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Article

1 - DÉFINITION DES BESOINS EN ÉNERGIE

2 - ARCHITECTURES ÉNERGIE-PROPULSION. POINT DE VUE DE L’ARCHITECTE NAVAL

3 - ARCHITECTURES ÉLECTRIQUES DES SYSTÈMES

4 - PRODUCTION ET STOCKAGE DE L’ÉNERGIE ÉLECTRIQUE

5 - CONCLUSION

Article de référence | Réf : D5610 v2

Conclusion
Navire électrique - Propulsion, distribution électrique et production d’énergie

Auteur(s) : Michel PACAULT, Alain BONDU, Paul LETELLIER

Date de publication : 10 déc. 2016

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RÉSUMÉ

Le développement de l’électronique de puissance a permis un renouveau de la propulsion électrique en contribuant d’abord à l’électrification de navires spécialisés tels que câbliers, brise-glace, navires scientifiques, puis le « tout électrique » s’est progressivement étendu aux navires de croisière modernes. Aujourd’hui, poussés par des contraintes environnementales de plus en plus strictes, les solutions tout électriques ou hybrides envahissent de nombreux types de navires. Cet article recense la définition des besoins en énergie des principaux types de navire, explique les enjeux dans le choix de systèmes de propulsion mécaniques, tout électrique ou hybrides et détaille les architectures électriques mises en œuvre dans ces applications ainsi que les moyens utilisés pour la production de l’énergie électrique à bord. 

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ABSTRACT

All Electric Ship. Propulsion, Electrical Networks and Power Generation

The concept of the All Electric Ship has had resurgence with the outstanding developments in power electronics. First, specialized ships such as cable layers, research vessels, ice breakers, cruise liners have benefited from the advantages brought by this technology. To date, pushed by the drastic environmental constraints, the integrated full electric propulsion concept has gained a large recognition and has spread into many categories of ships, such as ferries, gas carriers and even  frigates. This article, first, spells out the energy needs on board various categories of ships, explains the rationale for the choice of  either conventional, electric or hybrid propulsion systems, details some typical electrical architectures and describes the power generating systems.

Auteur(s)

  • Michel PACAULT : Ingénieur de l’École Nationale Supérieure de Techniques Avancées - Consultant, Construction Navale

  • Alain BONDU : Ingénieur de l’École Supérieure d’Électricité - Consultant, ancien ingénieur, Jeumont Electric

  • Paul LETELLIER : Ingénieur de l’École Supérieure d’Électricité - Ingénieur de l’École Navale, Jeumont Electric

INTRODUCTION

Les applications de l’électricité à la propulsion électrique sont pratiquement aussi anciennes que l’électricité industrielle, et ont toujours existé pour certaines applications spécifiques. Nous ne prendrons qu’un seul exemple : le prestigieux paquebot Normandie, dans les années 1930, était équipé d’une propulsion électrique constituée de 4 moteurs synchrones entraînant chacun une hélice à pas fixe de 40 000 chevaux-vapeurs.

Il reste que l’immense majorité des navires utilisait jusqu’à une période récente des groupes propulsifs constitués de turbines et/ou de moteurs diesels accouplés à une ligne d’arbre porte-hélice. Par ailleurs, le bord disposait de plusieurs systèmes autonomes de production d’énergie pour les servitudes, les systèmes de combat (navires militaires) et les auxiliaires de coque.

Dans le navire « tout électrique » (c’est-à-dire à propulsion électrique intégrée), c’est la production, la distribution et l’utilisation globale de l’énergie pour l’ensemble du bâtiment qui sont prises en compte. La distribution entre les principaux utilisateurs s’effectue par l’intermédiaire de réseaux de câbles électriques de puissance.

Toutefois, de nos jours, un nouveau concept de navires appelés hybrides, associant un système purement électrique à des équipements de propulsion thermiques, gagne de l’ampleur, poussé par les nouvelles formes de production d’énergie propre et des avantages technico-économiques déterminants en termes d’installation et de performances opérationnelles.

Un navire électrique comprend principalement deux ensembles : production d’énergie et propulsion.

La centrale de production d’énergie est similaire à celle utilisée sur tous les navires pour l’alimentation du réseau de bord, mais avec une puissance installée bien évidemment largement supérieure. Elle alimente tous les utilisateurs du bord et notamment un ou plusieurs équipements de propulsion.

L’(ou les) équipement(s) de propulsion comprend (ou comprennent) généralement un moteur électrique à vitesse variable associé à un convertisseur. (Il existe quelques cas de propulsion électrique par moteur à vitesse fixe entraînant une hélice à pales orientables.)

