Les propulseurs électriques remodelent la navigation côtière

Pendant des décennies, les moteurs diesel et les moteurs azimuts ont été des moteurs de ce secteur. Bien que fiables, ces systèmes libèrent d'importantes quantités d'oxydes d'azote, d'oxydes de soufre et de particules, polluants qui affectent de façon disproportionnée les collectivités près des ports et des voies de navigation. Un nombre croissant d'exploitants de flotte évaluent maintenant les propulseurs électriques comme un remplacement direct. Le changement n'est pas une perspective lointaine; les navires à propulsion électrique complète sont déjà exploités dans les métiers de la mer courte, et les configurations hybrides prouvent leur viabilité sur les routes côtières plus longues.

Cet article examine ce que signifie réellement la transition des propulseurs électriques traditionnels aux propulseurs électriques, soit les changements techniques, les compromis opérationnels et les réalités commerciales. Il est écrit pour les propriétaires de navires, les ingénieurs marins et les gestionnaires de flottes qui ont besoin d'une évaluation claire de l'emplacement de la propulsion électrique aujourd'hui et de ce qu'il faudra pour adopter à grande échelle les flottes côtières.

Pourquoi les propulseurs diesel ont dominé le transport côtier

La propulsion diesel-mécanique a été la norme pour les petits et moyens navires côtiers pour une raison simple: elle fonctionne. Les moteurs diesel marins sont robustes, le carburant est largement disponible et l'infrastructure de maintenance est globale. Les unités de thruster, que ce soit des propulseurs de tunnel pour manoeuvre ou des gousses azimuts pour propulsion primaire, sont alimentées par un arbre courant de la salle des machines.

Le carburant représente l'un des plus gros frais d'exploitation pour un navire côtier, et les prix du diesel sont volatils. L'entretien des moteurs est fréquent – changements d'huile, entretien des injecteurs, révision des turbocompresseurs – qui ajoutent des temps d'arrêt. Le profil des émissions est de plus en plus problématique à mesure que les ports appliquent des règlements plus stricts sur la qualité de l'air.

Fondements du propulseur électrique: ce qui change sous le capot

Un propulseur électrique remplace la connexion mécanique directe entre le moteur et l'hélice par un moteur électrique. Le moteur peut être monté directement à l'intérieur du propulseur ou connecté par un arbre court. L'alimentation est fournie par des piles, des piles à combustible ou un groupe électrogène (en configuration hybride). La principale différence est que le moteur principal, le moteur diesel, n'a plus besoin de fonctionner à des vitesses variables pour répondre à la demande de l'hélice.

Les propulseurs électriques modernes utilisent des moteurs à aimants permanents, qui atteignent une efficacité supérieure à 95 % sur une large plage de vitesse. Comparez cela avec un moteur diesel qui conduit une hélice à travers une boîte de vitesses : l'efficacité globale est souvent inférieure à 40 % en raison de pertes thermiques, de frottement mécanique et d'inefficacités de la charge partielle.

Plusieurs fabricants offrent maintenant des paquets de propulseurs électriques conçus pour leur usage. Les Azipod et EcoPeller d'ABB sont des exemples d'unités d'entraînement électriques intégrées conçues pour les bateaux côtiers et intérieurs.

Systèmes de batteries : l'outil critique

La méthode la plus courante pour alimenter les propulseurs électriques est aujourd'hui la batterie au lithium-ion. Les batteries sont installées dans des compartiments dédiés avec des systèmes de gestion thermique et de suppression d'incendie. La densité énergétique s'est améliorée de façon constante, les batteries de qualité marine de courant stockent environ 150–180 Wh/kg, comparativement à environ 40 Wh/kg pour l'acide plombique, mais elle est encore bien inférieure à la densité énergétique du carburant diesel (environ 12 000 Wh/kg).

Pour les routes côtières plus longues, les configurations hybrides sont plus pratiques. Un petit générateur diesel, souvent appelé un groupe électrogène, charge les batteries pendant que le bateau est en mer ou à l'ancre. Les propulseurs fonctionnent sur la batterie pour l'arrivée, le départ et la manœuvre au port, les phases où les règlements sur les émissions sont les plus stricts.

Systèmes de gestion et de contrôle de l'énergie

Un système de propulsion électrique nécessite une gestion de l'énergie sophistiquée pour équilibrer les charges entre les batteries, les générateurs (s'il y a lieu) et les propulseurs. Le système de gestion de l'énergie (SGP) surveille la tension, l'état de charge et la demande de charge. Lorsque les propulseurs exigent une puissance élevée, le SGP peut puiser simultanément dans les batteries et les générateurs.

Pour les exploitants de flotte, l'interface de commande est semblable aux commandes de propulseurs traditionnelles – les entrées de joystick ou de levier se traduisent par des commandes de moteurs. La courbe d'apprentissage pour l'équipage est généralement courte, surtout si le navire conserve une disposition conventionnelle de pont. Cependant, une formation sur la gestion de la batterie et les procédures d'urgence est essentielle.

