Sortie diesel, entrée électrique : les systèmes d'alimentation des navires sont remplacés par des moteurs

L'industrie mondiale du transport maritime se trouve à un tournant historique. Avec l'application de réglementations de plus en plus strictes sur les émissions de carbone par l'Organisation maritime internationale (OMI) et l'impératif mondial d'un transport maritime durable, le système d'alimentation traditionnel des moteurs diesel subit une profonde transformation. Au cœur de ce changement se trouve l’essor des systèmes d’entraînement électriques et de la technologie des moteurs, qui redéfinissent fondamentalement l’architecture électrique des navires et orientent l’industrie vers un avenir plus efficace et plus propre.

​Changement de paradigme : de la transmission mécanique à la propulsion électrique intégrée​

Depuis plus d’un siècle, les moteurs diesel dominent en tant que source d’énergie absolue pour les navires, appréciés pour leur fiabilité et leur densité de puissance élevée. Cependant, leurs inconvénients sont évidents : émissions élevées, bruit important, potentiel d’optimisation énergétique limité et configuration rigide de systèmes de transmission mécaniques complexes.

Les systèmes de propulsion électrique modernes ont révolutionné ce paysage. Leur principe de base est la séparation de la production d’électricité et de la propulsion :

• Les principaux moteurs (tels que les moteurs diesel, les turbines à gaz et même les piles à combustible) se concentrent sur la production efficace d’électricité.

• L'énergie électrique est distribuée de manière flexible dans tout le navire via un réseau électrique.

• Les moteurs agissent comme actionneurs finaux, convertissant l'énergie électrique en énergie mécanique pour entraîner des hélices ou diverses machines auxiliaires.

Ce « système d'alimentation intégré » offre des avantages révolutionnaires : un agencement extrêmement flexible, une efficacité énergétique considérablement améliorée, ouvre la voie à de nouvelles sources d'énergie comme les batteries au lithium et l'hydrogène, et améliore considérablement la maniabilité et le confort du navire.

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Core Power : innovation diversifiée dans les moteurs marins​

Les moteurs ne sont plus de simples dispositifs de puissance, mais des composants de base hautement spécialisés adaptés aux différentes exigences fonctionnelles du navire. Les performances supérieures des ​systèmes d’entraînement électriques​ reposent sur cette technologie de moteur diversifiée :

• ​Principaux moteurs de propulsion : le « cœur électrique » du navire​

  En tant que source d'énergie remplaçant le moteur principal pour entraîner directement l'hélice, les moteurs de propulsion modernes peuvent atteindre des puissances nominales de plusieurs dizaines de mégawatts. Pour fournir une poussée massive dans un espace limité de la salle des machines, ils utilisent souvent une alimentation électrique moyenne tension (par exemple, 3,3 kV, 6,6 kV, 11 kV), des conceptions multipolaires à basse vitesse et intègrent des technologies avancées de refroidissement par eau ou de refroidissement hybride. Par exemple, le système de refroidissement composite « circulation interne + circulation externe » adopté par certains grands fabricants a réussi à résoudre les problèmes de dissipation thermique à des densités de puissance élevées, réduisant considérablement le volume et le poids du moteur tout en augmentant considérablement la densité de puissance, répondant ainsi aux exigences strictes en matière de systèmes de propulsion compacts sur les grands navires de croisière et les porte-conteneurs.

• ​Moteurs de manœuvre et de positionnement : des « timoniers électriques » agiles​​

  Cela comprend les moteurs des propulseurs d’étrave et des propulseurs azimutaux (Azipod®). Ces moteurs mettent l'accent sur un couple élevé, une réponse dynamique rapide et un contrôle précis pour permettre une manipulation agile du navire et un positionnement dynamique (DP). Ils comportent généralement des structures verticales dotées d'une adaptabilité environnementale exceptionnelle, capables de fonctionner de manière stable dans des conditions de vibrations, d'humidité et même de froid extrêmes.

• ​Moteurs d'équipement auxiliaire : les « pierres angulaires silencieuses » du système à l'échelle du navire​

  Des pompes et ventilateurs aux compresseurs et machines de pont, les équipements auxiliaires du navire sont de plus en plus entraînés par des moteurs à haut rendement. La tendance est aux moteurs à aimant permanent ou à induction commandés par variateur de fréquence, permettant une alimentation électrique à la demande. Cela élimine le gaspillage d'énergie lié à « l'utilisation d'un gros moteur pour une petite charge » et est essentiel pour réduire la consommation d'énergie de la « charge hôtelière » du navire.

