L'industrie maritime mondiale est à un moment critique, responsable d'environ 2,5 % des émissions mondiales de gaz à effet de serre, et d'une part beaucoup plus importante des oxydes de soufre, des oxydes d'azote et des particules, est soumise à un examen de plus en plus attentif de la part des régulateurs, des investisseurs et des défenseurs de l'environnement. En réponse, les armateurs, les autorités portuaires et les promoteurs de technologies accélèrent les efforts de décarbonisation.

Le cas de la navigation à émission zéro

La stratégie initiale de l'OMI, adoptée en 2018, vise à réduire les émissions totales de GES provenant des transports maritimes internationaux d'au moins 50 % par rapport aux niveaux de 2008 d'ici 2050, avec pour objectif ultime de les éliminer complètement. Plus récemment, une stratégie révisée (MEPC 80) a soulevé l'ambition : zéro émission nette de GES d'ici 2050 ou vers 2050, avec des points de contrôle indicatifs pour 2030 et 2040.

Au-delà du dioxyde de carbone, les moteurs marins conventionnels émettent du carbone noir, du dioxyde de soufre et des oxydes d'azote qui nuisent aux communautés et aux écosystèmes côtiers. La propulsion électrique, par contre, produit des gaz d'échappement nuls au point d'utilisation. Pour le transport maritime à courte distance, les traversiers et de plus en plus les bateaux côtiers et portuaires, cet avantage de la qualité de l'air local est aussi important que l'argument climatique.

Si les coûts initiaux en capital demeurent élevés, le coût total de la propriété des navires électriques peut être inférieur sur une durée de vie de 20 ans, grâce à une réduction de la facture de carburant, à la simplicité de maintenance et à l'exemption des systèmes de tarification du carbone tels que le système d'échange de quotas d'émission de l'UE (SEQE), qui couvre désormais les émissions maritimes à partir de 2024.

Fonctionnement des systèmes de propulsion électrique

À son cœur, un système de propulsion électrique remplace la liaison mécanique directe entre un moteur principal (généralement un moteur diesel) et l'hélice par un moteur électrique. Le moteur tire de l'énergie d'un système de stockage d'énergie embarqué (batterie, pile à combustible ou supercondensateur) ou d'une connexion à terre pendant l'amarrage. Cette séparation découple la source d'énergie de l'unité de poussée, offrant une flexibilité dans le placement, la redondance et la commande.

Les systèmes modernes utilisent des entraînements à fréquence variable pour contrôler précisément la vitesse et le couple du moteur, améliorant la maniabilité et l'efficacité des hélices à pas fixe entraînées par un diesel à une vitesse. L'architecture électrique peut être le courant direct (DC) ou le courant alternatif (AC), le courant continu devenant plus courant pour les systèmes intégrés à la batterie parce qu'il simplifie l'intégration avec les énergies renouvelables et réduit les pertes de conversion.

Propulsion électrique-batterie

Les navires électriques à batterie dépendent entièrement de batteries rechargeables au lithium-ion. Ils sont idéaux pour des opérations prévisibles à courte portée telles que les traversiers, les navires à passagers, les remorqueurs portuaires et les barges intérieures. L'ampère de la FMF, lancée en 2015 en Norvège, a été le premier traversier électrique au monde à avoir économisé plus d'un million de litres de diesel par année. Des navires similaires opèrent maintenant au Danemark, au Canada, au Japon et en Chine. La capacité de la batterie est passée d'environ 1 MWh dans les premiers plans à 10 à 20 MWh dans les nouveaux grands traversiers.

La principale limite est la portée. Un bac électrique à batterie typique peut couvrir 20 à 40 milles nautiques sur une seule charge; les routes plus longues nécessitent soit des banques de batteries massives (qui ajoutent du poids et du coût) ou une infrastructure de recharge intermédiaire non encore disponible en mer.

Systèmes de propulsion hybrides

Les configurations hybrides combinent un moteur à combustion interne (ICE) avec un moteur électrique et une batterie. Le moteur peut fonctionner à un rendement optimal tandis que la batterie fournit une puissance maximale pour l'accélération ou la manœuvre, et peut être rechargé par le moteur ou via la puissance à terre. Les hybrides sont populaires dans les navires d'alimentation en mer, remorqueurs et bateaux de recherche où les profils opérationnels varient grandement.

Une variante émergente est l'hybride rechargeable, qui permet au bateau de fonctionner en mode électrique pur pour une partie de son trajet (par exemple, pendant qu'il est au port ou dans une zone de contrôle des émissions) et de passer au diesel pour des jambes plus longues.

Propulsion électrique de pile à combustible

Les piles à combustible produisent de l'électricité par réaction électrochimique entre l'hydrogène et l'oxygène, ne produisant que de la vapeur d'eau et de l'électricité. Pour les applications marines, les piles à combustible à membrane échangeuse de protons (PEM) dominent. L'hydrogène peut être stocké comme gaz comprimé ou comme liquide à des températures cryogéniques.

