Si les carburants de remplacement comme le GNL, le méthanol et l'hydrogène attirent les gros titres, la voie la plus immédiate et la plus pratique vers la propulsion à zéro émission réside dans les technologies de pointe en matière de piles. Les percées récentes dans le domaine de l'électrochimie, de la gestion thermique et de la fabrication rendent les navires de mer électriques non seulement réalisables, mais de plus en plus compétitifs par rapport aux navires conventionnels alimentés au diesel.

Le dossier de la propulsion électrique dans les navires maritimes

La propulsion électrique n'est pas nouvelle dans le secteur maritime — les sous-marins et les traversiers utilisent des moteurs électriques depuis des décennies. Ce qui a changé, c'est l'amélioration spectaculaire de la densité énergétique des batteries, de la durée de vie du cycle et du coût. Lorsque les premières installations maritimes au lithium-ion ont besoin de salles de batteries volumineuses et offrent une portée limitée, les systèmes actuels peuvent alimenter les traversiers côtiers de 50 à 100 milles marins sur une seule charge, avec une puissance maximale capable de soutenir des opérations de positionnement dynamique et de déglaçage.

En outre, des réglementations strictes de l'Organisation maritime internationale (OMI) et des organismes régionaux tels que l'Union européenne accélèrent l'adoption de la stratégie initiale de l'OMI, qui vise à réduire de 50 % les émissions de gaz à effet de serre d'ici 2050 par rapport à 2008, et de nombreux pays côtiers ont désormais besoin de propulsions à émissions nulles ou hybrides pour les nouveaux navires opérant dans les zones de contrôle des émissions.

Chimistries de piles de base alimentant la propulsion électrique marine

Toutes les batteries ne sont pas construites de la même façon, et l'environnement marin impose des exigences uniques : une grande durée de vie en cycle, une tolérance aux vibrations et à l'eau salée, une capacité de charge rapide et la capacité de fournir une puissance élevée soutenue pendant des heures.

Lithium-Ion : Le cheval de bataille de l'électrification marine moderne

Lithium-ion (Li-ion) est devenu le choix par défaut pour les batteries marines, mais dans cette famille, les chimies à cathodes distinctes offrent des compromis entre la densité énergétique, la sécurité et le coût. Les variantes les plus courantes dans les applications marines sont:

  • Lithium Nickel Manganèse Oxyde de cobalt (NMC):[ Une haute densité énergétique (~200–250 Wh/kg) rend le NMC idéal pour les navires dont le poids et l'espace sont à la hauteur – comme les traversiers et les bateaux de travail.
  • Phosphate de fer de lithium (LFP) :[ Densité d'énergie légèrement inférieure (~150–180 Wh/kg) mais stabilité thermique exceptionnelle et durée de vie du cycle (5 000–10 000 cycles).
  • Le titane de lithium (LTO):[ Charge extrêmement rapide (80% en moins de 15 minutes) et durée de vie ultra-long cycle (20 000+ cycles) rendent le LTO attrayant pour les traversiers à courte distance qui doivent être chargés à chaque quai. L'échange est une densité d'énergie plus faible (~70–100 Wh/kg), de sorte que le LTO est rarement utilisé pour les navires à longue portée.

Les systèmes modernes de Li-ion maritime intègrent également des systèmes sophistiqués de gestion de la batterie (BMS) qui surveillent la tension, la température et l'état de charge des cellules avec une précision de milliseconde. De nombreuses installations utilisent la gestion thermique refroidie par eau pour maintenir des températures de fonctionnement optimales, en particulier lors de décharges à haute puissance pour l'assistance au propulseur ou la charge rapide. Corning et Leclanché sont deux fournisseurs qui ont déployé des systèmes de Li-ion à grande échelle sur des navires commerciaux, y compris le Ampere ferry en Norvège, qui a enregistré plus de 110 000 heures de fonctionnement sans incident important de batterie.

Batteries à l'état solide : la prochaine frontière

Les batteries à l'état solide remplacent l'électrolyte liquide des cellules conventionnelles Li-ion par un conducteur solide à base de céramique, de polymères ou de sulfures.Cette conception offre plusieurs avantages théoriques : des densités d'énergie supérieures à 400 Wh/kg, aucun électrolyte liquide inflammable (réduction importante du risque d'incendie) et la capacité d'utiliser une anode au lithium métal pour une capacité encore plus élevée.