Avantages des propulseurs électriques pour les opérations côtières

Zéro émission au point d'utilisation

Pour un navire côtier qui passe une partie importante de son temps au port (souvent 30 à 50 % de la journée), la réduction de la pollution atmosphérique locale est importante. Port de Long Beach[ et Port de Rotterdam offrent tous deux des droits de port réduits pour les navires dont la capacité d'émission est nulle, ce qui constitue une incitation financière dépassant les avantages environnementaux.

Coûts d ' exploitation inférieurs à la durée de vie

L'électricité est moins chère que le diesel sur une base équivalente à l'énergie dans la plupart des marchés maritimes, et l'entretien des moteurs électriques est minime. Il n'y a pas de changement d'huile, pas d'injecteurs de carburant à remplacer, pas de systèmes de traitement aval des gaz d'échappement à entretenir.Les principaux composants qui portent sont les roulements de moteur (qui sont scellés et de longue durée) et l'électronique de puissance (qui n'ont pas de pièces mobiles).

Fonctionnement plus silencieux et confort de l'équipage

Les niveaux sonores dans la salle des machines peuvent diminuer de 20 dB ou plus, améliorant les conditions de travail des équipages et réduisant le bruit pendant les opérations portuaires de nuit. Pour les navires côtiers qui opèrent près des zones résidentielles, la réduction du bruit est un avantage pour les relations communautaires. Certains exploitants de traversiers ont signalé que l'élimination du bruit des moteurs réduit également la fatigue des gardiens, car ils peuvent mieux entendre les communications et les alarmes VHF.

Efficacité énergétique et adéquation des charges

Dans les systèmes classiques, un moteur diesel au ralenti à faible régime produit peu de couple, exigeant de l'opérateur qu'il revisite le moteur pour construire une poussée, ce qui entraîne une perte de carburant et une usure croissante. Les propulseurs électriques fournissent une réponse instantanée, réduisant l'énergie totale consommée pendant l'amarrage et le démarchage. Le gain d'efficacité est le plus élevé pour les navires ayant des cycles de service très variables, tels que les remorqueurs, les traversiers et les navires d'alimentation qui alternent entre le transport et l'entretien en gare.

Obstacles réels à l'adoption généralisée

Les limites de portée de la batterie restent l'obstacle principal

Pour les navires côtiers qui exploitent des routes de plus de 50 à 100 milles marins, la propulsion tout électrique n'est pas encore pratique sans recharge intermédiaire. La densité énergétique des batteries s'améliore, mais le taux d'amélioration est limité par les exigences de chimie et de sécurité. Un voyage côtier de 200 milles nautiques nécessiterait un pack de batteries pesant de nombreuses dizaines de tonnes, réduisant la capacité de chargement et soulevant des défis de conception structurelle.

Coûts initiaux élevés en capital

Un système de propulseur électrique, incluant les batteries, l'électronique électrique et l'équipement de recharge, peut coûter 1,5 à 3 fois plus cher qu'un système diesel-mécanique classique d'une puissance équivalente. Le bloc de batteries représente à lui seul 30 à 50 % du coût total du système électrique. Bien que les coûts d'exploitation soient moins élevés, la période de récupération peut être de cinq à dix ans, ce qui dépasse l'horizon d'investissement typique de nombreux exploitants côtiers.

Charger les lacunes en matière d'infrastructure

Bien que les principaux ports installent des connexions électriques à terre, les ports de petite taille, où de nombreux navires côtiers appellent, manquent souvent de capacité électrique. L'installation de chargeurs de haute puissance (1–5 MW) nécessite des améliorations des transformateurs, des aiguillages et des accords d'interconnexion de réseau qui peuvent prendre des années à organiser. Pour les navires fonctionnant sur des horaires fixes, tout décalage entre la disponibilité des recharges et le temps de remise en service peut perturber les opérations.

La durabilité des réseaux

Dans les régions où le réseau est fortement tributaire du charbon ou du gaz naturel, les émissions de propulsion électrique du cycle de vie peuvent être comparables, voire supérieures, aux moteurs diesel modernes avec traitement aval des gaz d'échappement. Pour maximiser les avantages environnementaux, les ports doivent investir dans des sources d'énergie renouvelables comme l'énergie solaire, éolienne ou hydroélectrique pour alimenter leurs bornes de recharge. Certains ports associent la recharge à terre avec le stockage de batteries pour faciliter la demande et intégrer les énergies renouvelables.