Le Energy Observer, ancien catamaran de course converti en bateau hydro-électrique, a navigué dans le monde entier, démontrant la faisabilité d'un voyage à distance sans émission à l'aide de piles à combustible complétées par le solaire et le vent. Parmi les démonstrations plus importantes, on peut citer le Hydroville ferry en Belgique et l'explorateur MF Brim[ en Norvège, qui utilise les piles à hydrogène comme unité auxiliaire de puissance.

Avantages de la propulsion électrique

Les systèmes d'entraînement électrique confèrent des avantages qui vont bien au-delà de la réduction des émissions, ce qui les rend attrayants même pour les opérateurs qui ne sont pas encore contraints par la réglementation.

Émissions de gaz d'échappement zéro

L'avantage le plus évident : les moteurs électriques n'émettent aucun sous-produit de combustion. Lorsqu'ils sont chargés à partir d'électricité renouvelable, l'empreinte carbone est presque nulle, ce qui est essentiel pour se conformer aux zones de contrôle des émissions (ZCE) de plus en plus rigoureuses et pour les ports comme Vancouver, Shanghai et Amsterdam qui ont commencé à imposer des exigences d'accostage sans émission.

Réduction significative du bruit et des vibrations

Les moteurs électriques sont par nature silencieux et lisses par rapport aux moteurs alternatifs. Les niveaux de bruit diminuent de 10 à 20 décibels dans la cabine et les eaux environnantes. Cela réduit la pollution sonore sous-marine, qui est connue pour perturber la communication et la navigation des mammifères marins.

Réduction des coûts de fonctionnement et d'entretien

Un moteur électrique ne possède que quelques pièces mobiles : un rotor, des roulements et des joints. Il n'y a pas d'injecteurs de carburant, de culasses, de turbocompresseurs ou de systèmes de traitement aval des gaz d'échappement à entretenir. Les exigences de lubrification sont minimales. L'entretien courant consiste à vérifier l'isolation électrique, les systèmes de refroidissement et les graisses de roulement, beaucoup moins exigeant en main-d'oeuvre que la révision d'un moteur diesel toutes les quelques milliers d'heures.

L'électricité est moins chère par mille marin que le gazole marin (GPM) dans la plupart des régions, surtout lorsque le chargement est effectué pendant les heures creuses. Certains exploitants de traversiers ont constaté des économies d'énergie de 60 à 70 %, compensant ainsi les coûts initiaux plus élevés des batteries en trois à cinq ans.

Efficacité énergétique accrue

Les moteurs électriques atteignent une efficacité de 90 à 95 % dans leur gamme de fonctionnement, contre les moteurs diesel qui atteignent généralement un pic de 40 à 45 % et qui tombent fortement à de faibles charges. L'élimination des pertes mécaniques des arbres et des boîtes de vitesses améliore encore l'efficacité propulsive globale.

Interopérabilité du réseau et charge intelligente

Les batteries à bord des navires peuvent servir de sources de stockage d'énergie distribuées. Lorsqu'elles ne naviguent pas, les batteries de navires peuvent participer à des programmes de réponse à la demande, alimenter le réseau pendant la demande maximale et recharger lorsque la production d'énergie renouvelable est abondante.

Défis et obstacles à l'adoption

Malgré ces avantages, la propulsion électrique n'est pas encore une solution universelle. Plusieurs barrières techniques, économiques et d'infrastructure doivent être surmontées pour que la technologie puisse s'étendre à l'ensemble de la flotte mondiale.

Coûts initiaux élevés des immobilisations

Les batteries demeurent coûteuses, bien que les coûts aient diminué d'environ 80 % au cours de la dernière décennie, pour atteindre environ 150 à 200 $ par kWh au niveau des batteries. Un grand traversier nécessitant 10 MWh de stockage peut faire face à un coût de 2 à 3 millions de dollars de plus que celui d'une alternative diesel-électrique.

Densité et étendue d'énergie limitées

Pour que les batteries au lithium-ion puissent atteindre une autonomie transocéanique avec des batteries à elles seules, il faudrait une batterie lourde et de dimensions irréalisables, ce qui sacrifie la capacité de charge. Par conséquent, la propulsion électrique par batterie n'est actuellement viable que pour les routes maritimes et intérieures les plus courtes de moins de 100 milles marins.

Infrastructures de recharge et de bunkering

Pour soutenir les flottes électriques, les ports doivent installer des bornes de recharge à haute puissance, souvent dans la gamme des mégawatts, qui se connectent à un réseau capable d'approvisionner de grandes charges intermittentes. Beaucoup de ports manquent de la capacité requise de la sous-station électrique. La remise en état peut coûter des dizaines de millions de dollars et nécessite des délais de permis longs.

