Les matériaux composites avancés propulsent un bateau à foils électrique révolutionnaire

L'électrification mondiale des transports est une évolution inégale, simultanément permise et entravée par les multiples forces qui régissent le développement technologique et affectent tout, des automobiles et aéronefs sans pilote au transport ferroviaire et aux navires. Ces forces favorisant/entravant incluent des batteries en maturation rapide mais lourdes, une surveillance gouvernementale parfois lente à s'adapter, les principes de gravité et de friction, des exigences strictes de sécurité des passagers, des assureurs anxieux et un développement inégal des matériaux légers.

Pourtant, les innovations en matériaux, procédés, matériel et logiciel rendent possibles des produits qui étaient inconcevables il y a quelques années, et il n'y a peut-être pas de meilleur exemple que le Seven, un nouveau hors-bord électrique à grande autonomie, tout en composite, à foils, fabriqué par Candela Boats (Lidingö, Suède) en utilisant des solutions de matrice résine fournies par Sicomin Epoxy Systems (Châteauneuf-les-Martigues, France).

Comment on en est arrivé là

Candela Boats a été fondée en 2014 par le PDG Gustav Hasselskog qui, bien qu'ingénieur de formation, avait travaillé auparavant comme consultant et dans le marché des produits chimiques de consommation. Par sa propre admission, Hasselskog « s'était ennuyé » avec le monde du travail corporate et a décidé qu'il voulait trouver un travail plus significatif. Il a quitté son emploi corporate en 2014 et pendant cet été s'est retiré avec sa famille dans une maison située sur l'un des archipels qui entourent Stockholm, Suède.

« Nous avions un bateau de 25 pieds avec un moteur V8 », se souvient Hasselskog, ajoutant qu'aller n'importe où et obtenir quoi que ce soit nécessitait un trajet en bateau vers Stockholm, qui coûtait au moins 50 $ par trajet. « Cela semblait un peu bizarre, de dépenser autant d'argent pour un bateau », dit-il. Hasselskog a commencé à faire des calculs, se demandant ce qu'il faudrait pour rendre la navigation de plaisance plus efficace. « Ce que j'ai découvert », dit-il, « c'est que le sujet n'a pas été abordé pour rendre les bateaux plus efficaces et les rendre électriques. »

Hasselskog a commencé à étudier davantage le marché maritime de plaisance. Il a étudié la technologie des batteries et de la propulsion électrique, déterminant ce qui serait nécessaire pour donner à un bateau planant une autonomie d'au moins 50 milles marins — un objectif qu'il jugeait raisonnable. Jusqu'à présent, l'application de la propulsion tout-électrique dans les embarcations planantes a été entravée par le manque de puissance et d'autonomie, principalement à cause de la friction de surface de l'eau qu'un bateau doit surmonter. De plus, pour augmenter l'autonomie ou la puissance dans un bateau planant, il faut ajouter des batteries, ce qui ajoute aussi du poids et, par extension, de la traînée. En résumé, Hasselskog a découvert qu'il n'était pas possible de rendre un bateau planant plus efficace. « Un bateau planant est une impasse. On ne peut pas le rendre plus efficace », dit-il. « Le foil est la seule voie. » Alors, Hasselskog a vendu la maison d'été de la famille sur l'archipel, et en 2014 Candela Boats est née.

Le foil est intrinsèquement instable en raison de la thermodynamique complexe impliquée. Candela Boats a développé un système sophistiqué de capteurs et de contrôles pour manipuler les foils et assurer une navigation douce et sûre. Source | Candela Boats

Le foil n'est pas pour les âmes sensibles

Le défi principal du foil réside dans l'instabilité inhérente d'un bateau se déplaçant dans et au-dessus de l'eau, mais pas sur la surface de l'eau. Un foil — ou plus précisément un hydrofoil — est une structure en forme d'aile attachée au fond de la coque d'un bateau. Le foil traverse l'eau perpendiculairement à la direction de déplacement et, en utilisant les mêmes principes du vol d'avion, à une certaine vitesse fournit suffisamment de portance pour élever le bateau complètement hors de l'eau. La friction de la coque est ainsi éliminée, ne laissant que la traînée du foil et l'air comme résistances.

