Depuis plus d'un siècle, les moteurs diesel marins sont les chevaux de bataille incontestés du transport maritime mondial, alimentant tout, des navires-conteneurs massifs aux traversiers côtiers. Cependant, la réglementation environnementale croissante, les prix volatils des carburants et une poussée mondiale pour la décarbonisation sont en train de changer profondément. Les innovations dans les systèmes de propulsion maritime hybrides et électriques apparaissent comme la voie la plus prometteuse, offrant le potentiel de réduire les émissions, de réduire les coûts d'exploitation et d'améliorer les performances des navires.

La nécessité d'innover dans les moteurs marins

L'Organisation maritime internationale (OMI) estime que le transport maritime représente près de 3 % des émissions mondiales de CO2 - un chiffre qui pourrait augmenter s'il n'était pas contrôlé. En 2023, l'OMI a adopté des objectifs révisés de réduction des émissions de gaz à effet de serre, visant à réduire les émissions nettes de zéro d'ici 2050 ou vers 2050 et à réduire de 40 % l'intensité en carbone d'ici 2030 (par rapport aux niveaux de 2008).

La volatilité du coût du carburant stimule l'innovation. Les prix du diesel ont fluctué de façon spectaculaire ces dernières années, et l'introduction de carburants à faible teneur en soufre et de GNL a accru la complexité. Les systèmes hybrides et électriques permettent aux navires d'optimiser l'utilisation de l'énergie : fonctionner sur des batteries dans des zones sensibles, utiliser des générateurs diesel pour les charges de pointe et même récupérer de l'énergie grâce au freinage régénératif.

Systèmes hybrides de propulsion maritime

Les systèmes hybrides combinent un moteur diesel conventionnel (ou un groupe de moteurs) avec un moteur électrique et une batterie. Ils ne sont pas une conception unique mais un spectre de configurations, chacune adaptée à différents types de bateaux et profils opérationnels.

Configuration hybride série

Dans un hybride série, le moteur diesel conduit un générateur qui charge des batteries ou alimente directement un moteur électrique qui tourne l'hélice. Le moteur diesel est découplé de l'arbre de l'hélice, ce qui lui permet de fonctionner à son régime le plus efficace, quelle que soit la vitesse du bateau. Cette configuration est idéale pour les bateaux à charges variables, tels que les remorqueurs ou les navires de soutien offshore.

Configuration hybride parallèle

Dans un hybride parallèle, le moteur diesel et le moteur électrique peuvent à la fois conduire l'hélice mécaniquement, souvent à travers une boîte de vitesses ou un embrayage. Cela permet au navire d'utiliser la puissance diesel, seulement électrique, ou combinée au besoin. Les systèmes parallèles sont plus simples et plus compacts que les systèmes de série, ce qui en fait un choix populaire pour la modernisation des bateaux existants.

Avantages des systèmes hybrides

La propulsion hybride offre des avantages mesurables. Les économies de carburant de 10 à 30% sont fréquentes, en particulier dans les bateaux à charge cyclique (par exemple remorqueurs, traversiers, dragueurs). Les émissions de NOx, SOx et particules baissent proportionnellement. Le bruit et les vibrations sont considérablement réduits, ce qui profite au confort de l'équipage et à la vie marine.

Défis des systèmes hybrides

Les systèmes hybrides sont plus complexes que les systèmes classiques, exigeant un logiciel de gestion et de contrôle de l'énergie avancé. Le coût initial est plus élevé — généralement de 20 à 40 % de plus qu'une installation au diesel seulement — bien que les économies de cycle de vie justifient souvent l'investissement.

Systèmes de propulsion électrique

Les bateaux entièrement électriques éliminent entièrement le moteur diesel, en se fiant à des batteries ou des piles à combustible pour la puissance.

Les bacs électriques à batterie sont les plus visibles. L'ampère, un bac à voitures exploité en Norvège depuis 2015, utilise un grand bloc de batteries au lithium-ion et peut transporter 120 voitures et 360 passagers sur un fjord de 6 km. Il élimine environ 1 million de litres de diesel par an. Depuis, des dizaines de bacs électriques à batterie sont entrés en service dans le monde entier. Les remorqueurs électriques à batterie, comme le concept Zeus[ de Damen ou le modèle entièrement électrique E-Tug de HaiSea Marine, se révèlent également viables pour les applications à faible vitesse et à haute puissance.

