La genèse de la propulsion éolienne moderne
L’industrie du transport maritime subit actuellement des transformations majeures alors qu’elle tente de réduire ses émissions de gaz à effet de serre. Le transport maritime représente 70% du fret mondial pour 2,2% des émissions de CO2 liées à l’activité humaine, ce qui fait de lui le mode de transport de loin le moins carboné, relativement à la masse transportée. D’une part le transport maritime est appelé à tripler d’ici à 2050, et d’autre part l’IMO a posé comme objectif une réduction de 50% des émissions de CO2 par rapport à 2008 sur la même période. Les émissions de CO2 et autres polluants sont essentiellement liées à la propulsion au fuel des navires : pour résoudre cette équation, il est nécessaire de développer de nouveaux moyens de propulsion. Utiliser l'énergie du vent est une piste sérieuse. Même si l'idée est loin d'être nouvelle, les dimensions des navires de transport actuels imposent des contraintes très différentes de celles du XIXème siècle, lorsque la voile fut abandonnée au profit de la machine à vapeur.
Conception du voilier hydro-éolien autonome
Cette thèse porte sur un concept innovant pour la récupération de l’énergie du vent en mer : le voilier hydro-éolien. Dans ce concept, un navire avance grâce à une propulsion éolienne. Des hydrogénérateurs sont fixés sous la coque et produisent de l'électricité. L'électricité est convertie en hydrogène par électrolyse puis stockée à bord. Le voilier hydro-éolien est constitué de nombreux sous-systèmes. Par une méthode d'ingénierie système, la première partie de la thèse propose un outil d'aide à la décision pour le choix des composants technologiques. Une étude de cas sur le choix du système de propulsion éolien du voilier-hydrolienne est réalisée. Parmi cinq technologies de propulsion éolienne, les rotors Flettner sont sélectionnés.
Dans la seconde partie, une modélisation numérique du navire en conditions quasi-statiques est réalisée. La modélisation s'appuie sur la résolution de l'équation du mouvement du navire et par la méthode des écoulements potentiels pour la partie hydrodynamique. L'étude montre qu'un navire de type catamaran de longueur 80 m produit 1 MW électrique dans un vent de travers de 10 m/s. Cela correspond à 2,9 tonnes d'hydrogène par semaine. La puissance nominale (1,73 MW) est atteinte pour une vitesse de vent de 12 m/s. Dans la dernière partie, une optimisation de la forme de coque est réalisée avec un algorithme génétique NSGA II afin d'augmenter la puissance produite. Elle porte sur des carènes de catamarans symétriques ou non (navires de type prao). Cette étude montre que les formes non-symétriques sont plus performantes.
Évaluation des technologies de propulsion assistée par le vent
Il existe déjà de nombreux systèmes sur le marché qui permettent de remplacer une partie de la propulsion des navires de transport par de l'énergie éolienne : voiles souples traditionnelles, voiles rigides (ailes), cerfs-volants. Mais dans la pratique, les armateurs sont peu nombreux à équiper leurs navires de tels dispositifs. L’objectif de ce projet de thèse est de développer un simulateur pour répondre à ces incertitudes. Le but est d'une part de quantifier les gains apportés par un dispositif de propulsion éolienne sur un navire et un état de mer donnés, en termes notamment d'économies de carburant, et d'autre part de vérifier que le navire ainsi équipé est toujours conforme aux exigences de sécurité en mer imposées par l’IMO. Un des enjeux majeurs est de maîtriser le couplage entre les différents phénomènes physiques présents, au croisement entre hydrodynamique et aérodynamique.
Des études préliminaires portant sur les gains réalisés en matière de consommation de carburant et de réduction des GES résultant de l’installation de voiles sur des navires de marchandises et de passagers varient entre 1% et 47%, tout dépendant du nombre de voiles, de la vitesse et de la direction du vent. Selon l’International Windship Association, les navires dont la propulsion est assistée par le vent pourraient réduire de 50%, en moyenne, leur consommation de carburant et leurs émissions de GES. Certains modèles pourraient même être alimentés à 100% par l’énergie éolienne. Dans le cadre de son Clean Maritime Plan pour 2019, le gouvernement britannique a réalisé une étude qui révèle que le marché des systèmes à propulsion éolienne pourrait atteindre une valeur de 3,5 milliards de dollars à l’échelle mondiale.