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Scénarios d'application des moteurs marins​

Une grande variété de moteurs, se comptant par centaines, voire par milliers, sont installés sur les grands navires et jouent un rôle essentiel dans la propulsion, les manœuvres et divers systèmes auxiliaires. Par exemple, le premier grand navire de croisière construit en Chine est équipé de plus de 20 000 ensembles d'équipements moteurs, couvrant 136 sous-systèmes, du CVC aux pompes à incendie.

La sécurité de la navigation et des opérations quotidiennes dépend fortement du fonctionnement normal de ces moteurs. Une panne d'un seul moteur peut affecter le système de propulsion ou des équipements critiques, mettant potentiellement en danger le voyage. Par conséquent, les moteurs marins doivent généralement posséder une fiabilité élevée et la capacité de résister à des environnements difficiles. En raison de l'humidité élevée, de la corrosion par brouillard salin et des vibrations et des chocs intenses en mer, les moteurs marins doivent intégrer des conceptions spéciales pour l'étanchéité à l'humidité, la résistance à la corrosion et la résistance aux vibrations.

De nombreux moteurs marins fonctionnent en continu toute l’année dans des environnements humides et vibrants. Un entretien inapproprié peut entraîner des défauts tels que le vieillissement de l’isolation ou l’usure des roulements. La conception et l'utilisation doivent mettre l'accent sur une inspection régulière, une maintenance, un refroidissement amélioré et une isolation contre les vibrations pour garantir un fonctionnement stable et fiable du moteur. Les moteurs marins sont largement utilisés dans la propulsion principale, les unités de propulsion électrique, les propulseurs/propulseurs d'étrave, les machines de pont, les pompes, le CVC et d'autres scénarios. Leurs performances sont directement liées aux performances globales et à la sécurité du navire.

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Frontière technologique : propulser l'avenir du transport maritime vert​

Actuellement, le développement technologique des ​moteurs marins​ et des ​systèmes d’entraînement électriques​ se concentre sur trois directions principales :

• ​Ultra-haute efficacité et magnétisation permanente​

  L’amélioration de l’efficacité des moteurs est une voie directe vers la réduction des émissions. Les moteurs ultra-efficaces de classe IE4/IE5 sont devenus le choix privilégié pour les nouvelles constructions. Parmi eux, les moteurs synchrones à aimants permanents (PMSM), avec leur densité de puissance élevée, leur rendement élevé et leurs performances de couple élevées, prennent rapidement de l'ampleur dans la propulsion et la production d'énergie, devenant ainsi le cœur de la nouvelle génération d'« énergie verte ».

• ​Intégration du système et intelligence​

  Les systèmes de propulsion électrique modernes constituent des ensembles hautement intégrés. Les moteurs sont profondément intégrés aux convertisseurs de fréquence, aux transformateurs et aux systèmes de gestion de l'énergie (EMS). Les systèmes de surveillance intelligents basés sur des jumeaux numériques et l'Internet des objets (IoT) peuvent analyser l'état du moteur en temps réel, permettant une maintenance prédictive et maximisant la fiabilité et l'efficacité opérationnelles.

• ​Adaptation à diverses sources d’énergie​

  L’énergie des futurs navires sera hybride. ​Les systèmes d'entraînement électrique, en raison de leur compatibilité inhérente, peuvent intégrer de manière transparente la production de diesel, les batteries au lithium, les piles à combustible et même l'alimentation à quai. Les moteurs, servant de port de sortie de puissance unifié, permettent aux navires d’atteindre des performances de propulsion optimales quelle que soit la source d’énergie principale utilisée.

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Types et caractéristiques techniques des moteurs marins :​​

En fonction des différents besoins des systèmes des navires, les moteurs marins ont évolué vers de nombreux types spécialisés :

