Cet article présente le projet de bateau de travail hybride K-Challenge K3-H2 et met en avant la manière dont la technologie de batteries à refroidissement par immersion de Wattalps a permis le développement d'un système de stockagepuissance compact etpuissance destiné à des applications maritimes exigeantes.
Contexte
Le projet K-Challenge K3-H2 a été lancé afin de présenter un bateau de travail fonctionnant à l'hydrogène, capable d'accélérer la décarbonisation des opérations maritimes.
Soutenu par la Région Bretagne et piloté par K-Challenge Lab, en collaboration avec un consortium de partenaires spécialisés dans les technologies maritimes et de l'hydrogène, parmi lesquels Kinell, Weenav, Argo Anleg, le Chantier Naval Delavergne Loire et Hopium, ce projet a abouti à la création d'un bateau de travail hybride de nouvelle génération de 7 tonnes, combinant les technologies des piles à combustible et des batteries.
Conçu pour des opérations commerciales exigeantes, notamment le transport de passagers, ce navire nécessitait une batterie ultra-compacte capable de fournir puissance de 180 kW puissance une énergie de seulement 60 kWh, tout en respectant les exigences de certification maritime du Bureau Veritas.
Le défi : fournir une puissance de 180 kW à partir d'une batterie compacte de 60 kWh
L'équipe chargée du projet avait besoin d'un système de batteries capable de fournir :
- Capacité énergétique de 60 kWh
- puissance de crête de 180 kW puissance 3C)
- puissance continue de 150 kW puissance 2,5 C)
- Homologation maritime délivrée par Bureau Veritas
- Poids de la batterie inférieur à 1 tonne
Le défi ne résidait pas dans la capacité énergétique, puisque le profil de mission du navire ne nécessitait que 60 kWh d'énergie.
Le véritable défi consistait à fournir puissance de 180 kW puissance une batterie compacte de 60 kWh sans dépasser les limites de température susceptibles de nuire aux performances, à la sécurité et à la durée de vie de la batterie.
Lorsque les cellules de batterie fonctionnent à des températures supérieures à 35 °C pendant de longues périodes, leur vieillissement s'accélère. Au-delà de 40 °C, l'impact sur la durée de vie des cellules devient très important. Danspuissance comme celle-ci, la gestion thermique devient donc un facteur de conception essentiel.
La question qui se posait alors à l'équipe chargée du projet était la suivante : comment une batterie de 60 kWh peut-elle fournir 180 kW en toute sécurité sans surchauffer ?
Pourquoi les technologies de refroidissement traditionnelles se sont révélées insuffisantes
Les technologies traditionnelles de batteries marines peinaient à répondre aux puissance tout en garantissant des températures sûres et homogènes, sans pour autant augmenter de manière significative la taille et le poids des batteries.
Refroidissement par air
Le refroidissement par air offre une capacité de transfert thermique limitée, ce qui entraîne des gradients de température importants au sein du bloc-batterie.
Parmi les principales limites, on peut citer :
- Différence de température pouvant atteindre 30 °C entre les cellules
- Encombrement important
- Exigences supplémentaires en matière de traitement de l'air visant à prévenir la contamination
- Rendement thermique inférieur
Pour atteindre la puissance requise, une solution à refroidissement par air aurait nécessité une capacité de batterie de 180 kWh, soit le triple de la capacité de stockage d'énergie réellement nécessaire au navire.
Refroidissement par eau
Le refroidissement par eau améliore les performances thermiques, mais accroît la complexité du système.
Parmi ses limites, on peut citer :
- Différence de température pouvant atteindre 14 °C entre les cellules
- Poids et volume supplémentaires dus aux plaques de refroidissement
- Nécessité de mettre en place des barrières d'isolation électrique efficaces entre les composants sous tension et l'eau
- Risques de fuites nécessitant des systèmes de surveillance spécifiques
- Équipements de refroidissement supplémentaires, notamment des refroidisseurs
Même avec un système de refroidissement à eau, la batterie devrait tout de même être surdimensionnée à 150 kWh pour fournir en toute sécurité la puissance requise.
La solution WATTALPS
WATTALPS a relevé le défi de la gestion thermique grâce à sa technologie de refroidissement par immersion.
