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D’après un article de Laurent Mazodier paru dans la Revue de l'Electricité et de l'Electronique.

Quels avantages peuvent convaincre un nombre croissant de chantiers et d'armateurs d'insérer entre le moteur diesel et l'hélice, des équipements additionnels augmentant le coût de l'investissement initial et diminuant le rendement de la chaîne propulsive ?

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Plan du document :

I. Historique de la propulsion des navires

II. Composition d'une propulsion électrique

III. Avantage de la propulsion électrique

IV. Avenir de la propulsion électrique

V. Conclusion

I. Historique de la propulsion des navires

Les premiers navires à hélice, à propulsion mécanique, étaient équipés de machines à vapeur alternatives avec pistons et bielles. Avec l'arrivée des grands paquebots transatlantiques, les turbines à vapeur font leur apparition, avec le mauvais rendement qu'on leur connaît. Puis les moteurs diesel s'imposent, diesel lent (80 à 200 tr/mn) ou diesel semi-rapide (400 à 900 tr/mn) avec réducteur.

Ce; moteurs permettent l'amélioration des rendements, la réduction du volume des machines, mais ont également les inconvénients suivants : propulsion bruyante, mauvaise flexibilité impliquant l'utilisation d'hélices à pales orientables et un mauvais comportement de la propulsion aux faibles régimes. Néanmoins, les systèmes équipant actuellement la majorité des navire; remplissent correctement leur fonction.

Cependant, l'électricité, dés sa découverte il y a environ un siècle et demi, a rapidement envahi les navires, essentiellement pour sa grande flexibilité. Les principales étapes ont été les suivantes :

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II. Composition d'une propulsion électrique

Un navire électrique comprend deux ensembles : production d'énergie et propulsion (cf Figure 1).

• La centrale d'énergie comprend plusieurs alternateurs entraînés soit pas des moteurs Diesel, soit par des turbines à gaz. Elle alimente tous les utilisateurs du bord et notamment un ou plusieurs équipements de propulsion. 

L'équipement de propulsion comprend un moteur électrique à vitesse variable associé à un convertisseur, ou très rarement un moteur à vitesse fixe entraînant une hélice à pas variable. 

Quatre familles de convertisseurs de puissance sont utilisées en propulsion électrique : 

• le redresseur associé à un moteur à courant contenu (Fig. Figure 2)

Cette solution n'est pratiquement plus utilisée de nos jours. Elle est limitée en puissance (de l'ordre de 5 MW). compte tenu des limitations en tension et en courant dues à la commutation et pose des problèmes de maintenance, dus à l'usure du collecteur et des balais et à l'encrassement pouvant conduire à un flash au collecteur. Les moteurs à aimants permanents développés ces 10 dernières années sont malheureusement limités à de faibles puissances. 

Le cycloconvertisseur associé à un moteur synchrone (cf. Figure 3)

Dans les applications marines, à ce jour, seules des machines synchrones ont été utilisées, alors que des machines asynchrones ont déjà été utilisées dans de; applications industrielles, telles que les laminoirs.

Les moteurs synchrones sont préférés aux moteurs asynchrones pour leur aptitude à fournir des entrefers importants sans être pénalisés par des courants magnétisants anormalement élevés. Cette solution est particulièrement adaptée aux navires brise-glace, qui nécessitent un couple élevé à basse vitesse ; il est ainsi possible de libérer une hélice prise dans la glace ou de couper un bloc de glace sans caler l'hélice.

Le synchroconvertisseur associé à un moteur synchrone (cf. Figure 4)

Cette association est sans équivoque la meilleure pour tout ce qui est entraînement propulsif des navires autres que brise-glace, du fait de ses qualités intrinsèques de simplicité et de fiabilité. En effet, il comprend 3 fois moins de thyristors, commandés indépendamment que le cycloconvertisseur, d'où un encombrement et un poids moindre, un rendement meilleur une fiabilité accrue et une meilleure disponibilité.