• ​Principaux moteurs de propulsion :​​ Servant de principale source d'énergie de propulsion pour les navires, leur plage de puissance peut atteindre plusieurs mégawatts. Il s'agit généralement de moteurs haute tension et haute puissance, avec des niveaux de tension standard tels que 690 V, 3 kV, 6 kV, 10 kV et des puissances nominales atteignant des milliers, voire des dizaines de milliers de kilowatts. Pour fournir une puissance immense dans un espace limité, les moteurs de propulsion utilisent souvent des conceptions à pôles élevés et à faible vitesse (750 ~ 1 200 tr/min) et des méthodes de refroidissement efficaces. La plupart des grands moteurs de propulsion traditionnels sont équipés de systèmes de refroidissement par eau ou de refroidissement composite pour améliorer l'efficacité de la dissipation thermique. Un certain type de moteur de propulsion développé par des fabricants nationaux a été le pionnier d'une technologie de refroidissement croisé hybride « circulation interne + circulation externe + air + eau de mer ». Cela a permis de résoudre avec succès les goulots d'étranglement de dissipation thermique pour les moteurs à courant élevé et haute puissance dans des conditions de basse tension, réduisant le poids et le volume des moteurs de même puissance à 60 % par rapport à l'original et améliorant l'efficacité globale d'environ 20 %. De telles conceptions innovantes améliorent efficacement la densité de puissance du moteur, répondant ainsi aux exigences strictes des grands navires de croisière et autres navires en matière de moteurs de propulsion compacts et de grande puissance.

• ​Moteurs de manœuvre et de positionnement des navires :​​ Il s'agit notamment des moteurs pour propulseurs d'étrave (propulseurs latéraux) et propulseurs azimutaux (Azipod). Ces moteurs présentent généralement une installation verticale et des conceptions à couple élevé, mettant l'accent sur des performances de démarrage/arrêt rapides et de régulation de vitesse pour répondre aux exigences de manœuvrabilité des navires. Ils doivent posséder une excellente résistance à l'humidité, aux vibrations et aux basses températures pour résister aux endroits sujets à l'humidité et aux chocs, tels que les compartiments de proue, et rester fiables même dans des conditions glaciales pendant la navigation polaire. Structurellement, ces moteurs sont généralement compacts pour une installation facile dans des espaces de coque limités et un entretien pratique.

• ​Moteurs d’équipement auxiliaire :​​ Un grand nombre d'équipements auxiliaires à bord, notamment diverses pompes, ventilateurs, compresseurs et treuils-grues, sont entraînés par des moteurs électriques de petite et moyenne taille. Ils sont divisés en catégories basse tension et haute tension en fonction des exigences de charge. Les moteurs auxiliaires basse tension se situent pour la plupart dans la plage de tension de 380 à 690 V, avec une puissance de plusieurs kilowatts à plusieurs centaines de kilowatts, et sont généralement dotés d'une construction totalement fermée et refroidie par ventilateur (TEFC), mettant l'accent sur la simplicité et la fiabilité. Les moteurs auxiliaires haute tension fonctionnent généralement entre 3 et 6 kV, avec une puissance pouvant atteindre plusieurs milliers de kilowatts, et sont utilisés pour des applications intensives telles que les gros équipements de pompage et de compression. Ils utilisent généralement des conceptions de refroidissement améliorées comme la ventilation par conduits ou le refroidissement par eau. Certains environnements spéciaux, tels que les salles des machines à haute température ou les pompes immergées, nécessitent des moteurs spécialisés dotés de chemises de refroidissement par eau ou de boîtiers antidéflagrants pour garantir un fonctionnement sûr dans des conditions à haute température, antidéflagrantes ou sous l'eau. Avec les progrès technologiques, de nouvelles formes de moteurs marins entrent en utilisation pratique, notamment les PMSM pour la propulsion et la production d'électricité, les moteurs à grande vitesse pour des auxiliaires spécifiques et les moteurs à courant continu dans les navires à usage spécial. Cette gamme de produits diversifiée permet à une entreprise leader de couvrir souvent une gamme de produits de plus de 30 séries et 2 000 variétés de moteurs marins pour répondre aux besoins de divers navires.

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Tendances de développement de la technologie des moteurs marins :​​

L'industrie des moteurs marins accélère actuellement l'innovation autour de trois directions principales : l'efficacité, la technologie verte et l'intelligence, avec l'émergence de diverses nouvelles technologies et collaborations :

• ​Moteurs à haut rendement, à économie d’énergie et à très haut rendement :​​ L'amélioration de l'efficacité des moteurs pour réduire la consommation d'énergie et les émissions est une tendance majeure de l'industrie. À l’échelle internationale, des moteurs ultra-efficaces de classe IE5 ont été introduits, avec une efficacité dépassant de loin les moteurs traditionnels, accélérant ainsi la transformation des économies d’énergie de l’industrie de la construction navale.