Les foils peuvent prendre une variété de formes, mais dans tous les cas ils doivent fournir une surface plane qui traverse l'eau bord d'attaque en premier. Et, comme une aile d'avion, l'angle d'attaque d'un foil dans l'eau peut être ajusté pour augmenter ou diminuer la portance. Les foils peuvent aussi être déployés à diverses profondeurs d'eau, mais la profondeur a un effet sur l'efficacité. Par exemple, le foilage de surface relativement peu profond est plus stable, mais moins efficace. Le foilage plus profond est plus efficace mais moins stable.

Dans tous les cas, « voler » au-dessus de l'eau présente un environnement hydrodynamique très différent par rapport à celui auquel fait face un bateau planant sur la surface de l'eau. Hors de l'eau et naviguant sur foils, un bateau se comporte très différemment — la répartition du poids, les virages, la résistance au vent et les eaux turbulentes doivent être soigneusement gérés.

La technologie du foil, bien que vieille de plus de 100 ans, a jusqu'à présent été utilisée principalement dans les grands voiliers de course et certains ferries à passagers. Les voiliers de course à foils sont généralement équipés de grands équipages bien entraînés pour gérer une structure de foil dynamique et rapide. Les ferries à foils reposent sur le foilage de surface, qui, comme noté, est plus stable.

Hasselskog a décidé de rendre son hors-bord aussi efficace que possible et a donc opté pour des foils profonds. Le défi serait de faire fonctionner un bateau à foils profonds facilement, sans heurt et en toute sécurité, quel que soit le pilote. Cela nécessiterait le développement d'un système de contrôle de foil sans précédent, et une structure de bateau qui n'est pas seulement légère, mais conçue spécifiquement pour le foil.

Construire le foil parfait

Le Seven mesure 7,7 mètres de long, 2,4 mètres de large, pèse 1 300 kilogrammes et a une capacité de six personnes. Il utilise deux foils, le plus grand étant déployé à environ 2 mètres de l'avant du bateau. La conception du foil principal est relativement simple : deux étraves traversent la coque dans l'eau et s'attachent à angle droit à un foil de 2,35 mètres de long, 200 millimètres de large et 25 millimètres d'épaisseur. Le foil — aussi appelé foil Π inversé — est orienté perpendiculairement à la direction de déplacement. Les étraves du foil sont motorisées pour monter et descendre afin d'abaisser et lever le foil. Quand le bateau n'est pas en mode foil, le foil est complètement rétracté au ras de la coque. À vitesses de foil, le foil est déployé dans l'eau à une profondeur maximale de 550 millimètres.

Quand le Seven n'est pas en mode foil, les deux étraves oranges qui se connectent au foil et l'actionnent pour le ramener au ras de la coque. Le foil blanc et orange est visible ici juste sous la coque et juste au-dessus du niveau de l'eau. Source | Candela Boats

À l'arrière du bateau se trouve un second, plus petit foil en T qui agit aussi comme gouvernail. Il est attaché à un moteur électrique de 55 kilowatts qui actionne un arbre d'entraînement dans le gouvernail qui fait tourner une hélice au bout du gouvernail. Le moteur est alimenté par des batteries rechargeables, situées dans la section très avant de la coque, pour fournir l'équilibre quand le bateau est en foil. Le Seven commence le foil à 14-15 nœuds, navigue à 22 nœuds, a une vitesse maximale de 30 nœuds et une autonomie de 50 milles marins.

Teodor Hällestrand, chef de produit chez Candela Boats, dit que les étraves et foils sont des composites fibre de carbone/époxy et ont posé un défi d'ingénierie de conception significatif. Pour fournir le contrôle requis pour une navigation douce, Candela devait pouvoir ajuster le foil aux conditions changeantes du bateau. Cela nécessite un système capteur/contrôle hautement dynamique associé à un foil hautement réactif. « Le foil est droit, mais nous voulions pouvoir le tordre dans l'eau, selon la vitesse, l'angle de roulis, l'angle de tangage et l'angle de lacet », dit Hällestrand. « Nous pouvons comprendre comment le bateau est positionné et ensuite ajuster l'orientation pour rendre la navigation aussi douce que possible. » Cela est accompli par le système de contrôle, qui ajuste dynamiquement les étraves pour soit changer l'angle d'attaque du foil, soit tordre le foil, particulièrement pour les virages.

