Besoin urgent de propulsion marine propre

Les moteurs diesel marins traditionnels émettent des quantités importantes de dioxyde de carbone (CO2), d'oxydes d'azote (NOx), d'oxydes de soufre (SOx) et de particules, contribuant aux problèmes de changement climatique et de qualité de l'air dans les collectivités côtières. L'Organisation maritime internationale (OMI) a fixé des objectifs ambitieux pour réduire les émissions de gaz à effet de serre provenant des transports maritimes d'au moins 50 % d'ici 2050 par rapport aux niveaux de 2008, ce qui pousse les armateurs, les concepteurs et les fabricants d'équipements à explorer d'autres sources d'énergie.

Les piles à combustible à hydrogène, associées à des propulseurs électriques, offrent une voie vers une utilisation à zéro émission pour un large éventail de navires, des petits traversiers et bateaux de travail aux grands navires océaniques. Cet article explore la science derrière les piles à combustible à hydrogène, leur application aux propulseurs marins, les avantages qu'ils apportent, les défis qui subsistent et les perspectives d'adoption généralisée.

Comment fonctionnent les piles à combustible à hydrogène

Le principe électrochimique

Une pile à combustible à hydrogène est un dispositif électrochimique qui convertit l'énergie chimique stockée dans l'hydrogène en électricité, avec la chaleur et l'eau comme seuls sous-produits. La cellule de base est constituée d'une anode, d'une cathode et d'une membrane électrolyte. L'hydrogène gazeux (H2) est alimenté à l'anode, où un catalyseur (généralement du platine) divise les molécules d'hydrogène en protons et électrons. Les protons passent par la membrane électrolyte, tandis que les électrons sont forcés de parcourir un circuit externe, créant un courant direct (DC) d'électricité. À la cathode, l'oxygène (O2) de l'air se combine avec les protons et les électrons pour former de l'eau (H2O).

Plusieurs types de piles à combustible existent, mais les plus applicables aux propulseurs marins sont les suivants:

  • Proton Exchange Membrane Carbillules (PEMFC): Fonctionner à basse température (60-80 °C), offrir une haute densité de puissance et peut réagir rapidement aux changements de charge, ce qui les rend idéales pour les applications de propulseurs à vitesse variable.
  • Les piles à combustible à oxyde solide (SOFC):[ Fonctionnent à haute température (600–1000 °C), peuvent modifier divers combustibles, dont le gaz naturel ou l'ammoniac, pour produire de l'hydrogène à l'interne et obtenir des rendements électriques très élevés (jusqu'à 60% ou plus).

Dans un système de propulseur marin, la pile à combustible fournit de l'électricité à courant continu à un entraînement à fréquence variable qui commande un moteur électrique couplé à l'hélice. Cet arrangement est essentiellement un système de propulsion électrique intégré, où les propulseurs sont alimentés par l'électricité plutôt que directement par un arbre relié à un moteur.

Stockage et approvisionnement en hydrogène

Pour qu'une pile à combustible fonctionne à bord d'un bateau, il faut stocker l'hydrogène en toute sécurité et la livrer à la pile.

  • Gazole comprimé:[ L'hydrogène est comprimé à 350–700 bar (5 000–10 000 psi) et stocké dans des réservoirs à haute pression, généralement fabriqués à partir de matériaux composites en fibre de carbone pour une légèreté et une résistance.
  • Hydrogène liquide: L'hydrogène est refroidi à -253 °C et stocké dans des réservoirs cryogéniques. L'hydrogène liquide a presque deux fois la densité d'énergie en poids de gaz comprimé, mais il nécessite une isolation complexe, une gestion de l'ébullition et une manipulation soigneuse.

Le choix dépend de la taille du navire, de la longueur de la route et de la disponibilité de l'infrastructure. Pour les traversiers côtiers à courte distance, le gaz comprimé est souvent suffisant; pour les navires de haute mer, l'hydrogène liquide peut devenir nécessaire pour atteindre une plage acceptable.

Avantages des piles à hydrogène pour les thrusters marins

Zéro émission au point d'utilisation

Le plus important est que les piles à combustible à hydrogène ne produisent pas d'échappement dangereux pendant le fonctionnement. La seule émission est la vapeur d'eau, qui est inoffensive. Cela élimine le CO2, les NOx, les SOx et les particules, améliorant directement la qualité de l'air dans les ports, les ports et le long des voies de navigation.

