L'augmentation de la propulsion électrique dans la navigation maritime

La propulsion électrique est apparue comme une technologie de transformation, de remodelage de la conception, de l'exploitation et de l'entretien des navires. Bien que la flotte mondiale soit encore minoritaire, les navires propulsés électriquement gagnent en traction dans le transport maritime à courte distance, les traversiers et de plus en plus dans les navires à cargaison. Le changement est dû au durcissement des réglementations sur les émissions, à la baisse des coûts des batteries et à la reconnaissance croissante que les systèmes d'entraînement électrique peuvent offrir des avantages opérationnels au-delà de la conformité environnementale.

Comprendre les systèmes de propulsion électrique

La propulsion électrique des navires se rapporte aux systèmes où l'hélice est tournée par un moteur électrique, plutôt que directement par un moteur diesel. L'énergie électrique peut provenir de batteries, de piles à combustible ou d'une combinaison hybride avec des générateurs. Dans un système électrique pur, les batteries stockent l'énergie et la livrent au moteur. Dans un système hybride, un plus petit générateur diesel fonctionne à une efficacité optimale pour charger des batteries ou alimenter directement le moteur, permettant souvent une opération zéro émission dans les ports et les zones sensibles.

Propulsion électrique de batterie

Les BEV sont les mieux adaptés aux voies courtes avec des charges fréquentes, comme les traversiers, les navires fluviaux ou les bateaux d'alimentation fonctionnant dans une plage de port. La puissance peut être élevée, fournissant un couple fort pour la maniabilité, et l'absence d'une connexion mécanique directe entre moteur et hélice réduit les pertes de transmission.

Propulsion hybride

Les systèmes hybrides combinent un moteur conventionnel avec des batteries. Le moteur peut être réduit et fonctionner à une vitesse constante et efficace, tandis que les batteries manipulent des charges maximales et permettent de courtes périodes de fonctionnement électrique silencieux. Cette conception réduit la consommation de carburant et l'entretien, tout en fournissant une redondance.

Propulsion des piles à combustible

Bien que les piles à combustible soient encore chères et limitées par le stockage et la disponibilité de l'hydrogène, elles offrent une densité énergétique plus élevée que les piles actuelles et un ravitaillement plus rapide. Plusieurs projets pilotes ont démontré la propulsion des piles à combustible sur les petits navires de chargement et les traversiers.

Infrastructures de transport d'électricité et de recharge à terre

L'efficacité de la propulsion électrique dépend de l'infrastructure de recharge.Les ports commencent à installer des connexions électriques à terre qui permettent aux bateaux de recharger les batteries en cale. Des systèmes de recharge à haute puissance (jusqu'à 11 MW) sont déployés pour les traversiers, et des normes sont en train d'émerger pour les systèmes d'échange de batteries conteneurisées.

Impact sur la capacité de chargement

L'une des questions les plus débattues au sujet de la propulsion électrique est de savoir si elle augmente ou diminue la capacité de charge. La réponse dépend de l'application. Pour de nombreux types de bateaux, la conduite électrique peut libérer de l'espace et du poids, mais la banque de batteries elle-même crée de nouvelles contraintes.

Considérations de poids : La pénalité pour batterie

Les batteries sont lourdes. Un batterie maritime au lithium-ion typique a une densité d'énergie d'environ 150 à 200 Wh par kilogramme, comparativement au carburant diesel d'environ 12 000 Wh par kilogramme (lorsqu'il tient compte de l'efficacité du moteur, la densité effective du diesel est inférieure mais encore plusieurs fois plus élevée). Un batterie est assez grande pour alimenter un navire de taille moyenne pour un passage à l'océan entier pèserait des milliers de tonnes, ce qui déplacerait la cargaison.

Optimisation de l'espace: Chambre des moteurs plus petite, plus grande charge

Un moteur électrique est nettement plus petit qu'un moteur diesel d'une puissance équivalente. L'élimination du gros moteur diesel, de la boîte de vitesses de réduction et de l'arbre peut libérer un volume considérable dans la coque. Cet espace peut être réutilisé pour les cales de chargement, en particulier dans les navires conçus à partir de la quille pour la propulsion électrique. Par exemple, un moteur électrique typique et un système de commande peuvent occuper 30 à 40 % de volume inférieur à la motorisation conventionnelle.

Économies de carburant et fourchette élargie

Les moteurs électriques ont une efficacité supérieure à 90 %, comparativement aux moteurs diesel de 40 à 50 %. Cette efficacité accrue signifie que pour une consommation énergétique donnée, les navires électriques peuvent aller plus loin. Dans les systèmes hybrides, le moteur fonctionne à une charge optimale, améliorant encore la consommation de carburant. La consommation réduite signifie également qu'un navire peut transporter moins de carburant pour une route donnée, libérant du poids et du volume pour le fret.