Hasselskog dit : « Nous devons pouvoir tordre le foil avant ou fournir un angle d'attaque différent. » Toutes ces actions se produisent sous charge, dit-il, « donc nous avons besoin d'un matériau avec une faible rigidité en torsion, mais une haute rigidité en flexion. » Le résultat est un « plan de stratification assez élaboré » qui utilise des rubans de fibres de carbone unidirectionnelles (UD) (principalement ±45 degrés) pour fournir la rigidité et les capacités de flexion requises. Le foil utilise de la fibre de carbone à module standard de divers fournisseurs et infusé avec de la résine époxy SR1710 fournie par Sicomin Epoxy Systems. Le foil est durci à température ambiante, suivi d'un post-durcissage à 40 °C.

Une coque pas comme les autres

Nulle part la rupture du Seven avec les standards de conception des bateaux planants n'est plus apparente que dans la coque — tant dans la conception que l'ingénierie. Le plus notable est le fait que bien qu'il présente une coque standard en V, brisant les vagues, à l'avant du bateau, la coque est plate depuis les foils avant jusqu'à l'arrière. Hasselskog souligne plusieurs raisons pour cela.

Premièrement, dit-il, nous « n'avons besoin de la forme en V que pour percer les vagues. » Cela protège aussi les foils quand le bateau n'est pas en foil. Deuxièmement, aplatir la moitié de la coque simplifie la fabrication et économise beaucoup de poids. Troisièmement, dit-il, le fond plat rend le bateau incroyablement stable au quai pour l'embarquement/débarquement. « C'est comme une barge », note-t-il.

À l'intérieur de la coque, cependant, c'est où Candela a travaillé pour rendre le Seven non seulement structurellement sain, mais adaptable à une fabrication efficace à cadence relativement élevée. Hällestrand dit que la coque est comparable dans la conception à un fuselage d'avion — une peau entourant un treillis de longerons et de nervures. Comme le foil, la coque est infusée, en utilisant la même fibre de carbone UD et époxy SR1710, fabriquée sur un outillage composite également fait avec SR1710. L'épaisseur de coque sous la ligne de flottaison est de 3 millimètres ; l'épaisseur au-dessus de la ligne de flottaison est de 2 millimètres.

Marc Denjean, responsable export chez Sicomin, dit que le SR1710 est un système époxy performant qui fournit des « propriétés mécaniques bien au-dessus de la moyenne. » Sicomin fournit aussi un primaire époxy haute épaisseur en moule, ce qui signifie que la coque est démoulée prête pour la peinture.

Pour construire les longerons et nervures, Candela commence avec des panneaux stratifiés solides de 3 millimètres d'épaisseur en fibre de carbone/époxy infusés, puis les usine par CNC à la forme, selon l'endroit dans la coque où le stratifié est placé. Pour construire la structure de coque — longerons et nervures — ces formes découpées sont ensuite assemblées et attachées les unes aux autres et à la coque avec collage adhésif et fixations mécaniques.

Ce procédé de conception/fabrication par découpe-assemblage de stratifié, dit Hasselskog, s'est avéré hautement efficace et permet à Candela Boats de construire la structure de coque en seulement 40 heures. Cela permet aussi à l'entreprise d'ajuster facilement les structures internes aux changements de conception sans la dépense et le temps requis pour modifier les moules. « C'est facile à monter en échelle, faire des changements ou construire une nouvelle structure juste en changeant le code d'usinage », dit-il.

Le bilan

Conformément à la vision originale de Hasselskog, l'efficacité du Seven est difficile à battre — il est 4 à 5 fois plus écoénergétique qu'un bateau planant à essence comparable et convertit 90 % de son énergie chimique en énergie mécanique. De plus, le coût de possession du Seven, selon Candela, est 95 % inférieur à un bateau planant à essence.

L'entreprise a 190 commandes pour le Seven, et s'attend à assembler 40 bateaux en 2020. Hasselskog dit qu'actuellement Candela est seulement un concepteur et assembleur de bateaux. La fabrication des structures composites est faite par des tiers, mais Hasselskog dit que Candela pourrait internaliser ce travail alors qu'il cherche à optimiser les processus de fabrication et, ultimement, réduire l'empreinte carbone de l'entreprise. « Nous devons faire baisser nos coûts, et cela signifie fabriquer plus efficacement », dit Hasselskog. « Nous n'y sommes pas encore, mais nous allons dans la bonne direction. »