Piles à combustible

Plusieurs prototypes de bateaux sont en service, dont Energy Observer et Hydra[ — un traversier électrique à piles à combustible mis au point par Fincantieri et d'autres. Les défis sont notamment le stockage de l'hydrogène (sous forme de gaz comprimé ou de liquide), l'infrastructure de bunkering et l'efficacité de la production d'hydrogène vert. Néanmoins, les piles à combustible sont considérées comme une solution prometteuse pour le transport en mer profonde où les batteries seules sont insuffisantes.

Infrastructure de recharge à terre

Les navires électriques doivent avoir accès à une recharge à terre fiable et de grande puissance, qui est en cours de développement dans les ports du monde entier, de la Norvège à la Chine jusqu'aux États-Unis. La normalisation des connecteurs et des niveaux d'énergie (comme le système de recharge MCS) est essentielle à l'interopérabilité.

Progrès technologiques

La performance et la rentabilité des systèmes hybrides et électriques s'améliorent rapidement grâce à des innovations dans plusieurs domaines clés.

Chimie des batteries

Les batteries au lithium-ion dominent les applications marines, mais de nouvelles chimies émergent. Les piles au lithium-fer (LFP) offrent une stabilité thermique élevée et une longue durée de vie à un coût moindre que les piles au nickel-manganèse-cobalt (NMC). Les piles à l'état solide, toujours en phase prototype, promettent une densité d'énergie plus élevée et une sécurité accrue, cruciale pour les environnements marins.

Systèmes de gestion de l'énergie

Les systèmes modernes utilisent des algorithmes prédictifs basés sur les données de route GPS, les prévisions météorologiques et les profils de charge historiques pour minimiser la consommation de carburant et la dégradation de la batterie. ABB=S Onboard DC Grid[ et Wärtsilä=S HY Efficient Power Module[ sont des exemples de solutions intégrées qui simplifient l'architecture du système et améliorent l'efficacité.

Matériaux légers

La réduction du poids des navires est essentielle pour la propulsion électrique, car les navires plus lourds ont besoin d'énergie de la batterie. Les matériaux composites, les alliages d'aluminium et les nuances d'acier de pointe sont utilisés dans la construction de la coque et les superstructures.Les hélices légères, les arbres et même les moteurs électriques (à l'aide d'aimants permanents à haute résistance) contribuent à l'économie de poids globale.

Demandes actuelles pour les types de navires

Ferries et bateaux à passagers

Les traversiers à faible pente sont les fruits de l'électrification. Des voies courtes et fixes avec des quais fréquents permettent une recharge régulière.La flotte de ferry électronique en Norvège comprend à elle seule des dizaines de navires, avec des routes au Danemark, en Suède, en Finlande et au Canada suivant l'exemple.Les ferries Alandia en Finlande utilisent un système électrique hybride qui réduit les émissions de CO2 de 90% par rapport à leurs prédécesseurs diesel.

Bateaux à voile et bateaux de travail

Les remorqueurs hybrides et électriques peuvent passer à l'alimentation en batterie pendant les périodes d'attente à faible charge, réduisant considérablement les émissions près des ports. Le concept Rotor Tug et le Elektra[, un remorqueur entièrement électrique de la société allemande Elektra, démontrent que la puissance élevée peut être livrée sans moteur diesel. Plusieurs remorqueurs hybrides sont déjà en service dans les ports européens et asiatiques.

Les navires d'alimentation en mer (OSV) qui servent aux plates-formes pétrolières et gazières fonctionnent souvent sous positionnement dynamique (DP), ce qui nécessite plusieurs propulseurs fonctionnant simultanément. Les systèmes hybrides permettent aux OSV d'utiliser l'énergie de la batterie pendant le mode DP, réduisant la consommation de carburant de 30 %.

Pour les grands navires de transport de marchandises océaniques, l'électrification totale reste une perspective lointaine en raison du poids des batteries et de l'infrastructure de charge. Cependant, des systèmes hybrides sont mis en place pour réduire les émissions portuaires et améliorer l'efficacité. Maersk=s Les nouveaux navires-conteneurs à base de méthanol comprennent des batteries pour le rasage de pointe et la manœuvre portuaire.