Études de cas : Exemples du monde réel

Le Yara Birkeland[, un alimentateur de conteneurs électriques autonomes, a une capacité de batterie de 7 MWh et peut transporter 120 EVP. Malgré le poids de la batterie, le navire a été conçu pour remplacer des milliers de trajets par camion, démontrant que la propulsion électrique peut être viable pour les routes à courte distance. Le E-Ferry Ellen, un traversier électrique danois, transporte 30 voitures et 147 passagers sur une route de 10 milles marins, avec une batterie de 4,3 MWh. Les deux navires obtiennent des émissions nulles et montrent que la propulsion électrique peut maintenir ou améliorer la capacité de chargement par rapport aux traversiers conventionnels lorsque les routes sont courtes et que la charge est disponible.

Pour les vraquiers océaniques, la propulsion électrique complète reste rare, mais des conceptions hybrides émergent.MV Tûranor PlanetSolar[, bien qu'un navire de recherche, a démontré qu'un catamaran solaire-électrique pourrait traverser l'Atlantique. Des bateaux de chargement comme Beijing (un vraquier chinois avec propulsion hybride) montrent que même l'électrification partielle peut optimiser la charge de chargement en réduisant le poids du carburant.

Considérations de conception pour les navires électriques

L'intégration de la propulsion électrique dans la conception d'un navire nécessite des changements fondamentaux à la structure de la coque, à la répartition du poids, aux systèmes électriques et à l'architecture de sécurité.

Optimisation et mise en page de l'espace

Dans un navire conventionnel, la salle des machines domine la section médiane, nécessitant souvent un long tunnel à arbre et un grand espace de machines. Avec la propulsion électrique, le moteur peut être monté directement sur l'arbre de l'hélice ou dans une goupille sous la coque. Les batteries peuvent être distribuées dans plusieurs compartiments, ce qui permet une disposition plus flexible.

Répartition du poids et stabilité

Les batteries sont denses et généralement placées sous la conduite pour abaisser le centre de gravité, améliorant la stabilité. Cependant, leur concentration de poids pose des défis pour la charge structurelle. L'analyse des éléments Finite est utilisée pour garantir que la coque peut supporter les charges concentrées. Les systèmes Ballast peuvent avoir besoin d'ajustement pour compenser l'absence de moteurs diesel lourds. Dans certains modèles, la banque de batteries est divisée en plusieurs sections pour distribuer le poids uniformément et fournir une redondance.

Renforcement structurel et sécurité

Les modules de batterie doivent être bien protégés pour éviter les dommages mécaniques et les fuites thermiques. La structure autour des salles de batterie doit être fioulisée, avec des systèmes de ventilation et de gestion thermique. Il faut peut-être renforcer les supports de batterie et résister aux forces générées par une collision ou une mise à la terre.

Refroidissement et gestion thermique

Les batteries au lithium-ion génèrent de la chaleur pendant la charge et le déchargement. Le refroidissement efficace est essentiel pour la performance et la sécurité. Les systèmes de refroidissement liquide utilisant des fluides diélectriques ou des mélanges eau-glycol sont courants, les échangeurs de chaleur rejetant la chaleur résiduelle dans l'eau de mer. Le système de refroidissement ajoute du poids et de la complexité mais est essentiel pour maintenir la durée de vie de la batterie.

Infrastructure électrique et distribution d'électricité

Un navire de propulsion électrique dispose d'un réseau électrique plus étendu qu'un navire conventionnel. Il faut installer des commutateurs haute tension, des convertisseurs, des transformateurs et des câbles. Le système doit être conçu pour gérer les charges de pointe pendant les courants de manoeuvre et de court-circuit. La redondance est souvent intégrée avec de multiples chaînes de batterie et des remontages moteurs. Le système électrique comprend également un logiciel de gestion de l'énergie qui optimise l'utilisation de la batterie, équilibre l'état de charge et coordonne avec le matériel de charge.

Conception et entretien modulaires

Les batteries sont livrées dans des racks de taille standard, et les moteurs peuvent être échangés. Cette modularité simplifie la maintenance et les mises à niveau futures. Les concepteurs peuvent planifier pour les salles de batteries avec un accès facile pour l'échange, et pour les gousses de propulsion qui peuvent être retirées sans radoub. La conception modulaire facilite également la normalisation dans une flotte, réduisant l'inventaire des pièces de rechange et la formation de l'équipage.

Avantages environnementaux et économiques

La propulsion électrique est le principal moteur de la conformité environnementale, mais l'analyse de rentabilité est également en train de se renforcer.

