Sous la pression du resserrement des réglementations sur les émissions, de la volatilité des coûts du carburant et de la demande croissante des affréteurs pour une logistique verte, les armateurs repensent les stratégies de propulsion qui sont restées en grande partie inchangées depuis un siècle. Deux technologies prometteuses sont apparues comme des précurseurs de cette transition : la propulsion électrique et la propulsion assistée par le vent.

Les systèmes de propulsion électrique, autrefois limités aux traversiers et aux petits navires côtiers, se développent rapidement pour accueillir les navires océaniques plus grands. Les technologies assistées par le vent, modernisées avec des matériaux avancés et des systèmes de contrôle, récupèrent une source d'énergie qui a conduit la navigation pendant des millénaires, mais avec précision et efficacité que la voile historique ne pouvait pas correspondre. L'intégration de ces deux approches crée une architecture énergétique hybride où chaque système compense les limites de l'autre.

Cet article examine les fondements techniques, les avantages opérationnels et les applications réelles de la combinaison de la propulsion électrique et des technologies assistées par le vent. Il s'appuie sur les projets pilotes actuels, les approbations de la société de classe et les déploiements commerciaux pour évaluer ce qui fonctionne, ce qui reste difficile et où l'industrie est dirigée.

L'impératif environnemental de l'industrie maritime

L'Organisation maritime internationale s'est fixé comme objectif de réduire les émissions de gaz à effet de serre provenant des transports maritimes d'au moins 50 % par rapport aux niveaux de 2008 d'ici 2050, de nombreuses parties prenantes poussant à zéro net d'ici 2040 ou plus tôt. Les voies de conformité comprennent le passage du carburant au GNL, au méthanol, à l'ammoniac ou à l'hydrogène, le captage du carbone à bord, la vapeur lente et l'adoption de technologies éconergétiques.

Un rapport du Conseil international sur les transports propres estime que les technologies d'aide éolienne pourraient réduire la consommation de carburant sur les routes maritimes mondiales de 5 à 25 p. 100 selon le type de navire, la route et la disponibilité du vent. Lorsqu'elles sont combinées à l'énergie auxiliaire batterie-électrique et à une planification optimisée des voyages, le potentiel de réduction totale augmente encore.

Comprendre les systèmes de propulsion électrique

La propulsion électrique dans le contexte maritime désigne l'utilisation de moteurs électriques pour conduire des hélices, en remplaçant ou en complétant les moteurs à combustion interne traditionnels. Les systèmes modernes tirent de l'énergie des batteries, des générateurs, des piles à combustible ou une combinaison de sources grâce à une architecture de bus à courant direct (DC) ou à courant alternatif (AC).

Technologie de batterie et capacité de stockage

Les systèmes de batteries au lithium-ion dominent la génération actuelle de propulsion électrique marine. Les densités d'énergie se sont améliorées de façon constante, les batteries commerciales de la marine offrant maintenant entre 140 et 180 watts-heures par kilogramme au niveau du pack. Pour un grand traversier fonctionnant sur une route de 20 milles nautiques, une capacité de batterie de 4 à 6 mégawatt-heures est typique, permettant des opérations toutes électriques avec charge de nuit.

Le coût des systèmes de batteries maritimes a diminué d'environ 70 % au cours de la dernière décennie, passant d'environ 1 200 dollars par kilowatt-heure à moins de 400 dollars par kilowatt-heure pour les systèmes complets, y compris l'électronique de puissance, la gestion thermique et les systèmes de sécurité.

Configurations hybrides et gestion de l'énergie

La plupart des installations de propulsion électrique sont aujourd'hui hybrides plutôt que entièrement électriques. Une configuration hybride comprend des générateurs diesel ou bicarburant qui peuvent charger des batteries et fournir de la puissance de propulsion au besoin. Le système de gestion de l'énergie optimise en permanence la charge sur chaque générateur, en maintenant les moteurs dans leur bande de fonctionnement la plus efficace.

Un générateur d'arbre peut récolter l'énergie excédentaire du moteur principal pendant la navigation et le transmettre au système de batterie ou au réseau électrique du navire. En revanche, le même moteur peut fournir la propulsion lorsque le moteur est éteint, permettant l'arrivée silencieuse, sans émissions et le départ dans le port. Ces machines à double fonction deviennent standard dans de nouveaux bâtiments conçus pour l'intégration vent-assistique.