Cependant, la technologie à l'état solide est encore à l'étape de la production pilote. Les grands fabricants comme Toyota et QuantumScape ont démontré des cellules prototypes dont la durée de vie est prometteuse, mais l'échelle vers les paquets multi-mégawatt-heures nécessaires pour un grand conteneur reste à l'extérieur. Les cellules à l'état solide actuelles ont également tendance à être plus coûteuses que Li-ion et nécessitent une fabrication complexe sous atmosphère inerte. Plusieurs coentreprises, dont une collaboration entre DNV[ et les développeurs de batteries, testent des modules à l'état solide pour les milieux marins, en mettant l'accent sur la résistance aux vibrations et la tolérance à la pression.

Batteries de débit: Énergie évolutive pour les grands bateaux

Les batteries à flux stockent de l'énergie dans des électrolytes liquides contenus dans des réservoirs externes, qui peuvent être évoluables de façon indépendante : les réservoirs plus grands augmentent la capacité énergétique, tandis que la puissance de sortie dépend de la taille de la pile. La chimie de la batterie à flux la plus mature pour l'usage maritime est le vanadium redox, qui offre une durée de vie de cycle indéterminée (le vanadium ne se dégrade pas) et aucun risque de fuite thermique parce que les électrolytes ne sont pas inflammables.

Le principal inconvénient est la faible densité d'énergie, généralement de 20 à 35 Wh/L, ce qui signifie que les systèmes de batteries à flux occupent un espace et un poids considérables par rapport à Li-ion. Pour un navire comme un vraquier Panamax, la batterie à flux aurait besoin d'environ trois à quatre fois le volume d'un pack Li-ion pour la même énergie. Néanmoins, les progrès dans les électrolytes à haute concentration et les conceptions de piles plus efficaces réduisent l'écart.

Beyond Chimie: Ingénierie des systèmes pour les batteries marines

Pour résister à l'environnement maritime difficile, les batteries doivent être conçues avec des boîtiers robustes, souvent avec une protection IP67 ou une protection contre les intrusions plus élevée, et comprendre un refroidissement ou un chauffage actif pour gérer les températures extrêmes. L'intégration structurelle des batteries dans la coque du navire est un autre défi : les batteries doivent être placées à faible stabilité pour rester accessibles à l'entretien.

Les configurations hybrides, où les batteries fonctionnent à côté d'un petit générateur diesel ou d'une pile à combustible, gagnent également en traction. Dans ces configurations, la batterie gère les charges de pointe et permet au moteur de fonctionner à son point de fonctionnement le plus efficace, réduisant ainsi sa consommation de carburant de 15 à 30%.La classe E-ferry au Danemark utilise cette approche avec un pack NMC de 4,3 MWh et un générateur diesel de secours pour une gamme étendue.

Avantages opérationnels et économiques

Le passage de la propulsion diesel-mécanique ou diesel-électrique aux systèmes électriques à batterie procure des avantages tangibles au-delà de la réduction des émissions.

  • Économies de coûts de carburant:[ L'électricité est généralement moins chère par unité énergétique que le diesel marin, surtout si elle est facturée par l'électricité à des taux favorables.
  • Réduction de l'entretien:[ Les moteurs électriques ont beaucoup moins de pièces mobiles que les moteurs diesel. Il n'y a pas de changement d'huile, de remplacement d'injecteur de carburant ou de réparation du système d'échappement.
  • Bruit et vibrations:[ La propulsion électrique fonctionne à un murmure par rapport au diesel, qui est inestimable pour les opérations sonar scientifiques, la furtivité navale et le confort des passagers.
  • Conformité réglementaire :[ Les navires à émissions nulles peuvent pénétrer dans les zones de contrôle des émissions sans restriction, et certains ports offrent des droits portuaires réduits pour les navires verts.

Cas en détail : le Michele F, remorqueur entièrement électrique opérant au port de Kaohsiung, à Taiwan, génère zéro émission au cours de ses opérations régulières et peut remorquer des navires jusqu'à 50 000 DWT. Son pack de batteries LFP de 2,5 MWh dure deux jours complets de travaux portuaires avant d'avoir besoin d'une charge de nuit. L'exploitant signale une réduction de 30 % du coût total de propriété par rapport à un remorqueur diesel conventionnel, entraînée par des coûts énergétiques moins élevés et une réduction de l'entretien.