• ​Moteurs synchrones à aimant permanent et nouvelles topologies de moteurs :​​ En raison de leur rendement élevé, de leur densité de puissance élevée et de leurs bonnes performances de régulation de vitesse, les moteurs à aimants permanents font l'objet d'une attention croissante dans l'industrie maritime. En particulier dans les grands systèmes de propulsion entièrement électriques ou hybrides, les PMSM de classe mégawatt deviennent progressivement des équipements de base. Les entreprises nationales ont également réalisé des percées significatives, leurs produits répondant pleinement aux exigences strictes de classification. Par rapport aux moteurs traditionnels, ces moteurs à aimants permanents de haute puissance offrent des avantages exceptionnels tels qu'un rendement élevé, des économies d'énergie, une densité de puissance élevée et un fonctionnement stable, réduisant efficacement la consommation d'énergie globale des navires et les émissions de carbone, s'alignant ainsi sur la demande de l'époque en matière de développement durable de l'industrie portuaire et maritime. Dans des applications pratiques, l'utilisation de PMSM pour des scénarios tels que la génération d'arbres peut améliorer considérablement l'efficacité de l'utilisation de l'énergie. Les tests montrent que l'ajout d'un générateur à arbre à aimant permanent de classe 3 MW peut permettre d'économiser 4 à 10 % de la consommation de carburant pour l'ensemble du navire. À l'avenir, grâce aux progrès des matériaux magnétiques et de la technologie de contrôle, les PMSM devraient voir une application plus large dans la propulsion principale, la propulsion électrique et les grandes machines auxiliaires, devenant ainsi un pilier essentiel de « l'énergie verte » du navire.

• ​Technologies spéciales de refroidissement et de matériaux :​​ Pour relever le défi de l'augmentation de la puissance dans l'espace limité des navires, l'industrie innove en matière de refroidissement des moteurs et de matériaux. Le moteur de refroidissement hybride mentionné ci-dessus en est un exemple, dans lequel des conceptions intelligentes combinées de refroidissement par air et par eau réduisent considérablement le volume de puissance unitaire du moteur, répondant ainsi au besoin d'installer des moteurs de haute puissance dans les salles des machines étroites des grands navires de croisière. Les fortes embruns salins et les variations de température de l’environnement marin entraînent également une amélioration des matériaux de protection dans la fabrication des moteurs. Les entreprises investissent massivement en R&D pour résoudre les problèmes d'adhérence et de durée de vie des revêtements anticorrosion, en développant des revêtements « armure anticorrosion » résistants au brouillard salin, améliorant considérablement la fiabilité à long terme des moteurs dans les environnements marins.

• ​Intelligence et numérisation :​​ Alors que les navires modernes recherchent de plus en plus d’opérations intelligentes, les moteurs marins évoluent également vers une surveillance et un contrôle intelligents. Les principaux constructeurs automobiles collaborent avec les chantiers navals et les entreprises d’électricité pour développer des dispositifs de surveillance et de protection des moteurs basés sur l’IoT. Ceux-ci intègrent les données de fonctionnement du moteur dans le système de gestion de l'efficacité énergétique du navire, permettant une surveillance en temps réel et une alerte précoce de l'état du moteur.

• ​Collaboration industrielle et certification standard :​​ Les barrières techniques élevées et les exigences de personnalisation de l'industrie des moteurs marins font de la collaboration entre les entreprises et avec les organismes faisant autorité une tendance. Les intégrateurs de systèmes complets, les fournisseurs d’équipements et les constructeurs de moteurs renforcent le développement collaboratif.

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Conclusion : la vague irréversible de la propulsion électrique​

« Diesel Out, Electric In » n'est pas seulement un slogan mais une réalité qui se dévoile à l'échelle de la flotte mondiale. Des navires de croisière de luxe aux grands ferries en passant par les navires offshore et même les cargos océaniques, les systèmes de propulsion électrique, avec leur flexibilité, leurs avantages en matière d'efficacité et leur potentiel environnemental sans précédent, deviennent la norme dans la conception de navires modernes.

Les moteurs, servant de « muscles et d'articulations » de ce système, avec chaque progrès technologique (densité de puissance plus élevée, plus grande adaptabilité environnementale, contrôle plus intelligent), propulsent cette révolution vers des dimensions plus profondes et plus larges. Pour les armateurs, les chantiers navals et les concepteurs, comprendre et adopter la technologie de propulsion électrique n'est plus seulement un choix de conformité réglementaire, mais une nécessité stratégique pour gagner dans la concurrence future sur le marché. L’avenir électrique du transport maritime a déjà sonné son klaxon et a pris le large.