Difficultés rencontrées pour une adoption généralisée

Malgré des progrès rapides, plusieurs obstacles doivent être surmontés avant que la propulsion hybride et électrique ne devienne la norme.

Coût

Le coût initial des batteries, des moteurs électriques et de l'électronique électrique est encore élevé.Pour un ferry typique, le système de batteries peut à lui seul représenter 30 à 50% du coût total de la propulsion. Bien que le coût total de la propriété (y compris les économies de carburant et d'entretien) soit favorable sur 10 ans, de nombreux armateurs et exploitants n'ont pas le capital nécessaire pour investir sans subventions ni contrats à long terme.

Infrastructure

La tarification à terre exige des investissements importants dans les réseaux électriques portuaires. La tarification à grande puissance (mégawatt-niveau) pour les grands navires n'est pas encore courante. Les autorités portuaires doivent collaborer avec les services publics et les fournisseurs de technologie pour installer des bornes de recharge. L'infrastructure de soutenage à hydrogène pour les piles à combustible est encore moins développée.

Durabilité et sécurité des batteries

Les systèmes de batteries doivent être robustes et comprendre une gestion thermique avancée pour prévenir la surchauffe. La sécurité incendie est une préoccupation majeure — les incendies au lithium-ion sont difficiles à éteindre et peuvent libérer des gaz toxiques. Les sociétés de classification ont élaboré des règles (p. ex. Règles de batterie de laDNV) qui exigent un refroidissement actif, la détection de gaz et des systèmes d'évacuation.

Barrières de réglementation et de classification

Les sociétés de classification élaborent activement des règles pour les systèmes hybrides et électriques, mais le cadre réglementaire est toujours en cours de développement. Les États du pavillon peuvent avoir des exigences différentes, et l'interaction entre les règlements de l'OMI, les contrôles des États du port et les lois locales peut créer des complexités.

Perspectives d'avenir

L'industrie maritime se dirige résolument vers une propulsion plus propre. Les systèmes hybrides et électriques ne sont pas un rêve lointain — ils sont une réalité aujourd'hui dans de nombreux secteurs.

Conducteurs réglementaires de l'OMI

Pour les transports maritimes à courte distance, les solutions électriques et hybrides devraient dominer. Pour les grands fonds marins, les piles à combustible et les systèmes hybrides électriques à combustibles verts sont probables. La quatrième étude sur les gaz à effet de serre de l'OMI et les groupes de travail en cours façonnent le paysage réglementaire qui encouragera les investissements.

Hybridation des grands bateaux

Les navires-conteneurs, les vraquiers et les pétroliers commencent à adopter des configurations hybrides — utilisant généralement des batteries pour les appels portuaires, le rasage de pointe et les secours. Wärtsilä=] système hybride pour un vraquier de 180 000 DWT (voir exemple) démontre que les gros navires peuvent bénéficier d'un boost de batterie.

Synergies autonomes et électriques

Plusieurs bateaux autonomes, comme le Yara Birkeland, sont électriques par conception. La combinaison de zéro émission et d'une opération sans pilote pourrait révolutionner la logistique maritime courte, en particulier pour le transport en vrac. Des bacs électriques autonomes sont déjà testés, comme le Falco en Finlande. Cette synergie s'accélérera probablement à mesure que la technologie des capteurs et l'IA seront matures.

Investissement et innovation

Les principaux fabricants de moteurs marins — MAN Energy Solutions[, Wärtsilä, ABB[, Rolls-Royce (mtu) et Caterpillar[ — investissent tous massivement dans les lignes de produits hybrides et électriques.Les start-ups comme Baird Maritime[ et Hydrogénie font pression sur les applications des piles à combustible.

Conclusion

Les systèmes de propulsion maritime hybrides et électriques ne sont plus expérimentaux, mais des solutions éprouvées et commercialement viables qui réduisent déjà les émissions et les coûts d'exploitation pour une gamme de types de navires. Bien que des défis comme le coût, l'infrastructure et la sécurité des batteries demeurent, la trajectoire est claire. L'industrie maritime connaît son changement technologique le plus important depuis la transition de la voile à la vapeur.