Problèmes rencontrés par l'adoption généralisée

Malgré les progrès accomplis, des obstacles importants subsistent avant que la propulsion électrique de la batterie ne devienne la norme pour le transport maritime mondial.

Densité énergétique et limites de la plage

La densité énergétique des meilleures batteries Li-ion (250 Wh/kg au niveau du pack) est environ 40 à 50 fois inférieure à celle du diesel marin (=12 000 Wh/kg, y compris l'efficacité du moteur). Pour un navire conteneurier traversant le Pacifique, le poids de la batterie requis serait de milliers de tonnes, ce qui est peu pratique. Ainsi, la propulsion électrique de la batterie est actuellement limitée aux navires de transport maritime à courte distance, aux traversiers et aux bateaux intérieurs où les routes sont inférieures à 100 milles marins.

Impact de la tarification des infrastructures et des réseaux

Un bac qui doit recharger un paquet de 5 MWh en 30 minutes nécessite un taux de recharge de 10 MW, soit plus que la plupart des petits ports peuvent fournir sans modernisation du réseau. Certains ports investissent dans des systèmes de stockage de batteries ou de volants dédiés pour tamponner le réseau, mais la modernisation des installations de recharge à terre demeure une entreprise à forte intensité de capital. La normalisation des connecteurs et des protocoles de recharge (p. ex. les systèmes de recharge mégawatt utilisés dans les poids lourds) est toujours en cours, et le manque d'interopérabilité entre les fabricants constitue un obstacle.

Durée de vie et recyclage des batteries

Bien que les piles à combustible liquide puissent dépasser 5 000 cycles, les piles à combustible solide en service maritime doivent souvent être remplacées après 2 000 à 3 000 cycles, soit 6 à 10 ans pour un traversier quotidien. De plus, le recyclage des piles à l'échelle marine n'est pas encore mature; le démantèlement sécuritaire et la récupération des matériaux doivent être améliorés pour éviter de créer de nouveaux flux de déchets. Le Conseil international des transports propres a demandé que des normes d'analyse du cycle de vie propres aux piles marines guident l'élimination et les applications de la deuxième vie.

Sécurité et certification

Les incendies de batterie à bord des navires sont particulièrement dangereux, car les équipages ne peuvent pas facilement évacuer et les ressources de lutte contre l'incendie sont limitées.Les incendies de 2020 à bord du navire roulis/roulis Höegh Xiamen, attribués à la cargaison de batterie, ont souligné les risques.Les systèmes de batteries maritimes doivent être certifiés rigoureusement par des sociétés de classification comme Lloyd's Register[ ou Bureau Veritas.

Perspectives d'avenir: des ferries aux navires de haute mer

Le transport maritime à courte distance (ferries, remorqueurs, barges intérieures) passera à l'électricité jusqu'en 2030 environ, date à laquelle les batteries solides ou les batteries Li-ion évoluées pousseront jusqu'à 300 à 500 milles marins. Pour les navires de moyenne portée (navires-conteneurs, pétroliers-produits), les systèmes hybrides avec piles et piles à combustible ou combustibles à faible teneur en carbone prédominent. Les navires-conteneurs et les vraquiers continueront d'utiliser d'autres carburants pour la puissance de base, mais ils peuvent installer des batteries pour le rasage de pointe, le repassage à froid dans les ports et la puissance de secours.

De nouvelles technologies, telles que les batteries à ions sodium (chaud et plus sûr que Li-ion, bien que de faible densité) et les cellules au lithium-sulfur (théoriquement jusqu'à 600 Wh/kg) sont également étudiées pour des applications maritimes. De plus, l'intégration de navires à travers le réseau pourrait transformer de grandes flottes de navires amarrés en moyens de stockage d'énergie expéditifs, aidant à stabiliser les réseaux côtiers et créant de nouveaux flux de revenus pour les propriétaires de navires.

En fin de compte, le succès de la propulsion électrique par batterie dépend des progrès coordonnés dans les domaines de la chimie, de l'ingénierie, de l'infrastructure et de la politique. L'industrie maritime est notoirement conservatrice, mais la combinaison de la pression réglementaire, de la parité des coûts et de la fiabilité opérationnelle démontrée conduit à un changement irréversible.