Puissance propulsive d'un navire hybride
Rappel : Résistance de remorquage
On définit la résistance de remorquage comme la somme de la résistance hydrodynamique et de la résistance aérodynamique dans l'axe du navire telle que :
\(R_{rem}= R_h+R_{aero}\)
Avec :
\(R_h\) la résistance hydrodynamique
\(R_{aero}\) la résistance aérodynamique
Puissance propulsive nécessaire
La puissance propulsive qui doit être transmise au navire afin d'atteindre l'équilibre est calculée comme la somme de toutes les forces de résistance à l'avancement:
\(P_{prop}=\sum (R_{rem}+R_{houle}+R_{gite}+R_{gouv_{induite}}+R_{coque_{induite}})\)
Avec :
\(R_{rem}\) la résistance de remorquage
\(R_{houle}\) la résistance ajoutée sur houle
\(R_{gite} \)la résistance ajoutée par la gîte du navire
\(R_{gouv_{induite}}\) la résistance induite par le gouvernail
\(R_{coque_{induite}}\) la résistance induite par la coque
Rappel : \(R_{coque_{induite}}\)
Le navire adoptera une vitesse, un angle de gîte et de dérive pour arriver à un équilibre pour chaque condition de fonctionnement.
L'angle de dérive est l'angle d'attaque de la coque, nécessaire pour générer une force latérale hydrodynamique en opposition à la composante transversale de la force aérodynamique.
Cette dérive sera à l'origine d'une résistance de coque induite (\(R_{coque_{induite}}\)).
Rappel : \(R_{gouv_{induite}}\)
Le décalage longitudinal entre les forces hydrodynamiques et aérodynamiques entraînera un moment de lacet qui devra être compensé, tout ou en partie par le gouvernail.
On parlera alors de résistance de gouvernail induite (\(R_{gouv_{induite}}\)).
Définition : Résistance ajoutée par la gîte \(R_{gite}\)
Dès que le navire gîte la symétrie des formes disparaît et par conséquent celle des écoulements.
Le champ de pression autour de la carène est perturbé et la résistance de forme augmente, particulièrement dans le cas du roulis. Ainsi plus les sections se rapprocheront d'un arc de cercle moins la dissymétrie sera importante. A contrario, on note la déformation des volumes et des lignes d’eau, avec un gonflement du bord sous le vent et un aplatissement du bord au vent.
Les carènes profondes et étroites sont les moins sujettes à ce défaut. Au contraire, les carènes larges et plates, qui se déforment beaucoup à la gîte, sont plus dures à la barre.
On comprend donc que le choix de laisser un navire gîter ou non devra être étudié dès la conception afin d'optimiser le dessin des lignes d'eau ainsi que déterminer le franc-bord minimal.
Remarque : Impact de la gîte sur l'hélice
Une gîte prononcée peut amener une aération de l'hélice et par là même une certaine perte d'efficacité.
Définition : Poussée de l'hélice
La poussée de l’hélice est l’effort qui résulte de la transformation de la puissance mécanique de rotation issue du moteur, en puissance mécanique de rotation.
Une hélice fonctionne sur le principe d’un profil portant, mais en rotation. Les paramètres principaux réglant la poussée développée par l’hélice sont sa vitesse de rotation n et sa vitesse d’alimentation, corrélée directement à la vitesse d’avance du navire.
En principe, la force de poussée est horizontale, alignée sur l’axe longitudinal du navire.
\(P_{prop}=P_{helice}+P_{aero}\)
ou encore :
\(P_{helice}=P_{prop}-P_{aero}\)
Poussée de l'hélice en fonction de la puissance résistive
La poussée de l'hélice que le navire doit générer pour atteindre l'équilibre est donc la somme de toutes les composantes de la puissance résistive:
\(P_{helice}=\sum (R_{rem}+R_{houle}+R_{gite}+R_{gouv_{induite}}+R_{coque_{induite}})-P_{aero}\)
Exemple : Poussée de l'hélice = consommation
On voit que si l'on souhaite diminuer la consommation d 'un navire à propulsion éolienne, et donc le recours à la poussée de l'hélice, il existe de nombreuses combinaisons possibles, qui dépendent du taux d'hybridation choisi.
Ainsi, si l'on souhaite pouvoir fonctionner exclusivement à la voile (\(h\)= 100 %), il faut que :
\(P_{helice}=0\)
C'est à dire que :
\(\sum (R_{rem}+R_{houle}+R_{gite}+R_{gouv_{induite}}+R_{coque_{induite}})-P_{eol}=0\)
Ou encore :
\(P_{eol}=\sum (R_{rem}+R_{houle}+R_{gite}+R_{gouv_{induite}}+R_{coque_{induite}})\)
Autrement dit, que la puissance éolienne soit en mesure de vaincre l'ensemble des forces de résistance.
Remarque : Impact de la dérive
Egalement, dans le cas d’une alimentation de l’hélice par un écoulement oblique (par exemple en dérive forte, ou bien lors d’une manœuvre de giration), alors une composante de poussée transversale apparaît.
Attention : Point de fonctionnement en dehors plage optimale= baisse de rendement
L'objectif initial de l'hybridation étant de profiter des avantages de plusieurs sources d'énergie, cela ne peut-être atteint que si le système est dimensionné en corrélation avec son utilisation, et ce dès le stade de la conception.
Le fait de transférer une partie de l'énergie propulsive sur un autre système peut amener à des pertes de performances, comme cela peut être le cas avec un une hélice par exemple.
Exemple : Diminution de la charge sur l'hélice
Le rendement usuel d'une hélice est de l'ordre de 55%, légèrement en deçà du rendement optimal (60%).
En effet, les systèmes de propulsion éoliens ont pour vocation de soulager l'hélice, c'est à dire de diminuer sa charge. Dans un premier temps, ces systèmes ont donc tendance à augmenter le rendement des hélices avant de le faire chuter (sous-charge).
De manière générale, les navires à propulsion éolienne travaillent en dehors de la zone optimale pour une hélice à pales fixes, ce qui favorise l'emploi d'hélices à pales orientables.
Exemple : Hybridation avec moteur diesel
On voit sur ce graphique que la consommation spécifique du moteur diesel, qui est une image du rendement, augmente lorsqu'on l'utilise en dehors de sa charge de conception (77% dans notre cas).
Ainsi en adjoignant un propulseur éolien sur la chaîne propulsive, la consommation s'en trouvera réduite mais le rendement sera moins bon . Il en va de même pour le propulseur éolien qui devra être dimensionné pour une plage d'utilisation plus ou moins large et sera donc, dans certaines conditions, en deçà de sa zone de rendement maximum.
Remarque : Moteur thermique, mais pas seulement
Nous avons évoqué l'hybridation moteur thermique-éolien.
Il est tout à fait possible d'envisager d'hybrider la propulsion éolienne avec n'importe quelle autre type d'énergie (électrique, hydrogène...etc).
Néanmoins, le dimensionnement de chaque élément répondra à la même logique que celle que nous venons d'étudier, à savoir la détermination d'une plage de fonctionnement optimale en regard des objectifs établis lors de la conception.