Les Énergies Décarbonnées Maritimes

Les solutions qui remplacent l’énergie fossile à bord

Les solutions qui remplacent l’énergie fossile à bord : propulsion par le vent, électrification de la chaîne propulsive, carburants de synthèse et hydrogène.

La propulsion par le vent

Les nouvelles solutions de propulsion vélique à voiles nécessitent un effort de conception et d’adaptation du mât compte tenu des contraintes qu’il subira lors de grandes traversées océaniques. Ainsi, de nombreux acteurs de la course nautique au large sont actifs dans la conception et la fabrication de mâts principalement en carbone, puisque légers et souples tout en étant résistants en flexion et à la corrosion.

Le projet de voiles SolidSail fédère plusieurs acteurs français des matériaux composites, notamment autour de la fabrication du mât.

Voiles rigides à profil mince inspirées de l’aéronautique.
Il existe des voiles souples textiles pouvant être gréées de différentes manières. Elles sont affalables et arisables et dans certains cas, les mâts peuvent être rabattus pour permettre un passage sous les ponts.

Il existe également des voiles constituées de panneaux mobiles en fibre de verre qui se déforment sous la pression aérodynamique sans faseyer. Elles peuvent être montées sur un gréement à balestron qui s’oriente indépendamment de l’angle au vent du navire, pour maîtriser les efforts en fonction du vent.

Ailes rigides à profil épais, repliables ou orientables.

Il existe de nombreuses technologies de voiles à profil épais :

• Les ailes à plusieurs éléments, dotées d’une structure semi-rigide en composite, et d’une enveloppe textile. L’ensemble est affalable et arisable.
• Les ailes symétriques gonflables en textile, gonflées et équipées d’un mât télescopique, pouvant se rétracter.
• Les ailes rigides asymétriques, en matériaux composites comme une pale d’éolienne. Elles peuvent se déplier dans un sens ou dans l’autre pour s’inverser et s’orienter de façon optimale.
• Les ailes asymétriques semi-rigides, composées d’une voile classique équipée de plaques flexibles et d’un système de gonflage pour éviter le faseyement.

Propulsion vélique à profils aspirés

Le profil aspiré est constitué d’une aile métallique cylindrique verticale, équipée d’une grille d’aspiration et d’un volet qui optimisent la portance du système.

Elle permet aux navires de tirer davantage partie de l’énergie éolienne. Cette avancée technologique promet de rendre la navigation plus efficiente, tout en réduisant l’empreinte énergétique des navires.

Propulsion vélique à rotors

Le rotor est un cylindre métallique mis en rotation par une motorisation. Cette rotation permet au cylindre de générer une poussée par effet Magnus.

Les rotors peuvent être équipés d’un système de bascule pour diminuer leur tirant d’air.

En exploitant la puissance du vent, ces rotors contribuent à la réduction de la consommation de carburant et des émissions associées.

Propulsion vélique à l’aide d’un kite

La propulsion vélique par kite, intégrant de vastes cerfs-volants aérodynamiques, offre à l’industrie navale un moyen d’exploiter l’énergie éolienne en haute mer.

Connectés aux navires par des câbles robustes, ces kites augmentent l’efficacité énergétique, permettant de réduire la consommation de carburant et d’opérer une transition vers une navigation plus écologique.

Cette technologie souvent automatisée présente de nombreux avantages, tels que l’encombrement limité, ainsi qu’une disponibilité en rétrofit.

La propulsion électrique

Comme dans d’autres mobilités, l’électrification des modes de propulsion et du système énergétique à bord se déploie progressivement sur les navires. Les plus petits d’entre eux, à l’image des navires aquacoles ou de plaisance, peuvent déjà opter pour une propulsion électrique alimentée par des batteries à mesure du déploiement de prise dans les ports. L’enjeu du déploiement de l’infrastructure portuaire pour la connexion à quai et le rechargement des navires est un enjeu majeur pour le triptyque armateurs, ports, énergéticiens tant d’un point de vue technique pour le bon dimensionnement que sur le modèle économique pour financer ces infrastructures. L’électrification des quais est un enjeu aussi pour les chantiers en particulier ceux de réparation.

L’électrification est aussi une option intéressante pour des petits navires à passagers ou de servitude, en fluvial ou eaux abritées, qui bénéficient de capacité de recharge à quai et n’ont pas des besoins d’autonomie élevés. Sur les plus grands navires, les applications 100% électrique restent limitées à quelques usages spécifiques, tels que les ferries assurant de courtes traversées et pouvant se recharger souvent à quai.

Sur l’ensemble des navires, l’hybridation électrique de la propulsion décorrèle la génération d’énergie à bord et le pilotage électrique de la propulsion et des consommations des auxiliaires à bord, en s’appuyant sur du stockage d’électricité à bord avec des avantages pour le dimensionnement des systèmes, leur efficacité et leur capacité d’évolution technologique lors de retrofit au cours de la vie des navires.

Alimentation électrique à quai pour couper les moteurs à l’escale.

L’enjeu du déploiement de l’infrastructure portuaire pour la connexion à quai et le rechargement des navires est un enjeu majeur pour le triptyque armateurs, ports, énergéticiens tant d’un point de vue technique pour le bon dimensionnement que sur le modèle économique pour financer ces infrastructures. L’électrification des quais est un enjeu aussi pour les chantiers en particulier ceux de réparation.

L’énergie solaire dans l’industrie navale, du fait de sa puissance limitée, n’est utilisée que sur des petits navires ou des navires ne nécessitant pas une forte puissance (les navires de transport de passagers fluviaux par exemple).

