWER MFC100 produisant 100Ah par jour. Cette marque n’existe plus (avril 2020), il n’y a plus que la marque EFOY dans ce créneau de marché (plaisance et camping-car). Ce n’est pas très important car les appareils sont proches et les conclusions restent valables.

C’est le milieu de gamme pour ce type de PAC qui s’étant aujourd’hui de 80 à 210Ah par jour. 

L’appareil se présente sous forme d’une valisette assez compacte. Une poignée permet de le transporter et un socle amovible permet de le fixer dans le bateau. 

L’installation est très simple mais le positionnement de la PAC à bord n’est pas anodin. Il faut tenir compte d’une série d’éléments:

• Emplacement sec, présentant une gîte raisonnable (prévoir de le placer plutôt dans l’axe du bateau).
• Emplacement pour le bidon de méthanol (5 ou 10 L) à moins de 30cm.
• Bonne arrivée d’air, car il joue un rôle dans le processus de fabrication électrique (conso. d’oxygène).
• Bonne évacuation d’air, car le processus dégage de la chaleur.
• La quantité d’eau produite en tant que déchet est faible, un fin tuyau flexible la dirige vers un pot vidé de temps en temps.
• L’éloignement des batteries implique le respect de la section des câbles telle qu’indiquée dans la notice technique.
• L’appareil est presque silencieux, ce qui permet de garder le coffre ouvert.

Marcel a installé l’unité sous une banquette du carré. Malgré des ouïes de ventilation dans la banquette, il doit faire fonctionner la PAC avec la banquette ouverte. Ce qui n’est pas anormal au vu de la température dans le bateau sous les tropiques (28 à 33°C). La température de travail de la PAC ne peut pas dépasser 40°C.

On voit sur les photos ci-contre le bidon de 5L de méthanol raccordé, et un autre en réserve. Dans le compartiment voisin plusieurs bidons de réserve prennent place.

Cent litres de méthanol ont été emportés au début de la croisière. Un rangement spécifique a été installé dans un coffre de cockpit.

Parti en juillet de France, il restait 40 L de méthanol en mars, dans les conditions d’utilisation que nous verrons plus loin. Le méthanol est inflammable, il faut donc stoker correctement les bidons pour qu’ils ne se percent pas…

L’appareil se commande et se contrôle depuis un petit panneau encastré à la table à carte. Difficile de faire plus simple: un bouton ON/OFF, quelques voyants lumineux et un afficheur digital. Il ne faut d’ailleurs rien de plus.

Marcel dispose de 4 batteries de service de 105Ah. Total 420Ah. En navigation, il consomme +- 200Ah par jour et sa PAC peut délivrer 100Ah par jour. Le déficit de 100Ah est comblé par l’alternateur moteur à défaut d’autres producteurs d’électricité.

Contrairement à la consommation annoncée par le constructeur (0,9L/KWh), Marcel relève une consommation de ±1,2L de méthanol par kWh produit, ce qui donne 4 kWh par bidon de 5L ou 800W produits par litre de méthanol. Il a également mesuré que ces 5L disparaissaient en 94 heures >> production moyenne de ± 1000Wh/jour (4000Wh/94h). Le constructeur annonce 1200Wh/jour.

Dans ce cas du bateau de Marcel, la PAC MFC100 de Max Power compense la moitié de la consommation du bord. Il me dit qu’avec deux piles à combustible MFC100, il étalerait complètement la consommation. Le fabricant indique d’ailleurs qu’il est possible de mettre deux PAC en parallèle.

Si c’était à refaire, Marcel ajouterait deux batteries de 105 Ah pour porter son parc batteries service à 630 Ah.

La PAC ne fait que débiter des ampères entre une tension basse et haute. La régulation est simple par rapport à un chargeur 220V. Comme avec l’alternateur du moteur, il n’est pas possible de recharger les batteries à 100%. Il est donc très important pour la vie des batteries d’être rechargées régulièrement avec un chargeur de quai.

Gare à ne pas tomber en panne de batteries, car la PAC a besoin d’un minimum de 10,5V pour fonctionner, mais ce défaut est vrai pour la plupart des moteurs et groupes électrogènes.

Après huit mois de grande croisière, Marcel tire le bilan technique suivant:

POINTS POSITIFS

• Compacité du système.
• Absence de bruit.
• Absence de pollution à l’utilisation.
• Absence d’entretien avant un certain nombre d’heures.
• Entièrement automatique.
• Production Ah en même temps que consommation.

POINTS NEGATIFS

• Utilisation d’un carburant spécifique.
• Production électrique de 100 Ah un peu faible .
• Recharge incomplète (idem alternateur).
• Prix au kWh assez cher…