Haute efficacité et puissance flexible

Les piles à combustible peuvent atteindre une efficacité électrique de 40 à 60 %, contre 35 à 40 % pour les moteurs diesel modernes. De plus, les piles à combustible conservent une efficacité élevée sur une large gamme de charges, tandis que le rendement du diesel diminue fortement à des charges partielles. Ceci est particulièrement utile pour les propulseurs, qui fonctionnent souvent à puissance variable pendant les manoeuvres, le positionnement dynamique ou le transit dans des conditions de mer variables.

Opération silencieuse et vibration réduite

Les piles à combustible ont peu de pièces mobiles (principalement des pompes, des ventilateurs et des vannes), donc elles fonctionnent tranquillement par rapport aux moteurs à combustion interne. Cela réduit la pollution sonore pour la vie marine et améliore le confort de l'équipage, en particulier dans les bateaux où les logements sont proches de la machine de propulsion.

Réalimentation rapide par rapport à la charge de batterie

La propulsion électrique par batterie est également une option zéro émission pour le transport maritime à courte distance, mais le rechargement de grandes batteries peut prendre des heures et nécessite une infrastructure électrique importante côté rivage. Le ravitaillement en hydrogène (bunkering) peut être effectué en quelques minutes, comme le bunker diesel classique.

Scénario et modularité

Les systèmes de piles à combustible sont modulaires : des piles multiples peuvent être combinées pour répondre aux besoins en puissance de tout navire, d'un remorqueur portuaire de 100 kW à un navire conteneurisé de 10 MW. Cette évolutivité permet aux chantiers navals de déployer des modules de piles à combustible normalisés, réduisant ainsi la complexité technique et permettant une adoption progressive.

Principaux défis et considérations

Densité et sécurité du stockage de l'hydrogène

Malgré sa grande énergie par unité de masse, l'hydrogène a une très faible énergie par unité de volume dans des conditions ambiantes. Même si il est comprimé à 700 bar, l'hydrogène occupe environ quatre fois plus de volume que le diesel pour la même teneur en énergie. Pour un navire, ce volume supplémentaire doit être adapté, nécessitant souvent un espace de pont ou des compartiments de coque spécialement conçus.

La sécurité est une préoccupation primordiale. L'hydrogène est hautement inflammable et a une large gamme d'inflammabilité (4-74% dans l'air). Il brûle également avec une flamme invisible et peut fragiliser certains métaux. Les règlements maritimes des sociétés de classification (DNV, Lloyd , ABS) sont en cours de mise à jour pour traiter des systèmes de carburant hydrogène, y compris la détection des gaz, la ventilation, les équipements antidéflagrants et les protocoles d'arrêt d'urgence.

Infrastructure de ravitaillement

Bien que quelques ports pionniers aient installé des stations de ravitaillement en hydrogène pour les traversiers (par exemple au Japon, en Norvège et en Allemagne), la plupart des ports ne disposent pas de matériel, de personnel qualifié et de cadres réglementaires pour gérer l'hydrogène.

Coût actuel des systèmes de piles à combustible et du combustible à hydrogène

Les systèmes de piles à combustible restent coûteux, les coûts en capital par kilowatt étant estimés à 3 à 5 fois ceux d'un groupe diesel comparable. La teneur élevée en platine des catalyseurs PEM contribue à ce coût, bien que la recherche sur les catalyseurs à faible teneur en platine et sans platine progresse. Entre-temps, l'hydrogène vert coûte actuellement de 4 à 8 dollars le kilogramme, soit environ 2 à 4 fois le coût équivalent en énergie du diesel marin (à 0,50 à 0,70 dollar par litre).

Durabilité du système et environnement marin

Les piles à combustible se dégradent au fil du temps en raison d'empoisonnements par catalyseur (surtout par le soufre et le CO2 dans l'air), de contraintes mécaniques membranaires et de la gestion de l'eau de sous-produit.Dans un milieu marin, l'air est salé et les vibrations provenant des opérations de propulseurs peuvent être graves.Les fabricants de piles à combustible développent des matériaux résistant à la corrosion, maintiennent les systèmes de filtration de l'air et conçoivent des piles robustes qui peuvent supporter le milieu marin difficile.

