Pourquoi avoir lancé ce projet ?

Lors des grandes traversées en mer, un voilier se retrouve isolé de tout ravitaillement en énergie. Les voiliers de longues croisières sont alimentés par des sources d’énergie variées qui sont de plus en plus nombreuses (générateur diesel, photovoltaïque, éolienne, turbine, etc…) et sont également de plus en plus équipés (pour assurer la sécurité, la navigation, le confort, etc.). Le réseau électrique hybride de ce type de voilier devient donc de plus en plus complexe et difficile à gérer de manière optimale. Aussi, il devient nécessaire d’automatiser la gestion de ce réseau de production pour le confort et la sécurité des passagers.

Des solutions de gestion de réseaux électriques existent dans d’autres domaines (bâtiment, transports terrestre, etc…), mais le cas d’un objet isolé de toute source énergétique pendant une longue période, tel qu’un voilier, est bien plus complexe et ne permet pas l’adaptation de solutions existantes, d’autant que la sécurité des passagers dépend de l’autonomie du voilier.

Il est également difficile d’estimer la production et la consommation d’énergie en raison des incertitudes météorologiques et du comportement des passagers.

Par ailleurs, l’une des particularités du réseau à bord d’un tel voilier est la prise en compte de l’existence de nombreuses charges à haute puissance, qui sont du même niveau que pour un appartement (chauffage, four, plaques de cuisson, machine à laver, etc.). Cela représente alors une contrainte supplémentaire pour la stabilité du micro-réseau électrique à bord. Par conséquent, les solutions existantes pour les systèmes embarqués souvent de faible puissance, ne sont pas applicables dans notre cas.

En quoi consiste concrètement le projet E3S ?

L’outil de gestion E3S inclut un calculateur doté d’une Intelligence Artificielle et d’une Interface Homme-Machine en interaction avec les passagers. Il comporte un algorithme d’optimisation qui définit et propose la mise en œuvre d’une stratégie de gestion de l’énergie, adaptée aux conditions globales de navigation et au comportement des passagers, en temps réel.

Ce système vient compléter les installations existantes à bord, en s’adaptant à la configuration du réseau déjà installé par le constructeur du voilier.

Comment fonctionne cet outil ?

Il permet d’abord d’établir du point de vue énergétique un scénario du déroulement de la croisière en réalisant une prédiction à long terme (à l’échelle de la traversée). Ensuite, il apporte des corrections en temps réel, en prenant en compte les aléas et les incertitudes ayant un impact direct sur les sources et les charges à bord (météorologie, vitesse de déplacement, comportement des passagers, etc.) grâce à  une solution basée sur une gestion multicouche (trois couches dans notre cas) de l’énergie (voir figure 1).

La première couche de gestion à long-terme est un algorithme d’optimisation sur la totalité du voyage (jusqu’à la fin de la traversée). Celui-ci est basé sur un pas temporel dépassant l’heure (4h par exemple). Son but consiste à maximiser l’autonomie du voilier, en se concentrant principalement sur la gestion du stockage d’énergie et du carburant disponible. Cet algorithme prend en considération les incertitudes liées à la production et à la charge globale, en recalculant les valeurs optimales à chaque pas temporel.

La seconde couche de gestion à court-terme est un algorithme d’optimisation sur une courte durée (48 heures par exemple), basé sur un pas temporel de l’ordre de quelques minutes. Sa mission est de maximiser le confort des utilisateurs en se concentrant sur une gestion plus détaillée, incluant l’ensemble des charges à bord du voilier.

Enfin, la dernière couche de gestion dynamique (en temps réel) a pour objectif la gestion du micro-réseau multi-sources/multi-charges à bord du voilier. Cette couche utilise les résultats sur les flux énergétiques issus des deux couches précédentes et assure la stabilité du réseau, en agissant sur les convertisseurs statiques.

Stratégie de gestion multicouche

En quoi cet outil a un impact environnemental positif ?

E3S favorise l’utilisation des énergies renouvelables ce qui a un impact positif sur l’environnement. Le système assure les compromis difficiles entre : maximiser le confort des passagers tout en minimisant les pertes énergétiques, privilégier les systèmes de stockage des énergies vertes afin de maximiser l’autonomie du voilier et assurer son indépendance vis-à-vis des sources d’énergies polluantes.

Ceci est obtenu grâce aux algorithmes d’optimisation développés et implémentés dans le système E3S, qui veillent de manière instantanée à garantir l’équilibre entre la demande énergétique, la production de l’énergie renouvelable, le stockage et le générateur thermique (sécurité énergétique).

Qu’apporte cet outil par rapport aux solutions existantes ?

Le système E3S apporte une forte valeur ajoutée au voilier, moyennant un faible coût d’investissement (achat, installation et entretien). De plus, il ne présente quasiment pas d’encombrement et son installation reste simple, ne nécessitant pas beaucoup de travaux et s’adapte parfaitement à la configuration de chaque voilier. Le bateau devient ainsi plus sûr et plus confortable.

E3S se propose de prendre en charge de manière optimale la gestion de l’énergie à bord du voilier tout au long de la croisière, tout en respectant les choix des passagers grâce à ses algorithmes d’optimisation qui permettent de :

• Minimiser la consommation et les pertes énergétiques,
• Maximiser l’autonomie énergétique du voilier,
• Maximiser le confort et la sécurité des passagers.

E3S est un projet innovant complexe et pluridisciplinaire. Il a mobilisé pendant quatre années plusieurs compétences issues de différents domaines scientifiques et techniques (électrotechnique, énergétique, recherche opérationnelle, modélisation mathématique, optimisation, informatique, etc.). Nous avons travaillé en partenariat avec le laboratoire de recherche IRDL (UMR-CNRS-6027), afin de lever des verrous scientifiques et techniques importants et développer des solutions nouvelles et originales.

Actuellement, même si d’autres problématiques aussi complexes restent à résoudre, le projet est néanmoins suffisamment avancé pour envisager la construction d’un prototype laboratoire.

Aussi, Maria BITAR, ingénieure en électrotechnique, a été intégrée à l’équipe du projet pour réaliser une thèse de Doctorat sur ce sujet en collaboration avec l’IRDL, afin de consolider les solutions développées jusque-là d’une part, puis de concevoir et tester le concept E3S au laboratoire d’autre part.

Une fois le système E3S validé sur le prototype laboratoire (vers 2024), un prototype à échelle réelle sera construit et testé in situ, à bord d’un voilier en croisière et soumis aux contraintes réelles.