La technologie de refroidissement par immersion de WATTALPS permet une gestion thermique inégalée
Grâce à la technologie WATTALPS, les cellules de batterie sont directement immergées dans un fluide de refroidissement diélectrique, ce qui garantit un transfert thermique très efficace et une température homogène dans l'ensemble du pack.
Cette technologie brevetée offre les avantages suivants :
- Différence de température de seulement 2 °C à travers la batterie
- Températures uniformes des cellules lors d'puissance
- Amélioration de l'autonomie de la batterie
- Une sécurité renforcée grâce à une gestion efficace de la chaleur et à l'évacuation des gaz
- Architecture de refroidissement simplifiée
Contrairement aux solutions classiques, il n'est pas nécessaire de disposer d'un groupe frigorifique dédié à la batterie ; le refroidissement peut être assuré par l'eau de mer comme source de froid, via un simple échangeur de chaleur à plaques.
Le fluide d'immersion joue également le rôle de tampon thermique, en absorbant les pics de puissance et en atténuant les fluctuations de température. Cela permet de dimensionner le système de refroidissement en fonction des charges thermiques moyennes plutôt que des charges de pointe, ce qui réduit encore davantage la complexité du système et la consommation d'énergie.
Atteindre un taux de décharge de 3C avec une batterie compacte de 60 kWh
Grâce à une gestion thermique de haut niveau, WATTALPS a permis d'atteindre la puissance requise puissance 180 kW tout en respectant l'objectif énergétique initial de 60 kWh.
Alors que les technologies traditionnelles nécessitaient un surdimensionnement important, le refroidissement par immersion a permis de dimensionner la batterie en fonction des besoins énergétiques réels du navire.
Comparaison des tailles de batteries :
| Technologie de refroidissement | Énergie de la batterie | Puissance de la batterie | Poids de la batterie | Puissance de refroidissement requise |
| Refroidissement par air | 180 kWh | 180 kW | 2 176 kg | 6 000 W |
| Refroidissement par eau | 150 kWh | 180 kW | 1 246 kg | 8 000 W |
| Refroidissement par immersion WATTALPS | 60 kWh | 180 kW | 560 kg | 1 000 W |
Cette comparaison met en évidence l'un des principaux résultats du projet : WATTALPS était la seule solution capable de fournir la puissance requise puissance une batterie de 60 kWh.
Résultats : un navire plus léger, plus simple et plus économe en énergie
Les avantages allaient bien au-delà des performances de la batterie.
En évitant le surdimensionnement de la batterie, la solution WATTALPS a permis de réduire considérablement son poids :
- 74 % plus léger qu'une batterie à refroidissement par air
- 55 % plus léger qu'une batterie à refroidissement par eau
Cette architecture simplifiée de gestion thermique a également permis :
- Pas de refroidisseur de batterie
- Intégration plus aisée dans le bateau
- Encombrement réduit
- Réduction de puissance des systèmes auxiliaires
- Simplification de la conception globale du bateau
L'impact sur l'exploitation du bateau a été tout aussi important.
Par rapport aux solutions classiques, l'architecture optimisée de la batterie offre :
- Une réduction de la consommation d'énergie de 13 % à 25 %
- Entre 6 800 € et 13 000 € d'économies annuelles sur le carburant
- Cela représente une économie de 113 à 216 € par kWh installé et par an. Le coût total de la batterie WATTALPS est entièrement amorti bien avant la fin de sa durée de vie grâce aux économies de carburant qu’elle permet de réaliser par rapport à d’autres batteries.
Conclusion
Pour ce bateau de travail hybride innovant, le défi consistait à obtenir une puissance élevée d'une batterie compacte sans compromettre la sécurité, la durée de vie ni le rendement.
Les technologies de refroidissement classiques ne pouvaient répondre à cette puissance de 180 kW qu’en surdimensionnant la batterie pour la porter à 150–180 kWh, ce qui entraînait une augmentation considérable du poids, de la complexité et des coûts d’exploitation.
En maintenant un écart de température de seulement 2 °C au sein de la batterie, le système de refroidissement par immersion de WATTALPS a permis à l'équipe projet d'atteindre l'objectif initial de 60 kWh tout en fournissant la puissance requise, soit 180 kW.
Il en résulte un bateau plus léger et plus performant, offrant une intégration simplifiée, des coûts d'utilisation réduits et une architecture qui n'aurait pas pu être mise en œuvre avec les technologies de refroidissement classiques.
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