D’une manière générale, les finalités recherchées dans le navire électrique sont :

  • la souplesse de manœuvre : la propulsion électrique se prête à un renversement de sens de marche quasi instantané et à la marche arrière à pleine puissance, d’où une distance d’arrêt du navire très réduite. Elle offre une stabilité de marche aux très faibles allures du navire et une grande précision de manœuvre ;

  • une amélioration du rendement nautique global, obtenue via le fractionnement de la centrale d’énergie permettant un fonctionnement des groupes thermiques à un taux de charge correspondant à un rendement optimal ;

  • la fiabilité et un allègement de la logistique et de la maintenance. Ces améliorations sont obtenues grâce à la suppression de certaines complexités mécaniques (hélices à pales orientables) et à la robustesse des machines électriques ne comportant pas de pièces d’usure. La redondance, puissant facteur d’amélioration de la fiabilité, est présente, à la fois au niveau de la production d’énergie, des réseaux électriques aisément reconfigurables et des moteurs électriques de propulsion à enroulements multiples ;

  • une grande souplesse architecturale à la conception du navire, pouvant aller jusqu’à la suppression de toute ligne d’arbre. L’implantation à bord des équipements électriques est aisée, ce qui permet d’accroître et de mieux exploiter le volume utile et facilite la répartition des masses ;

  • la protection de l’environnement par la réduction – voire la suppression – des émissions de CO2  , d’oxydes de soufre et d’azote, des particules fines. Cela peut s’obtenir via une meilleure gestion énergétique et l’utilisation de nouveaux moyens de stockage de l’énergie électrique à bord (navire à zéro émission) ;

  • une réduction de la signature acoustique. La réduction du bruit émis dans l’eau est particulièrement importante pour les navires de recherche scientifique, halieutique, les navires militaires (non-perturbation des sonars) et de manière générale, en vue de la préservation de la biodiversité marine (objectif européen de réduction de 10 dB du bruit rayonné dans l’eau, à l’horizon 2050). Comparés à leurs homologues thermiques, les moteurs électriques sont très silencieux et les hélices à pas fixe sont moins sujettes à la cavitation, source de bruit et d’usure.

Les avantages cités ci-dessus ne doivent cependant pas masquer les problèmes posés par la multiplication des câbles de puissance et des tableaux électriques et leurs incidences notamment sur :

  • la sécurité et la formation du personnel ;

  • la compatibilité électromagnétique (interférences avec les équipements de bord).

La conception d’un navire « électrique » est un problème complexe, nécessitant la maîtrise d’un grand nombre de sujets tels que :

  • la conception des réseaux électriques (protection vis-à-vis des défauts, qualité de la tension, gestion des régimes transitoires) ;

  • la gestion optimale de sources d’énergie de nature différente.

Le thème du navire tout électrique est traité à travers trois articles : [D 5 610] examine la propulsion et la production d’énergie ; [D 5 615] dresse un état de l’art des composants ; enfin [D 5 620] se concentre sur ses évolutions et ses systèmes de conduites.

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KEYWORDS

electric ship   |   hybrid ship   |   electrical networks   |   electrical systems layout   |   electrical power generation

VERSIONS

Il existe d'autres versions de cet article :

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v2-d5610


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5. Conclusion

La distinction mécanique-électrique pour les systèmes propulsion-énergie des navires s’estompe progressivement.

Entre les propulsions purement mécaniques, sans lien avec la production d’énergie électrique et les systèmes tout électrique, dans lesquels une seule centrale de production électrique subvient à tous les besoins du navire, de nouveaux systèmes intégrés hybrides mécanique-électrique ont trouvé leur place.

Pour ces nouveaux systèmes, le rapport de puissance entre mécanique et électrique est déterminé par type de navire et en fonction de son programme d’exploitation, tous les ratios étant quasiment possibles.

Ainsi, parallèlement aux navires tout électriques, la place des hybrides ira en grandissant, poussée par les contraintes d’optimisation énergétique et de réduction des émissions polluantes, celles-ci imposant un recours à l’énergie électrique afin d’exploiter toutes les possibilités de récupération d’énergie ou de stockage en batteries.

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) -   *  -  Sessions annuelles de l’ATMA – Association technique maritime et aéronautique.

  • (2) -   *  -  Revue Electric and Hybrid marine technology international.

  • (3) - BONDU (A.) -   Les réseaux d’énergie électrique à bord des navires de surface. 1ère partie : Les enjeux et les contraintes.  -  Revue 3EI, n° 48, p. 46-53, mars 2007.

  • (4) - BONDU (A.) -   Les réseaux d’énergie électrique à bord des navires de surface. 2e partie : Les convertisseurs et les composants associés.  -  Revue 3EI, n° 55, p. 43-53, déc. 2008.

  • (5) - BONDU (A.), LETELLIER (P.) -   Les réseaux d’énergie électrique à bord des navires de surface. 3e partie : Exemples de schémas et perspectives d’avenir.  -  Revue 3EI, n° 65, p. 44-52, juin 2011.

  • ...

1 Événements

Congrès All Electric Ship-AES

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2 Réglementation

Bureau Veritas (BV)

Det Norske Veritas (DNV)

Lloyd’s Register of Shipping.

Registro Italiano Navale (RINA)

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3 Annuaire

GICAN, Groupement des industries de construction et activités navales

60, rue de Monceau 75008 Paris http://www.gican.asso.fr

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