Ses autres avantages par rapport au cycloconvertisseur sont :

• un dimensionnement en kVA plus favorable pour les convertisseurs et transformateurs de propulsion 

• un meilleur facteur de puissance côté réseau, d'où une puissance apparente et donc un encombrement et un poids des alternateurs plus faibles. 

une pollution harmonique du réseau plus faible. Contrairement au cycloconvertisseur qui génère des harmoniques à fréquence variable en fonction de la vitesse machine, le synchroconvertisseur génère des harmoniques à fréquence proportionnelle à la fréquence fixe du réseau, donc parfaitement identifiés et facilement filtrables ; ainsi, là où des convertisseur., tournants sont nécessaires avec un cycloconvertisseur pour alimenter un réseau ("propre" pour utilisateurs sensibles (navigation, éclairage, T.V.. vidéo, systèmes Hi-fi.. ), de simples filtres statiques suffisent pour un synchroconvertisseur,

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III. Avantage de la propulsion électrique

1. Optimisation de l'architecture des navires 

Les moteurs Diesel sont dissociés de la ligne d'arbre, ce qui permet d'implanter les matériels aux meilleurs emplacements possibles et d'obtenir des gains de place substantiels. Ainsi, le choix d'une propulsion électrique pour une série de 10 transporteurs de produits chimiques a permis de rajouter 2 cuves supplémentaires sur 40 cuves pour certains de ces navires ou de raccourcir les navires de 8 m sur les autres.

La Figure 6 montre la différence d'encombrement entre une solution Diesel lent et la solution diesel-électrique retenue.

Sur des navires nécessitant un positionnement dynamique, tels les pétroliers navette, la dissociation centrale d'énergie/système de propulsion permet de mieux répartir la puissance en plusieurs points du navire. Sur des ferries de type ro-ro, l'arrangement optimum des équipements permet d'accroître la facilité de chargement des navires. Sur les navires de croisière, le gain de place peut permettre d'augmenter le nombre de cabines. Cette souplesse d'implantation peut également permettre d'optimiser les formes arrières du navire ainsi que l'hélice, et ainsi de compenser les pertes de rendement de la propulsion.

C'est ce qui a été réalisé de manière très réussie sur les chimiquiers mentionnés plus haut : par rapport à une solution classique Diesel 2 temps, l'encombrement réduit de l'ensemble moteur électrique + réducteur a permis de les localiser à l'extrême arrière de navire, en épousant au mieux les formes de la coque

2. Diminution de la puissance installée et de son coût

Dans de nombreux navires sont installés les équipements de propulsion d'une part, une centrale alimentant le réseau de bord d'autre part. En propulsion électrique, les mêmes diesel-alternateurs peuvent être utilisés alternativement pour l'une ou l'autre fonction. Ceci est particulièrement intéressant pour des tankers, où puissance de propulsion et puissance nécessaire aux pompes de chargement/déchargement sont utilisées alternativement. De plus, étant découplés de la ligne d'arbre, les diesels peuvent être dimensionnés pour des vitesses supérieures (600-900 tr/mn au lieu de 450 à 514 tr/mn), donc être plus économiques.

3. Diminution des coûts de maintenance sur les diesels 

En propulsion diesel-mécanique, vitesse et charge du Diesel principal dépendent de celles de la ligne d'arbre à laquelle il est directement lié. En propulsion électrique, les diesels tournent à une vitesse constante correspondant à la fréquence fixe du réseau.

D'autre part, en contrôlant en permanence le nombre de groupes électrogènes couplés sur le réseau, par un système de gestion de la production d'énergie électrique, il est possible de faire fonctionner les diesels à leur charge optimale (50 à 90 %) quelles que soient les conditions de fonctionnement du navire (route libre, manœuvre, chargement,....). Ces conditions de vitesse fixe et charge optimisée permettent une réduction significative de l'usure des moteurs et donc des coûts de maintenance, les équipements électriques de propulsion ne demandant pratiquement pas de maintenance. De plus, un Diesel tournant à vitesse constante et charge nominale a un meilleur rendement et produit moins d'oxydes d'azote, dont les émissions tendent à être limitées par les lois nationales et internationales.

4. Réduction du niveau de vibration trnaspis à la structure du navire

Sur les systèmes de propulsion mécanique, on constate que les moteurs diesel principaux lents de forte puissance à vitesse variable génèrent des vibrations dont le spectre est large et variable, et comprend des fréquences basses difficiles à atténuer. L'utilisation de la propulsion électrique présente les avantages suivants :

•  l'amplitude des vibrations est réduire, le nombre de groupes en service étant toujours minimal

• les moteurs des groupes tournant à vitesse fixe, le spectre de fréquence des vibrations est étroit et parfaitement cerné, il est donc facile de dimensionner des systèmes d'amortissement efficaces, 

• du fait de la position très en arrière de smoteurs électriques de propulsion, les lignes d'arbre ont une longueur réduite contribuant également à diminuer l'amplitude des vibrations 

• la liberté de choix de la vitesse de l'hélice permet de choisir l'hélice la plus appropriée au navire en question et ayant le meilleur rendement possible. 