Considérations techniques et opérationnelles pour la conversion du parc

Rénovation vs newbuild

La conversion d'un bateau côtier diesel-mécanique existant en propulsion électrique est complexe et coûteuse. Les unités de propulseurs elles-mêmes peuvent être remplacées par des variantes électriques, mais la disposition de la salle des machines, la ventilation, le système électrique et le système de commande doivent être repensés. Les compartiments de batteries doivent être installés, souvent au détriment de l'espace de charrette ou de chargage.

Formation et sécurité des équipages

La propulsion électrique présente des risques tels que le flash à arc, les feux de batterie et les chocs électriques qui diffèrent des dangers traditionnels dans la salle des machines. Les programmes de formation devraient porter sur les procédures manuelles de dépassement, les protocoles d'isolement et les techniques de lutte contre l'incendie au lithium-ion. Les exploitants devraient également mettre à jour leurs systèmes de gestion de la sécurité (SGS) pour tenir compte des nouveaux risques.

Intégration avec le logiciel de gestion de flotte existant

Les propulseurs électriques nécessitent de nouvelles entrées de données : état de charge de la batterie, calendriers de recharge, disponibilité du réseau et consommation d'énergie en kWh. L'intégration de ces paramètres dans les systèmes existants nécessite souvent un intergiciel personnalisé ou une mise à niveau vers une plate-forme de gestion de la flotte moderne . La capacité de surveiller la santé de la batterie, de prévoir la portée restante et d'optimiser les temps de charge dans une flotte est essentielle à l'efficacité opérationnelle.

Études de cas: propulseurs électriques en service aujourd'hui

Ferries côtières: les premiers adoptants

Les exploitants de traversiers en Scandinavie, au Canada et ailleurs ont mené à l'adoption de propulseurs électriques. L'ampère, un traversier norvégien opérant sur un parcours de 20 minutes, est entièrement électrique depuis 2015 et a réduit les émissions de CO2 de 95 % par rapport à un traversier diesel. Ses propulseurs sont des gousses d'azimut électrique d'une puissance totale de 2 x 450 kW. Les frais de traversier à chaque extrémité pendant la période d'amarrage de 10 minutes, à l'aide d'un connecteur de bras robotique.

Remorques: pousse-pousseurs hybrides pour traction à la poulie

Les moteurs électriques sont excellents pour les moteurs Rotor Tug de Robert Allan Ltd. utilise une propulsion diesel-électrique hybride avec des propulseurs azimuts. Les propulseurs sont électriques lors de manœuvres d'assistance au navire, fournissant un couple instantané et un contrôle précis.Les générateurs diesel fonctionnent à charge constante pour la charge de batterie à haut rendement et pour le transport.

Bateaux à conteneurs à courte distance

En 2023, un conteneur de 120 EVP qui naviguait sur une route de 60 milles marins en mer Baltique a été équipé d'un dispositif de propulsion électrique. Le navire utilise maintenant un groupe de batteries de 2 MWh pour alimenter deux propulseurs électriques de 500 kW pendant tout le voyage, avec recharge à terre aux deux extrémités. L'exploitant signale que le système électrique coûte 40 pour cent moins par mille marin que le système diesel précédent, malgré l'investissement initial plus élevé.

Perspectives d'avenir : ce qui va conduire à l'adoption de masse

La trajectoire des propulseurs électriques dans le transport côtier est claire : les coûts continueront à diminuer à mesure que la production de batteries sera réduite et les règlements se resserreront, ce qui rendra le diesel de plus en plus coûteux à exploiter. L'année 2030 est souvent citée comme un point de basculement, lorsque le coût total de propriété des propulseurs électriques sur les navires côtiers devrait être égal ou battu en diesel pour la plupart des routes à courte et moyenne portée.

Les régions où l'électricité renouvelable est bon marché et où les règlements sur les émissions sont rigoureux — Europe du Nord, Californie, régions d'Asie de l'Est — seront les plus importantes. D'autres régions, où domine la puissance au charbon et où le capital est rare, pourraient voir leur adoption plus lente.

Ce qui est certain, c'est que la domination du propulseur diesel se termine au cours d'un siècle. Les propulseurs électriques offrent une voie pratique et éprouvée vers le transport maritime côtier à émissions nulles. Le défi pour l'industrie est de construire l'infrastructure, de former la main-d'oeuvre et de financer la transition à un rythme qui correspond à l'urgence des objectifs climatiques.

Conclusion

Les propulseurs électriques éliminent les émissions d'échappement au point d'utilisation, réduisent les coûts d'exploitation grâce à une réduction du carburant et de l'entretien et améliorent la maniabilité des navires. La portée des batteries, le coût initial et l'infrastructure de charge demeurent des obstacles importants, mais les configurations hybrides et l'amélioration de la technologie des batteries comblent l'écart.

Pour les professionnels du secteur maritime qui cherchent à approfondir les spécifications du système de propulsion électrique, le manuel DNV sur la propulsion hybride et électrique fournit des directives de conception détaillées et des références réglementaires.