Technologies de propulsion assistée par le vent

La propulsion assistée par le vent n'est pas une technologie unique, mais une famille de systèmes, chacun ayant des caractéristiques aérodynamiques distinctes, des contraintes opérationnelles et des exigences d'intégration. Le fil conducteur est la conversion de l'énergie éolienne en poussée vers l'avant, réduisant la charge sur les moteurs principaux du navire.

Sails de rotor (rorelles de fletner)

Les voiles de rotor modernes, fabriquées par des entreprises comme Norsepower et Anemoi Marine Technologies, sont construites à partir de composites légers, généralement de 20 à 40 mètres de haut et de 3 à 5 mètres de diamètre. Plusieurs rotors sont installés sur le pont, et leur vitesse et leur direction de rotation sont contrôlées par le système de gestion de l'énergie du navire. Les voiles de rotor sont les plus efficaces à la vitesse du vent entre 10 et 30 noeuds et ont démontré des économies de carburant de 5 à 20 pour cent sur les pétroliers, les vraquiers et les navires roulis/roulis.

Sails d'aile et sails rigides

Les voiles d'aile fonctionnent comme des ailes d'avion montées verticalement. Ce sont des structures rigides avec des mécanismes internes qui règlent la cambre et l'angle d'attaque pour optimiser l'ascenseur. Le concept Oceanbird, développé par Wallenius Marine et ses partenaires, prévoit un porte-auto avec quatre voiles d'aile télescopiques atteignant 80 mètres de hauteur, capable de réduire la consommation de carburant jusqu'à 90 pour cent lorsque les vents sont favorables.

Systèmes de kite

Les systèmes Kite utilisent de gros cerfs-volants parafruit déployés depuis l'étrave pour capter les vents de haute altitude plus forts et plus constants que les vents de surface. Le cerf-volant vole dans un modèle de figure-huit pour maximiser la tension sur la ligne de remorquage, qui est transférée par un treuil au système de propulsion du navire. SkySails, un pionnier dans ce domaine, a démontré des économies de carburant de 10 à 15 pour cent sur les navires de charge générale pendant les projets pilotes.

Ailes d'aspiration et voiles de turbosaillerie

Les ailes d'aspiration combinent un profil rigide d'aile avec un ventilateur interne qui fait passer l'air à la surface de l'aile, contrôle la couche limite et maintient le débit laminaire à des angles d'attaque plus élevés. Cette conception génère plus de levage par unité de surface qu'une aile passive et fonctionne efficacement dans une plus large gamme de directions de vent. Le système eSAIL de l'aile 4bleu est un exemple de cette technologie, avec des installations sur des pétroliers chimiques et des navires de fret général indiquant des économies de carburant de 10 à 20 pour cent.

La synergie de la propulsion électrique et éolienne

La force éolienne est intermittente et variable; la propulsion électrique avec stockage de batteries fournit un tampon qui absorbe cette variabilité et maintient la vitesse et la fiabilité constantes du navire. Sans le tampon électrique, un navire assisté par le vent doit constamment ajuster la puissance du moteur en réponse aux rafales et aux rafales de vent, ce qui est inefficace et augmente la charge de travail de l'équipage.

Flux d'énergie et distribution d'énergie

Dans un système combiné, les dispositifs d'aide au vent produisent une poussée qui réduit la demande de couple sur l'arbre d'hélice. Le moteur électrique, fonctionnant comme un générateur de moteur, réduit automatiquement la consommation d'énergie du bus DC. Si le navire fonctionne uniquement avec l'alimentation de la batterie, la demande réduite prolonge le temps de fonctionnement de la batterie. Si les générateurs fonctionnent, ils peuvent être abaissés ou coupés entièrement lorsque la poussée du vent est suffisante.

Lorsque les conditions du vent sont favorables, le navire peut fonctionner en mode batterie uniquement avec l'aide du vent, obtenant zéro émission pendant de longues périodes. Lorsque le vent tombe, le système de batterie fournit de la puissance de maquillage, évitant la nécessité de démarrer un générateur pour de courts intervalles.

Systèmes de contrôle dynamique

Les systèmes avancés de gestion de l'énergie utilisent des algorithmes prédictifs basés sur le routage météorologique et les prévisions du vent pour optimiser la charge et le déchargement des batteries. Par exemple, un navire naviguant dans l'Atlantique Nord pourrait charger ses batteries pendant les heures de nuit lorsque la vitesse du vent est élevée et la charge du générateur est faible, puis puis puis puis utiliser la puissance de la batterie pendant le lendemain lorsque la vitesse du vent diminue.