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Systèmes de voiles souples et rigides
Un grand nombre d’individus associent la voile à l’origine du transport maritime. Il n’est donc pas surprenant qu’à travers cette quête vers la réduction des émissions de carbone, les voiles effectuent un retour; cette fois, avec de nouvelles technologies et des matériaux plus modernes que la toile et le lin d’autrefois. Ces voiles de nouvelle génération peuvent être classées dans deux principales catégories, soit les voiles rigides et les voiles souples, et sont conçues pour assister d’autres modes de propulsion, tels que les moteurs. On estime que les voiles peuvent générer des économies en carburant de l’ordre de 30 %, selon les conditions météorologiques. Grâce à leurs fixations latérales, la plupart des voiles peuvent être baissées et rangées lorsqu’elles ne sont pas utilisées. Après 3 années de recherche et développement, l’idée est devenue concrète : concevoir des ailes de traction pour les cargos afin de créer un moyen de propulsion éolien en complément du moteur pour réduire la consommation de fuel. Les études de structure permettent de définir le bon matériau adapté au projet. En avril 2019, deux ailes Oceanwings® de 10 mètres de haut sont implantées sur le catamaran démonstrateur de 30,5 mètres, Energy Observer.
L'application des rotors Flettner
Bien qu’ils fonctionnent aussi grâce au vent, les cylindres rotatifs ou rotors verticaux ne ressemblent en rien aux voiles traditionnelles. Ces derniers se dressent sur le pont des navires comme de grands tubes. Ce système éolien est l’un des plus utilisés dans l’industrie du transport maritime à ce jour. Pour créer une force de propulsion, les rotors verticaux utilisent le phénomène aérodynamique connu sous le nom de l’effet Magnus. Lorsqu’un objet en rotation se déplace dans l’air, il est soumis à des forces latérales. Dans le cas d’un navire, lorsque le vent souffle sur le côté des rotors, l’effet Magnus crée une poussée vers l’avant. Les rotors installés sur les navires ne sont pas alimentés par le vent, mais par leurs propres petits moteurs.
Le MV Afros, un vraquier Ultramax, est équipé d’un système de rotors Flettner produit par Anemoi Marine Technologies. Ce navire de 64 000 tonnes de port en lourd est le premier vraquier à être équipé de rotors Flettner. Un système, développé en Finlande, a été installé sur le pétrolier Maersk Pelican et a permis de réduire la consommation de carburant de ce dernier de 8,2 % durant une période d’essai de 12 mois. Norsepower affirme que les rotors ont permis d’économiser l’équivalent d’environ 1 400 tonnes de CO2. L’installation d’un système de rotors standard coûte en moyenne entre 1,15 et 2,3 millions de dollars américains et il faut compter jusqu’à cinq ans avant de récupérer les coûts par le biais de la réduction de la consommation de carburant.
Utilisation des ailes de traction et turbines éoliennes
La voile géante, connue sous l’appellation anglaise kite, est une variante de la voile classique. Son application la plus connue est développée par AirSeas. Connue sous le nom de SeaWing, la voile géante peut avoir plusieurs tailles. Elle est arrimée à la proue du navire et se déploie automatiquement. Une fois déployée, la voile géante se gonfle et se fait diriger par un pilote automatique. Cette voile est conçue pour les navires qui naviguent à des vitesses de 12 à 21 nœuds. La société française Airseas vient d’équiper pour la première fois un navire commercial avec son dispositif Seawing. Le Seawing peut être installé sur n’importe quel type de navire en deux jours seulement et prend peu de place sur le pont.
Concernant les turbines éoliennes, les travaux sur leur utilisation sur les navires en sont encore à leurs balbutiements. Il n’existe aucune application commerciale fonctionnelle à l’heure actuelle. Ce système de propulsion pourrait être le plus flexible, car il pourrait permettre de produire et de stocker de l’énergie pour les batteries et générer de l’électricité lorsque le navire est au port. Comme les éoliennes sont pivotantes, elles peuvent générer de l’énergie peu importe la direction du vent. Toutefois, l’utilisation de turbines éoliennes en mer fait face à deux principaux obstacles : ces éoliennes ont tendance à s’user plus rapidement que leurs homologues terrestres et elles doivent être installées plus bas sur le navire, car leur hauteur provoque de l’instabilité. Les carburants alternatifs pour les navires sont coûteux à fabriquer et l’augmentation de leur production peut avoir des répercussions importantes sur l’environnement. Les mesures visant à améliorer l’efficacité énergétique et à réduire la quantité de carburant nécessaire sont donc essentielles pour parvenir à une voie durable vers la carboneutralité. Même si nous nous inspirons de l’histoire, l’énergie éolienne pour les navires fait certainement partie de l’avenir.
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