Architectures énergie-propulsion. Point de vue de l’architecte naval
Navire électrique - Propulsion, distribution électrique et production d’énergie

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.