Les systèmes de commande doivent également gérer l'interaction entre les dispositifs d'assistance vent et la direction du navire. La poussée asymétrique des voiles de rotor ou des voiles d'aile peut introduire des moments de lacet qui nécessitent une correction du gouvernail ou des propulseurs azimuts. Les algorithmes modernes de commande coordonnent les angles de voile, les vitesses du rotor et les commandes de propulseur pour maintenir le cap tout en maximisant les économies nettes de carburant.

Études de cas et projets pilotes

Plusieurs projets notables illustrent le potentiel de propulsion électrique et éolienne combinée. Norsepower, en partenariat avec les compagnies maritimes et les sociétés de classification, a installé des voiles de rotor sur plusieurs navires, y compris un pétrolier hybride qui utilise un système de batterie pour le rasage de pointe aux côtés des voiles de rotor. Le système permet toujours d'économiser plus de 10% de carburant sur les routes entre l'Europe du Nord et la Méditerranée.

Le Yara Birkeland, premier fournisseur de conteneurs entièrement électriques au monde, démontre le potentiel d'émission zéro de la propulsion électrique par batterie sur les routes de courte distance. Bien que le Yara Birkeland n'inclue pas actuellement les dispositifs d'aide au vent, son architecture de batteries et ses systèmes de contrôle autonomes fournissent un modèle pour intégrer ces technologies dans les futures nouvelles constructions.

Le projet Oceanbird de Wallenius Marine vise à développer un véhicule et un camion de 7 000 voitures, avec quatre voiles à voilure et un système de propulsion électrique hybride, doté d'une batterie de batteries de taille réduite pour les opérations portuaires sans émissions et le transport à basse vitesse. Le navire, nommé Orcelle Wind, devrait entrer en service à la fin des années 2020 et disposer de la plus grande installation de propulsion assistée par le vent de tout navire océanique.

Avantages de l'approche combinée

Les avantages mesurables de l'intégration de la propulsion électrique et éolienne s'étendent à la consommation de carburant, aux émissions, à la flexibilité opérationnelle et au coût total de possession, et sont étayés par des données issues de projets pilotes et d'études de simulation menées par des instituts de recherche et des sociétés de classification.

Réduction de la consommation de carburant

Les données de terrain des installations de voiles du rotor de Norsepower montrent que les systèmes d'aide éolienne peuvent réduire la consommation de carburant du moteur principal de 5 à 15 % en moyenne, avec des réductions maximales supérieures à 25 % sur des routes favorables. Combinés à la propulsion hybride batterie-électrique, les économies totales de carburant augmentent de 3 à 7 % en raison de la charge optimisée des générateurs et de l'élimination des opérations de moteurs à faible charge.

Émissions et conformité réglementaire

Les navires opérant dans des zones de contrôle des émissions telles que la mer Baltique, la mer du Nord et les côtes nord-américaines peuvent passer au mode électrique-batterie lorsqu'ils entrent dans ces zones, en évitant le coût et la complexité des épurateurs ou des carburants conformes. L'inclusion du transport maritime dans son système d'échange de quotas d'émission incite davantage à économiser et à réduire les émissions de carburant, car chaque tonne de CO2 émise entraîne un coût qui devrait augmenter de plus de 100 EUR par tonne d'ici 2030.

Résilience opérationnelle

Les navires équipés d'un système d'aide éolienne et de stockage de batteries ont plusieurs sources d'énergie et peuvent continuer à fonctionner si un système échoue. Dans un scénario où un générateur est hors ligne, le système de batteries peut fournir de la puissance de propulsion pendant que la défaillance est diagnostiquée et réparée.

Analyse des coûts du cycle de vie

Les systèmes de batteries ajoutent 1 million à 5 millions de dollars en fonction de la capacité. Cependant, les analyses du cycle de vie effectuées par les sociétés de classification indiquent des périodes de récupération de 3 à 7 ans pour les installations typiques, entraînées par des économies de carburant, une maintenance réduite et l'évitement des coûts de conformité. Pour les nouvelles constructions, le coût différentiel de l'intégration de la propulsion éolienne et électrique pendant la construction est sensiblement plus faible que la modernisation ultérieure de ces systèmes, ce qui fait de l'intégration de nouveaux bâtiments le moyen économique privilégié.

Défis techniques et solutions d'ingénierie

Malgré les avantages évidents, l'approche combinée introduit des défis techniques qui doivent être relevés par l'innovation en ingénierie et l'adaptation opérationnelle.

