La collaboration favorise la décarbonisation du secteur maritime

En tant que vétéran militaire de plus de 30 ans qui a passé sa carrière à concevoir, construire, exploiter, entretenir et réparer des navires de tous types - des porte-avions aux sous-marins - pour la marine américaine, le contre-amiral à la retraite Bryant Fuller, qui dirige désormais les programmes maritimes fédéraux pour Siemens Energy, sait une chose ou deux sur l'alimentation d'un navire.

« Concevoir un système d'alimentation pour un navire est un processus très collaboratif et itératif », a-t-il déclaré. « Il y a beaucoup d'échanges. [Un navire] est un système de systèmes, et ce que vous faites ici aura un impact sur ce qui se passe là-bas. Rien ne se fait en vase clos. »

Siemens Energy a fourni le système de batterie refroidi par eau de ce ferry norvégien entièrement électrique, le plus grand ferry électrique au monde. (Photo : Siemens Energy)

« Choisir une technologie ou un carburant plutôt qu'un autre a de nombreuses implications », a-t-il poursuivi. « Il n'existe pas de solution unique. »

Trouver la solution optimale pour propulser un navire nécessite de collaborer avec toutes les parties prenantes – propriétaire, architecte naval, ingénieurs, constructeur, etc. – afin de définir les paramètres et les priorités. « Il y a des compromis à faire », a déclaré Fuller. « Il n'existe pas de solution miracle, car chaque élément a un impact sur l'autre. »

Collaboration requise

Siemens Energy a été scindée en 2020 du conglomérat technologique multinational allemand Siemens pour former une entité autonome dédiée au secteur de l'énergie. Son portefeuille comprend une gamme diversifiée de produits, allant des électrolyseurs et des grandes turbines à gaz et à vapeur pour les services publics d'électricité aux technologies d'électrification, d'automatisation et de numérisation des applications offshore et maritimes.

L'entreprise fournit des solutions pour répondre aux différents besoins des clients en fonction des besoins énergétiques, de la taille du navire, de l'application, du temps en mer, des initiatives de développement durable, etc. Ces solutions comprennent la production d'électricité basse tension, les piles à combustible PEM, les systèmes de stockage d'énergie par batterie, les systèmes de récupération de chaleur perdue et bien plus encore.

« Nous fournissons des systèmes électriques intégrés. Pour le secteur maritime, du moins, nous ne fabriquons pas de moteurs diesel », a précisé Fuller. « Nous sommes donc assez indifférents aux diesels… et au carburant utilisé par votre moteur principal. »

« Nous sommes très intéressés, car c'est un élément clé du système de propulsion d'un navire. Les paramètres du navire sont importants. Mais nous ne sommes pas les décideurs du type de moteur ou de carburant à utiliser. »

Le Département des Transports du Texas utilise les technologies de stockage d'énergie BlueDrive PlusC et BlueVault de Siemens Energy pour aider le ferry Esperanza « Hope » Andrade à réduire ses émissions, à améliorer ses performances et à optimiser ses coûts d'exploitation. Le ferry est entré en service le 8 mars 2024. (Photo : Siemens Energy)

Pour garantir une parfaite synergie entre tous les éléments, la collaboration avec l'armateur, l'architecte naval, le bureau d'études et le constructeur naval est essentielle. « Nous devons comprendre les exigences de l'exploitant, ce qui est important pour lui. Ce navire doit-il avoir une certaine autonomie ? Doit-il avoir un certain degré de fiabilité ? », s'est interrogé Fuller. « Quel est son cycle de service ? Combien de jours passeront-ils en mer ? Quelle autonomie doivent-ils atteindre sans ravitaillement ? De nombreux facteurs opérationnels influencent la conception globale. »

Les coûts de construction et d'exploitation doivent également être pris en compte. « Il est essentiel de comprendre le budget du client. Même s'il s'agit d'un navire de la Marine ou d'un navire de recherche exploité par un organisme paragouvernemental ou gouvernemental, leurs budgets sont toujours limités », a souligné Fuller.

Être impliqué tôt peut faire toute la différence. « Parfois, nous sommes impliqués très tôt avec les cabinets d'architecture navale, puis nous construisons le système », explique Fuller. « Parfois, ils pensent déjà savoir ce qu'ils ont et disent : "Allez, construisez ça." »

« Souvent, sans l'aide de conseillers comme nous ou même de nos concurrents, ils n'auraient pas forcément trouvé la solution idéale. Mais la plupart connaissent leurs limites… Ils vous proposent une solution de base, et vous les aidez ensuite à l'affiner et à trouver une meilleure solution. »

Avantages du LVDC

Le système de propulsion et d'alimentation BlueDrive PlusC de Siemens Energy est l'une des solutions les plus répandues, de plus en plus présente sur les petits navires. Ce système à courant continu basse tension (CCBT) intègre des groupes électrogènes à vitesse variable, synchrones et sans balais, spécialement conçus pour fournir une gamme de fréquences et de tensions aux navires diesel, bicarburants ou à gaz.

BlueDrive PlusC utilise un système de gestion de la puissance pour contrôler les moteurs afin d'atteindre des valeurs de consigne de régime optimales en fonction du couple disponible. Selon Siemens Energy, cela permet de réduire la consommation de carburant en régulant le régime, en adaptant la gamme de moteurs si nécessaire et en minimisant leur utilisation.