Projets réels et nouvelles applications

Observateur de l'énergie et bateaux à hydrogène

Depuis 2017, l'Energy Observer, un ancien catamaran de course transformé en laboratoire flottant, teste les piles à hydrogène en combinaison avec les systèmes solaires, éoliens et batteries.Le navire utilise l'électrolyse embarquée pour produire de l'hydrogène à partir de l'eau de mer lorsque les énergies renouvelables sont abondantes, puis stocke le gaz pour être utilisé ultérieurement dans les piles à combustible pour alimenter ses propulseurs électriques.

Plans de ferry à hydrogène Viking

En 2025, la société a annoncé qu'elle prévoit de moderniser un navire pour fonctionner entièrement sur l'hydrogène, avec des piles à combustible fournissant à la fois des charges de propulsion et d'hôtel. Bien que les détails restent rares, le projet indique que les grands exploitants de croisières considèrent l'hydrogène comme une solution viable à long terme pour la croisière à zéro émission.

Norvège - Ferry à hydrogène et Cargo - Endeavors

La Norvège, leader de la décarbonisation maritime, a lancé le premier traversier automobile à hydrogène, MF Hydra, en 2023. Le traversier opère sur une courte route à Rogaland, en utilisant l'hydrogène comprimé et les piles à combustible PEM pour conduire ses propulseurs. De même, le Yara Birkeland (un cargo autonome à batterie électrique) a inspiré des projets de versions hydrogène-électriques qui pourraient étendre la portée.

Applications pour bateaux de remorquage et bateaux de travail

Aux États-Unis, des projets comme eWolf (un remorqueur tout électrique par Crowley) explorent des solutions uniquement pour les batteries, mais on envisage de construire des piles à hydrogène pour les remorqueurs de puissance supérieure et les navires de soutien en mer où les batteries ne peuvent pas fournir à elles seules une endurance suffisante.

Perspectives d'avenir et voie à suivre

Approvisionnement en hydrogène vert

Aujourd'hui, la plupart de l'hydrogène est -grise,-- produit à partir de gaz naturel avec des émissions de CO2. Pour que la propulsion marine soit vraiment durable, l'industrie doit passer à -gergeen--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Cadres de réglementation et de classification

L'OMI élabore des directives provisoires pour l'utilisation des systèmes de piles à combustible et de l'hydrogène comme combustible. Le Code international de sécurité des navires utilisant des gaz ou d'autres combustibles à faible point d'éclair (code IMF) est en cours d'élargissement pour couvrir l'hydrogène de manière exhaustive.

Améliorations technologiques sur l'horizon

  • Membranes de la prochaine génération: Des membranes PEM à haute température (120–150 °C) sont en cours de développement qui peuvent tolérer des impuretés plus élevées et réduire les exigences de refroidissement, améliorant ainsi la durée de vie des piles à combustible marines.
  • Les cellules supportées par le métal:[ Le remplacement du papier carbone par des supports métalliques pourrait augmenter la densité de puissance et la robustesse contre le cycle thermique et les vibrations.
  • Ammonia comme un porteur d'hydrogène: L'ammoniac (NH3) est plus facile à stocker et à manipuler que l'hydrogène liquide.Le craquage à bord peut produire de l'hydrogène pour les piles à combustible, bien que la toxicité de l'ammoniac et les sous-produits d'oxyde d'azote doivent être gérés avec soin.
  • Hybridisation avec les batteries:[ L'association des piles à combustible avec les batteries permet à la pile à combustible de fonctionner à une puissance constante tandis que les batteries gèrent des charges de propulseurs transitoires, améliorant ainsi l'efficacité et la durabilité de la pile.

Conclusion : Une transition propre mais complexe

Les piles à combustible à hydrogène offrent une voie puissante vers la propulsion maritime à zéro émission, en particulier lorsqu'elles sont intégrées aux propulseurs électriques. Elles offrent une efficacité élevée, un fonctionnement silencieux et un ravitaillement rapide, répondant à de nombreuses limites des systèmes de piles uniquement. Pourtant, les défis en matière de stockage de l'hydrogène, d'infrastructure, de coût et de durabilité doivent être résolus avant qu'ils ne deviennent communs dans le transport commercial.