Durée de vie et recyclage des batteries

Les batteries marines sont confrontées à des conditions difficiles : pulvérisation de sel, vibration constante, températures extrêmes et débits élevés pour de courtes durées (p. ex. manoeuvres). La durée de vie est généralement de 3 000 à 8 000 cycles complets avant que la capacité ne se dégrade à 80 %. Pour un traversier qui effectue 50 voyages aller-retour par jour, cela signifie le remplacement tous les 4-8 ans.

Les obstacles à la sécurité et à la réglementation

Les règlements de sécurité maritime (par exemple, le Code IGF de l'OMI, DNV-RP-0481) sont en train de rattraper leur retard, mais des exigences strictes en matière de confinement thermique des fuites, de ventilation et de suppression des incendies ajoutent des coûts et de la complexité à la conception.

Innovations et perspectives d'avenir

Les projets de recherche et de démonstration en cours visent chacun de ces défis, ce qui donne une trajectoire claire vers une plus large adoption de la propulsion électrique, même pour les segments considérés comme impossibles à réaliser.

Chimisteries à piles à l'état solide et avancées

Les batteries à l'état solide promettent une densité énergétique de 400 à 500 Wh/kg, plusieurs fois l'ion lithium actuel, et une sécurité accrue (électrolytes solides non inflammables). Toyota, BMW et plusieurs start-up visent à commercialiser les piles à l'état solide pour l'automobile d'ici 2027-2030; les applications maritimes pourraient suivre.

Normes de charge d'échelle mégawatt

Des organismes comme CharIN développent le système de recharge Megawatt (MCS), une norme capable de fournir jusqu'à 3,75 MW par un seul connecteur. Les premières implémentations sont attendues dans les dépôts de camions d'ici 2024, avec des versions maritimes (capacité de 5 à 10 MW par des connecteurs parallèles) dans les essais prototypes d'ici 2025-2026.

Hydrogène vert et piles à combustible

Les constructeurs navals conçoivent des «décaptures» modulaires de stockage d'hydrogène intégré à la coque et des piles à combustible qui peuvent être échangées pour l'entretien. Les recherches DNV GL[ projettent que l'hydrogène pourrait couvrir 5 à 10 % de la demande énergétique d'ici 2050, principalement pour les routes maritimes plus courtes et comme combustible complémentaire pour les charges auxiliaires.

L'hybridation comme un pont

Pour la plupart des navires de haute mer (conteneurs, pétroliers, encombrants), la propulsion électrique à batterie complète n'est pas encore viable. Cependant, les systèmes hybrides avec un tampon de batterie peuvent réduire la consommation de carburant de 10 à 15 % tout en permettant des opérations à zéro émission dans les ports et les zones de contrôle des émissions.

Facteurs de politique et incitations financières

La réglementation de l'UE sur les carburants dans les zones maritimes (en vigueur en 2025) prévoit une réduction de 2 % de l'intensité de carbone par rapport aux niveaux de 2020, qui passera à 75 % d'ici 2050, avec des récompenses spécifiques pour l'utilisation de carburants à émissions nulles. La Norvège, les Pays-Bas et le Canada offrent des subventions en capital pour les navires à émissions nulles.

Déploiements et projets pilotes dans le monde réel

Plusieurs exemples opérationnels illustrent l'avancement et l'évolutivité de la propulsion électrique.

  • Stena Elektra (prévue): Un bac électrique à grande vitesse pour la route Göteborg-Frederikshavn, d'une capacité cible de 1 500 passagers et 300 voitures, utilisant des batteries de 50 MWh et une connexion au poste d'amarrage de 10 MW.
  • Ferries E au Danemark: L'île danoise d'Ærø exploite six bacs électriques à batterie, tous chargés par des éoliennes et des panneaux solaires sur terre, permettant de réaliser de véritables émissions de zéro bien à roues.
  • Barge à pile à combustible d'hydrogène «H2 Barge 2»: Aux Pays-Bas, une barge à conteneurs de 110 mètres à l'intérieur de l'intérieur de l'Union fonctionne sur une pile à combustible PEM de 1,2 MW et sur une batterie de 470 kWh, desservant le corridor Rotterdam-Anvers avec zéro émission.
  • Yara Birkeland: Le premier chargeur de conteneurs entièrement électrique et autonome au monde, qui exploite une route de 7,5 milles marins sans équipage en Norvège. Initialement lancé avec une batterie de 6,8 MWh, il a démontré la faisabilité technique des opérations sans pilote d'émission zéro.

Conclusion

La propulsion électrique n'est pas seulement une expérience de niche, elle est une pierre angulaire de la stratégie de décarbonisation de l'industrie maritime. Pour les routes de courte et de navigation intérieure, les systèmes électriques et hybrides sont déjà des réalités commerciales, ce qui entraîne des coûts d'exploitation plus faibles, des opérations plus silencieuses et des émissions nulles. Pour les voyages plus longs, les piles à combustible à hydrogène et les progrès hybrides réduisent l'écart.