La réduction du bruit est des vibrations est un facteur décisif sur les bâtiments militaires, les navires de recherche et les navires de croisière. 

5. Flexibilité de manoeuvre accrue 

Le propulsion électrique permet un contrôle précis et progressif de la vitesse de rotation des hélices, tout en évitant l'utilisation d'une hélice à pales orientable, dispositif plus coûteux, plus fragile et complexe, donc moins fiable, et d'un rendement moindre qu'une hélice à pas fixe. Contrairement au moteur Diesel, qui ne développe de couple utile qu'à partir d'environ 40 % de sa vitesse nominale, le moteur électrique est capable de fournir son couple maximum sur la totalité de sa plage de vitesse; ceci permet une précision de manœuvre inégalable, utilisée notamment pour des navires de type câbliers, navires de recherche océanographiques, ferries, navires nécessitant un positionnement dynamique tels que les shuttle tankers.

6. Grande disponibilité et sécurité des équipements

une propulsion électrique requiert très peu de maintenance

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IV. Avenir de la propulsion électrique

Un grand nombre de chantiers de d'armateurs ont opté en faveur de la propulsion électrique pour les raisons évoquées précédemment. Ceux qui construisent et exploitent les navires brise-glace, les câbliers, les navires de recherche ou offshore, les navires de croisière sont aujourd'hui convaincus du bienfondé de la propulsion électrique. D'autres commencent à s'y intéresser, dans le domaine des cargos, porte-conteneurs, transporteurs de produits chimiques, ferries, navires de pêche... Dans un secteur en perpétuelle évolution, certaines tendances se dessinent.

1. Propulsion par "POD"

La Figure 7 montre le principe d'un propulseur de type «POD» ; le moteur électrique de propulsion, ses paliers, des joints étanches, sont entièrement intégrés dans une nacelle orientable fixée sous la coque à l'extérieur du navire, entraînant une hélice à pas fixe. La puissance est transmise au POD par un système de bagues et balais

Ses avantages sont : 

• excellente manoeuvrabilité, la poussée de l'hélice pouvant être orientée sur 360°

• réduction importante de l'encombrement et du poids des machines à bord du navire

• suppression de la ligne d'arbre classique, du gouvernail et éventuellement de certains propulseurs d'étrave

• bon rendement hydrodynamique, en particulier à vitesse élevée, possibilité d'installation tardive, quelques semaines seulement avant le lancement du navire. 

Bien sûr, la propulsion par POD est avant tout une propulsion électrique, avec les avantages mentionnés précédemment. 

2. Utilisation de turbines à gaz

Les turbines à gaz sont devenues une option intéressante pour les raisons suivantes : 

• les puissances installées à bord ne cessent de croître, principalement à cause de vitesses navires de plus en plus élevées (ferries, porte-conteneurs ...) et d'installations hôtelières et autres de plus en plus importantes (navires de croisière)

• malgrè l'accroissement du niveau de puissance, l'espace machine n'est pas autorisé ) à s'étendre.

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V. Conclusion

Les critères de décision majeurs pour l'adoption d'une propulsion électrique varient d'un type de navire à l'autre : discrétion acoustique pour les sous-marins, navires de recherche, bâtiments militaires, bas niveau de bruit et vibrations pour un navire de croisière, parfait contrôle du couple à toutes les vitesses pour un briseglace, précision et souplesse de manœuvre pour des navires à positionnement dynamique, des ferries ou des navires de pèche, gain de place sur des tankers, permettant d'augmenter la cargaison ou de diminuer la longueur des navires.

A ces critères viennent s'ajouter les avantages communs à tous les types de navire, tels : maintenance diminuée, sécurité de fonctionnement accrue, pollution réduite, ... Quoiqu'il en soit, il apparaît clairement que l'étude d'un projet de propulsion électrique ne doit en aucun cas se limiter à un calcul de coût d'investissement, mais au contraire faire l'objet d'une approche globale.

Grâce au chantiers navals français orientés vers les navires haut de gamme tels les Chantiers de l'Atlantique, les Ateliers et Chantiers du Havre ou Leroux et Lotz, grâce à plusieurs chantiers étrangers et armateurs français ou étrangers qui ont pris la peine d'adopter cette approche globale, CEGELEC occupe aujourd'hui une position de leader mondial dans le domaine de la propulsion électrique des navires.

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