Intégration structurelle

L'installation de voiles rotor ou de voiles à voilure sur un navire existant nécessite une analyse structurale minutieuse du pont et de la coque pour supporter le poids et les charges dynamiques supplémentaires. Les voiles rotor peuvent peser de 20 à 50 tonnes métriques chacune, et la fondation doit transférer des forces de poussée de 100 kilonewtons ou plus à la coque. L'analyse des éléments finis et la surveillance structurale sont standards lors de l'installation pour assurer la sécurité et la conformité aux règles de la société de classe.

Complexité du système de contrôle

La coordination des dispositifs d'aide à l'éolien, des moteurs électriques, des générateurs et des systèmes de gestion de la batterie nécessite un haut niveau d'automatisation et de logique de sécurité. En cas de panne de capteur ou de perte de communication, le système doit être par défaut en mode de fonctionnement sûr qui maintient la propulsion et la maniabilité.

Infrastructure portuaire et tarification

Les installations de remorquage à froid sont de plus en plus courantes dans les ports européens et nord-américains, et la Commission électrotechnique internationale a publié la norme CEI 80005-1 pour les systèmes de raccordement à terre à haute tension. Les investissements dans les infrastructures de remorquage portuaire s'accélèrent avec le soutien de programmes tels que le European Green Deal et la loi américaine sur la réduction de l'inflation.

Viabilité économique et investissement Paysage

La rentabilité de la propulsion combinée électrique et éolienne dépend des prix du carburant, des coûts réglementaires, du profil d'exploitation des navires et des incitations disponibles. Avec des prix fluctuants de 400 à 700 dollars par tonne métrique et des prix du carbone, qui ajoutent 50 à 100 euros par tonne de CO2, la facture annuelle de carburant pour un grand navire peut dépasser 5 millions de dollars.

Les institutions financières, dont la Banque européenne d'investissement et les prêteurs commerciaux qui offrent des financements pour des navires écologiques, ont reconnu que les technologies électriques éoliennes et hybrides étaient des technologies éligibles pour des conditions de prêts favorables.

Cadre réglementaire et mesures incitatives

L'indice d'efficacité énergétique existant (EEXI) et l'indicateur d'intensité en carbone (CII) de l'OMI imposent aux navires existants des exigences obligatoires en matière d'efficacité et d'intensité en carbone. Les navires assistés par le vent peuvent se conformer à la norme en utilisant le système de déduction de la puissance de l'aide éolienne, qui permet aux navires de déduire une partie de la poussée fournie par les dispositifs d'aide éolienne lorsqu'ils calculent leurs valeurs de l'EEXI et de la CII. La déduction exacte dépend du type et de la puissance nominale de l'installation d'aide éolienne et doit être vérifiée par une société de classification.

Le gouvernement norvégien offre un soutien à l'investissement pour les navires à émissions nulles par le biais de son fonds pour les NOx et de ses programmes Enova. L'Union européenne élabore un système d'étiquetage des navires verts qui permettrait d'établir des amarrages prioritaires et de réduire les droits portuaires pour les navires dont les émissions sont vérifiées.

Perspectives d'avenir et trajectoire de l'innovation

La trajectoire de la propulsion combinée électrique et éolienne est ascendante, entraînée par la maturité technologique, la pression réglementaire et la demande commerciale. Les installations de voiles de rotor sur vraquiers et pétroliers deviennent routinières, et les projets de voiles d'aile passent du concept à la construction.

Les développements émergents incluent l'utilisation de propulseurs azimut alimentés par des moteurs électriques en combinaison avec des voiles d'aile rétractables pour un positionnement dynamique pendant les opérations de chargement, éliminant le besoin d'assistance remorque. Une autre tendance est l'électrification des systèmes auxiliaires tels que les pompes, les ventilateurs et les treuils, qui réduit encore la charge du générateur et étend la portée de la batterie.

Les piles à combustible produisent de l'électricité à haut rendement et à zéro émission au point d'utilisation. Lorsqu'elles sont jumelées avec des systèmes d'aide éolienne, les piles à combustible peuvent fonctionner à un état stable tandis que le vent gère la portion variable de la demande d'énergie, ce qui donne lieu à un système de propulsion presque exempt d'émissions qui peut fonctionner sur les routes mondiales.

Le déploiement combiné de la propulsion électrique et des technologies assistées par l'éolien représente un chemin pratique à court terme pour la décarbonisation profonde de l'industrie maritime. Les technologies sont matures, les données opérationnelles sont convaincantes et l'analyse de rentabilité se renforce à mesure que les coûts du carburant et du carbone augmentent. Les armateurs qui investissent acquièrent maintenant de l'expérience en matière d'intégration, captent les incitations aux adoptères précoces et positionnent leurs flottes pour atteindre des objectifs d'émissions de plus en plus stricts.