Bibliographie & annexes
Présentation
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. Face aux contraintes environnementales de plus en plus strictes, les solutions tout électriques ou hybrides s’étendent à de nombreux types de navires. Cet article définit les 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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The concept of the all-electric ship has re-emerged with the remarkable developments in power electronics. First, specialised ships such as cable layers, research vessels, ice breakers, and cruise liners have benefited from the advantages this technology offers. To date, impelled by drastic environmental constraints, the concept of integrated full electric propulsion has enjoyed wide recognition, and has gained ground in many categories of ships, such as ferries, gas carriers and even frigates. This article first defines the energy needs on board various categories of ships, explains the rationale for the choice of conventional, electric or hybrid propulsion systems, details some typical electrical architectures, and describes the power generating systems.
Auteur(s)
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Gérard FILLIAU : Chef du groupe Énergie PropulsionService des Programmes Navals Ministère de la Défense-DGA
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Alain BONDU : Ingénieur système - Jeumont Industrie. Division Marine - Intervenant à l’École Nationale Supérieure des Techniques Avancées
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Laurent MAZODIER : Senior Business Manager Marine and Offshore Systems - Alstom Power Conversion
INTRODUCTION
Les applications de la propulsion électrique des navires sont plus anciennes qu’on ne le croit généralement. Dès le tout début du XX e siècle, elles apparaissent pour les sous-marins, puis pour des cuirassés, des porte-avions et des brise-glace. Enfin, dans les années 1930, le prestigieux « Normandie » (160 000 ch) traversait l’Atlantique à 30 nœuds, ses quatre hélices de 40 000 ch chacune étant entraînées par des moteurs électriques.
Il s’agissait, à l’époque, de systèmes du type « arbre électrique » entre la turbine à vapeur et l’hélice, en remplacement de la longue ligne d’arbre et du réducteur associé. Par « arbre électrique » on entend une liaison borne à borne entre génératrice et moteur, laquelle, aux puissances considérées, ne pouvait se faire, pour ces grands paquebots, que par des « arbres » constitués par un alternateur entraîné par une turbine et un moteur synchrone ou asynchrone.
Vinrent ensuite, pendant la Seconde Guerre mondiale, des propulsions « diesels-électriques » et en particulier les « T2 », et, dans l’après-guerre, des transmissions à réglage de vitesse du type « Ward-Léonard ». Rappelons que le « Ward-Léonard » est l’association d’une génératrice à courant continu et d’un ou plusieurs moteurs à courant continu, du type à excitation séparée, disposés en série et qui offrait ainsi, de manière assez rustique mais réelle, à la fois les avantages de l’arbre électrique et de la vitesse variable par le réglage des excitations.
Le développement prodigieux de l’électronique de puissance, à partir des années 1960, n’a pas été appliqué dans la marine aussi fortement que dans l’industrie. Sauf quelques navires, comme par exemple pour la recherche océanographique, la pose de câbles et les brise-glace, il faut attendre pratiquement le début des années 1990 pour voir enfin le « tout électrique » s’appliquer aux paquebots modernes de croisière.
L’article « Le navire tout électrique » fait l’objet de plusieurs fascicules :
D 5610 Propulsion et production d’énergie
D 5615 État de l’art des composants
D 5620 Évolutions et systèmes de conduite
Les sujets ne sont pas indépendants les uns des autres. Le lecteur devra assez souvent se reporter aux autres fascicules.
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MOTS-CLÉS
navire électrique navire hybride réseaux électriques architectures électriques production d'énergie électrique
KEYWORDS
electric ship | hybrid ship | electrical networks | electrical systems layout | electrical power generation
VERSIONS
- Version courante de déc. 2016 par Michel PACAULT, Alain BONDU, Paul LETELLIER
DOI (Digital Object Identifier)
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Présentation
Propulsion et architecture électrique2. Définition des besoins en énergie
La présentation est faite en prenant pour exemple les quatre types de navire suivants : navire de croisière, frégate, tanker, navire de recherche offshore. La figure 2 donne la puissance propulsive en fonction de la vitesse pour ces quatre types de navire.
2.1 Navire de croisière
À ce jour, on peut dire que la propulsion électrique est devenue un standard sur tous les gros navires de croisière ; les finalités, telles que décrites au paragraphe 1, ont convaincu les principaux armateurs quant aux gains d’exploitation qu’ils pouvaient retirer d’un navire « tout électrique » par rapport à un navire à propulsion mécanique.
Le plus gros navire de croisière à propulsion électrique à vitesse variable en service à ce jour est le Queen Elisabeth II ; modernisé à la fin des années 1980, il est aujourd’hui équipé de deux moteurs électriques de 44 MW chacun.
Néanmoins, la puissance propulsive des navires de croisière à propulsion électrique actuels se situe entre 2 x 5 MW et 2 x 20 MW.
On peut également noter que, dans un navire de croisière à propulsion électrique, le système de propulsion est de loin le plus gros consommateur du bord (cela étant d’ailleurs également vrai pour les autres types de navire).
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Pour un bâtiment de 22 000 t, les besoins en énergie sont, à titre d’exemple, les suivants :
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Propulsion principale (figure 2)....2 x 2,7 MW à 15 nœuds
2 x 4,7 MW à 18 nœuds
2 x 7,3 MW à 20 nœuds
2 x 9,2 MW à 21 nœuds
(dont 15 % de marge de mer)
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Propulsion auxiliaire 2 x 1 MW (propulseurs d’étrave)
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Compresseurs d’air conditionné 2 x 1 MW
- ...
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Définition des besoins en énergie
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - PELLETIER (J.L.), POMMEREAU (Y.) - Lithium ion naval energy storage systems. - International symposium « Civil or Military All Electric Ship 2005 », Versailles, France, 13-14 oct. 2005.
-
(2) - ASPIN (J.), HAYMAN (S.) - The hybrid Tug Reality : the business case for green technology. - Conference TUGNOLOGY'09- organized by the ABR Company, Amsterdam, The Netherlands.
-
(3) - DROUEN (L.), CHARPENTIER (J.F.), SEMAIL (E.), CLENET (S.) - Modèle analytique intégrant des effets d'extrémité pour le prédimensionnement des machines à aimants courtes et à grand entrefer. - Conférence EF2009, UTC Compiègne, 24-25 sept. 2009.
-
(4) - DROUEN (L.) - Machines électriques intégrées à des hélices marine – Contribution à une modélisation et conception multi-physique. - Mémoire de thèse ENSAM/École Navale le 15 déc. 2010.
-
(5) - VAN BLARCOM (B.) - Rim- Drive propulsion- improving reliability and maintainability over today's PODS. - First International Conference...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
Congrès All Electric Ship
– Electric Propulsion, the effective solution ? London, 5-6 octobre 1995 – (IMarE, Institute of Marine Engineers.
– Le Navire tout électrique civil ou militaire. Paris, 13-14 mars 1997 (SEE).
– AES. Developing benefits for maritime applications. London, 29-30 septembre 1998 (IMarE).
– Le Navire tout électrique civil ou militaire. Paris, 26-27 octobre 2000 (SEE).
– AES 2003, Broadening the horizons. Edinburgh UK, 13-14 février 2003 (IMarEST, Institute of Marine Engineering, Science and Technology and SEE).
– AES 2005, Versailles, 13-14 octobre 2005 (SEE).
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OTAN Stanag 1008 - Caractéristiques des alimentations à bord des bâtiments des marines du traité de l'Atlantique Nord - -
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Bureau Véritas (BV)
Det Norske Veritas (DNV)
Registro Italiano Navale (RINA)
Lloyd's Register of Shipping
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