Elle est également utilisée sur des navires plus importants comme source d’énergie auxiliaire, et permet des économies de carburant ainsi qu’une diminution des émissions de GES.

Petits réacteurs modulaires appliqués à la propulsion navale.

L’industrie maritime, dans sa quête d’options énergétiques durables, s’intéresse de plus en plus à la navalisation des Small Modular Reactors (SMR) ou petits réacteurs modulaires. Ces unités nucléaires compactes pourraient s’avérer être moins coûteuses et plus flexibles sur la durée de vie des navires et moins soumises aux aléas économiques. En termes de décarbonation, leur avantage est clair : une source d’énergie continue et puissante sans émission directe de CO

L’utilisation des SMR dans la marine marchande pourrait transformer la dynamique de la propulsion navale, permettant aux navires d’opérer sur de longues distances sans le besoin fréquent de ravitaillement en carburant. L’alternative aux réacteurs embarqués est la massification de la production d’énergie en zone portuaire pour la production de e-fuels. Les concepts à l’étude intègrent des réacteurs sur barge soit flottante soit gravitaire sur le site d’exploitation.

Toutefois, leur intégration n’est pas sans défi. Les préoccupations en matière de sûreté, de réglementation et d’acceptabilité publique, doivent être soigneusement abordées. Les réglementations de l’OMI sont aujourd’hui restées sur les travaux des années 70/80 mais l’AIEA a réouvert le sujet.

La propulsion par le E-Carburant / H2

Conversion de l’hydrogène en électricité à bord.

Les piles à combustible qui offrent des rendements supérieurs aux moteurs thermiques avec moins d’émissions de polluants voient dans l’industrie navale une application prometteuse pour la décarbonation.

Il existe différents types et architectures de piles (alkaline, oxyde-solide, aux carbonates fondus, à membrane). Elles acceptent différentes puretés d’hydrogène et de carburants alternatifs en fonctionnant à basse ou haute température (1000°C). Cette technologie combinée à une production de gaz propre est un moyen d’arriver à une propulsion zéro émission. L’enjeu reste l’intégration à bord, la fiabilité de ces systèmes, le coût et la souplesse d’emploi.

Les moteurs marins à combustion interne équipent maintenant les navires de toute taille avec des puissances allant de 50kW à plusieurs dizaines de MW. Ces moteurs ont fait l’objet de développement et de perfectionnement pour améliorer leur fiabilité et leur rendement au cours des dernières décennies. A l’heure de la transition environnementale, les motoristes adaptent leurs moteurs pour pouvoir accueillir les nouveaux carburants. Nous voyons s’enrichir l’offre de moteurs dual fuel pouvant accueillir plusieurs carburants et des mélanges à différent taux d’incorporation des bio-carburants et de e-fuels.

Les enjeux adressés par les programmes de développement sont la compatibilité, l’optimisation et la limitation de l’utilisation des pilote-fuels pour rendre possible la combustion tout limitant la formation de polluants type SOx ou Nox pour être compatible avec les réglementations IMO Tier III.

Pour le méthane, l’éradication des fuites lors de la combustion est critique pour assurer des gains environnementaux sur l’ensemble des gaz à effets de serre. Sur le plan industriel, les choix vers l’électrique du secteur automobile pourrait entraîner des conséquences importantes pour les moteurs de petites et moyennes puissances qui aujourd’hui bénéficie des effets de série d’un secteur à fort volume. Le secteur fluvial est en première ligne.

Les nouveaux carburants, tels que le GNL, l’hydrogène liquide et les biocarburants et e-carburants émergent comme des alternatives prometteuses aux carburants fossiles conventionnels.

Le stockage à bord peut être fait sous forme gazeuse, liquide ou chimique en fonction des applications et notamment la densité énergétique recherchée. Ce stockage peut présenter des contraintes thermiques fortes et des problématiques de sécurité pour les Hommes et l’environnement. Le stockage cryogénique à bord peut donner lieu au phénomène de boil-off qui peut servir à alimenter le système énergétique.

L’industrie navale se mobilise pour développer et fournir des solutions de soutage, stockage, gestion des nouveaux carburants à bord, sous toutes leurs formes.

Dans sa marche résolue vers la décarbonation, l’industrie navale s’appuie sur ses partenaires énergéticiens, armateurs et ports pour explorer activement la production et l’utilisation de carburants alternatifs.

Le gaz naturel liquéfié (GNL) est déjà en phase d’adoption par de nombreux armateurs, offrant une réduction notable des émissions de particules et d’oxydes de soufre et d’azote par rapport au fuel lourd conventionnel.

Les biogaz et biofuels, produits à partir de déchets organiques ou de cultures énergétiques, présentent l’avantage d’être renouvelables tout en limitant les émissions nettes de CO2 sur l’ensemble du cycle de vie des carburants.

L’hydrogène, lorsqu’il est produit de façon décarbonée, représente une solution pour une navigation zéro émission, alimentant des piles à combustible – ou des moteurs à combustion interne – ne rejetant que de l’eau.

Néanmoins, la densité énergétique de l’hydrogène représente un frein à l’utilisation pour les fortes autonomies. Le secteur cherche à combiner l’hydrogène avec du CO2 ou de l’azote pour créer des e-fuels tels que l’e-méthanol, l’e-ammoniac, ou le e- méthane pour en augmenter l’énergie stockée à bord.

Chantiers assemblant les briques en système complet.