Réduction des émissions et conformité réglementaire

L'Organisation maritime internationale a fixé des objectifs ambitieux pour réduire les émissions de gaz à effet de serre de 50 % d'ici 2050 par rapport aux niveaux de 2008, avec une trajectoire à zéro émission. La propulsion électrique peut atteindre zéro émission de gaz d'échappement lors de l'utilisation d'électricité renouvelable. Même les systèmes hybrides réduisent de 15 à 30 % le CO2 en optimisant les charges des moteurs.

Économies de carburant et de coûts de fonctionnement

L'électricité est généralement moins chère que le diesel marin par kilomètre, surtout si elle est prélevée à partir de sources à faible teneur en carbone. Les prix de l'électricité sont également moins volatils que les prix du pétrole. Les moteurs électriques nécessitent moins d'entretien que les diesels – pas de changement de pétrole, moins de pièces mobiles, pas d'entretien du système d'échappement.

Incitatifs et financement du gouvernement

Les gouvernements norvégien, chinois, américain et de l'Union européenne offrent des subventions, des allégements fiscaux et des prêts à faible taux d'intérêt pour la construction de navires électriques. Le Fonds vert pour le climat de l'Organisation maritime internationale et les initiatives de la Banque mondiale en matière de transport maritime écologique aident les pays en développement à adopter des technologies à faible taux d'émission de carbone, ce qui réduit le coût initial et accélère l'adoption.

Évaluation du cycle de vie

Une analyse du cycle de vie complet montre que même lorsqu'ils sont responsables de la fabrication et de l'élimination des batteries, les navires électriques produisent moins d'émissions globales que les équivalents diesel, surtout si l'électricité provient de sources renouvelables.

Perspectives et défis futurs

La propulsion électrique des navires cargos est en passe de croître, mais plusieurs obstacles subsistent.

Progrès technologiques dans le domaine des piles

Les batteries à l'état solide promettent de doubler la densité énergétique de l'ion lithium actuel, ce qui rendrait les navires de transport électrique à plus longue portée faisables. Les batteries au lithium-fer-phosphate (LFP) offrent déjà une durée de vie plus longue et une meilleure sécurité, tandis que le nickel-manganèse-cobalt (NMC) offre une densité énergétique plus élevée. La recherche sur l'ion sodium, le lithium-sulfure et d'autres produits chimiques pourrait réduire encore le poids et les coûts.

Hydrogène et piles à combustible à ammoniac

Pour les longs voyages, les piles à combustible hydrogène offrent une densité énergétique plus élevée que les batteries, bien que le stockage de l'hydrogène soit difficile. L'ammoniac est exploré comme un transporteur d'hydrogène qui peut être utilisé dans les piles à combustible ou brûlé directement dans les moteurs à combustion. Des projets pilotes comme MS Hydra[ et NH3 Kraken[ testent ces combustibles.

Charger l'infrastructure à l'échelle

Pour que les navires de fret électrique puissent fonctionner à l'échelle mondiale, les ports doivent installer des bornes de recharge à haute puissance capables de recharger les batteries à mégawatts dans les délais prévus. La normalisation des connecteurs, de la tension et des protocoles de communication est en cours. Le (MCS) est en cours de développement en parallèle avec la recharge des camions.

Anxiété de l'aire de répartition et flexibilité opérationnelle

Les bateaux électriques à batterie ont une portée limitée, généralement inférieure à 300 milles marins avec la technologie actuelle, en fonction de la vitesse et de la charge de chargement. Cela les limite aux routes de courte distance, aux traversiers et aux voies navigables intérieures. Les systèmes hybrides élargissent la portée mais nécessitent toujours du diesel pour les longs passages. Le défi est de concevoir des bateaux qui peuvent effectuer plusieurs routes commerciales, ou d'adopter des stations de commutation de batterie qui permettent une recharge plus rapide.

Formation et sécurité des équipages

La propulsion électrique exige de nouvelles compétences pour les ingénieurs marins : comprendre les systèmes à haute tension, la gestion des batteries, la prévention des fuites thermiques et la manipulation d'électroniques de pointe.Les programmes de formation sont mis à jour, mais l'industrie est confrontée à une pénurie de personnel qualifié.

La voie à suivre

Malgré les défis, la trajectoire est claire. La propulsion électrique ne remplacera pas tous les navires diesel du jour au lendemain, mais elle deviendra la norme pour les navires à courte distance et les navires côtiers dans les dix ans. Les innovations dans le stockage de l'énergie, la conception modulaire et l'infrastructure portuaire pousseront la capacité de charge électrique plus élevée.La combinaison de la pression réglementaire, de la baisse des coûts de la batterie et de l'augmentation de l'efficacité opérationnelle fait de la propulsion électrique une pierre angulaire de la logistique maritime durable.

L'influence de la propulsion électrique sur la capacité et la conception des navires est profonde : elle redéfinit ce qui est possible dans l'architecture des navires, permettant des navires plus propres et plus efficaces qui peuvent transporter plus de marchandises tout en émettant moins.