« La technologie LVDC avec générateurs à vitesse variable a été développée il y a plus de dix ans, principalement pour les navires offshore qui recherchaient une fiabilité élevée et une réduction des coûts d'exploitation », a déclaré Fuller. « Nous utilisons des générateurs à vitesse variable pour obtenir la puissance nécessaire au diesel. »

L'Edda Freya est un navire de construction hybride de pointe, adapté aux opérations internationales. Présenté comme le plus grand navire offshore hybride à batterie au monde, l'Edda Freya est équipé du système de propulsion BlueDrive PlusC et du système de stockage d'énergie BlueVault de Siemens Energy. (Photo : Siemens Energy)

Un groupe électrogène diesel traditionnel fonctionne généralement à son régime maximal, quelle que soit la charge. « Vous envoyez donc beaucoup de carburant aux injecteurs, mais sa combustion est inefficace », explique-t-il. Avec les groupes électrogènes à vitesse variable, « si le diesel est à 30 % de charge, il fonctionne à un régime et une puissance inférieurs, et vous injectez moins de carburant. Vous économisez donc du carburant. »

Selon Fuller, plusieurs exploitants de navires constatent une réduction de 20 à 30 % de leur consommation de carburant grâce à la solution LVDC. Ils constatent également une réduction de l'usure des moteurs.

« Certains de nos exploitants nous disent qu'ils réduisent de 20 % l'entretien de leurs moteurs diesel, ce qui représente une dépense opérationnelle importante », a noté Fuller. « [D'autres] nous disent qu'ils suppriment la révision complète des moteurs diesel sur certains de leurs moteurs grâce à leur mode d'exploitation. Pour eux, cela représente donc d'énormes économies opérationnelles. »

D’autres avantages cités par Fuller incluent un encombrement plus petit, moins de composants et un poids plus léger par rapport à un système électrique intégré à vitesse constante traditionnel.

De plus, le BlueDrive PlusC peut être associé au système de stockage d'énergie BlueVault, qui utilise une batterie lithium-ion avancée pour stocker l'énergie excédentaire pendant le fonctionnement du navire et la distribuer à la demande. Ce système peut assurer une redondance en cas de panne.

« Vous disposez d'une batterie capable de remplacer un générateur diesel complet jusqu'à ce que vous puissiez en démarrer un autre », explique Fuller. « La batterie prend en charge la charge, puis quelques minutes plus tard, un autre générateur diesel est en service et la vie reprend son cours normal. »

Première mondiale à hydrogène hybride

Siemens Energy possède actuellement une soixantaine de navires aux États-Unis, dont une part importante utilise la technologie LVDC. L'entreprise a également lancé un projet avec la Garde côtière canadienne utilisant la technologie LVDC sur un navire diesel-électrique polyvalent.

Mais le projet le plus remarquable auquel Siemens Energy participe est peut-être celui de la Scripps Institution of Oceanography de l'Université de Californie à San Diego. Scripps a mis en service un nouveau navire de recherche côtier (CCRV), appelé à devenir le premier navire de recherche hybride à hydrogène au monde.

Représentation conceptuelle proposée du nouveau Scripps CCRV, qui deviendra le premier navire de recherche hybride à hydrogène au monde. (Source : Glosten)

Le système de propulsion à pile à combustible à hydrogène du CCRV fonctionnera en tandem avec une centrale diesel-électrique à courant continu basse tension qui fournira une puissance supplémentaire pour les missions plus longues. Cependant, pendant 75 % de ses opérations, le CCRV s'appuiera entièrement sur l'hydrogène pour sa propulsion.

« Pour eux, il était crucial d'atteindre le zéro émission », a déclaré Fuller. « L'hydrogène est la solution… Nous avons dimensionné la centrale à hydrogène et les systèmes d'alimentation de manière à ce que 75 % du temps, au moins du réservoir au sillage, ils soient décarbonés. »

La conception du CCRV hybride est pilotée par le cabinet d'architecture navale et d'ingénierie maritime Glosten. Siemens Energy est l'intégrateur électrique, tandis que Ballard Power et Chart Industries sont les principaux fournisseurs d'équipements pour le système hydrogène. Le système électrique intégré fourni par Siemens Energy comprend le BlueDrive PlusC LVDC ainsi qu'un système de stockage d'énergie BlueVault, qui assurera l'écrêtement des pointes de consommation, le pontage des générateurs et, si nécessaire, un fonctionnement tout électrique sur de courtes périodes.

« Nous disposons d'un système de stockage d'énergie très compact pour permettre au navire de prendre la mer. Il est équipé de trois petits générateurs diesel qui alimentent le système LVDC », a expliqué Fuller. « Nous disposons de piles à combustible de 1,2 MW fournies par Ballard, une entreprise européenne spécialisée dans les piles à combustible, et d'un réservoir d'hydrogène cryogénique de 1 200 kg fourni par Chart Industries. »

Le cycle de conception initial étant récemment terminé, un appel d'offres est en cours de finalisation pour inviter les chantiers navals à soumissionner pour construire le navire, dans le but de faire une sélection de chantier naval cette année.