Voir la traduction automatique
Ceci est une traduction automatique. Pour voir le texte original en anglais cliquez ici
#Tendances produits
{{{sourceTextContent.title}}}
Mieux ensemble : batteries et piles à combustible
{{{sourceTextContent.subTitle}}}
Au fur et à mesure que les expériences de transport maritime avec des systèmes de propulsion hybrides, les batteries et les piles à combustible sont de plus en plus considérées comme des technologies complémentaires plutôt que concurrentes
{{{sourceTextContent.description}}}
Cinq ans se sont écoulés depuis l'entrée en service, en mai 2015, du premier navire à batterie pleine, le ferry norvégien Ampere. Il y avait environ 55 navires équipés de batteries à cette date ; aujourd'hui, 166 navires sont en service avec des batteries à bord et 161 autres ont été commandés, selon le Maritime Battery Forum.
Les fournisseurs de technologie des batteries ont réagi à cet engouement par des investissements dédiés dans le secteur. Au début de l'année dernière, Corvus - le leader des batteries marines, avec une part de marché de 32 % (59 navires en exploitation) - a annoncé son intention d'ouvrir une usine de batteries marines entièrement automatisée de NOK80M (9,3M $US) à Bergen fin 2019, avec une capacité de production annuelle de 400 MWh.
En janvier de cette année, Siemens a ouvert sa propre usine de robotique plus haut sur la côte norvégienne à Trondheim. Avec une capacité de production de 300 MWh de modules de batteries, l'usine de Siemens est plus petite que l'usine prévue par Corvus. Mais il s'agit d'un investissement important par rapport à la taille de l'activité existante de l'entreprise dans le secteur maritime : bien que Siemens ait joué le rôle d'intégrateur de systèmes de batteries sur 33 navires en service, elle a très peu utilisé ses propres modules. Le nouveau site, qui peut construire plus de six batteries par quart de travail, l'aidera à servir ce qu'il considère comme un marché en pleine croissance dans les secteurs maritime et offshore.
Le centre maritime offshore de Siemens à Trondheim a été complété par une usine de batteries robotisées
Les navires comme l'Ampère, qui ne fonctionnent qu'avec des batteries, restent en minorité. Parmi les navires équipés de batteries en exploitation et en commande, 75 % sont hybrides. De ce nombre, seulement 23 % sont facturés par un branchement à terre, le reste n'étant facturé qu'à partir de moteurs. Et si les petits ferries côtiers restent le pilier de l'adoption des batteries, leur utilisation s'étend rapidement à d'autres secteurs.
"Chaque projet de navire commence maintenant par une discussion sur l'utilisation de batteries ou de carburants alternatifs ", déclare Sondre Henningsgård, responsable des systèmes maritimes de DNV GL et directeur du Maritime Battery Forum. Il souligne que le secteur offshore a un grand potentiel de croissance, avec de multiples fournisseurs - parmi lesquels Corvus et Siemens - offrant des solutions conteneurisées pour les navires de ravitaillement offshore. Près de 30 navires offshore seront équipés de batteries entre 2019 et 2021, selon les chiffres du forum.
"Les batteries pourraient remplacer un moteur auxiliaire et être utilisées pour faire face aux pointes de la demande d'énergie, ce qui permettrait de faire fonctionner les autres auxiliaires à une charge plus optimale"
Siemens a l'œil pour la croissance offshore. Northern Drilling introduira le premier système de stockage d'énergie sur une plate-forme semi-submersible lorsque West Mira commencera ses opérations en mer du Nord cette année. Les générateurs diesel-électriques de la plate-forme seront complétés par un système lithium-ion, le BlueVault de Siemens, qui devrait permettre de réduire le temps de fonctionnement des moteurs diesel de la plate-forme d'environ 42 %. Cela réduira les émissions de CO2 de 15 % et les émissions de NOx de 12 %. La solution se compose de quatre systèmes de convertisseurs et de batteries d'une puissance maximale totale de 6 MW.
Bjørn Einar Brath, responsable des solutions offshore chez Siemens, déclare : "Les plates-formes offshore ont une consommation électrique très variable pour le forage et le positionnement dynamique. En intégrant le stockage d'énergie, il est possible de réduire la durée de fonctionnement des moteurs diesel et de les maintenir à un niveau de combustion optimisé. Ce qui, en fin de compte, conduit à une réduction des émissions."
Véhicules hybrides de transport de gaz
Le pétrolier navette Aurora Spirit est l'un des premiers navires de son secteur à déployer des batteries de propulsion
D'autres secteurs commencent également à en prendre note. Plus tôt cette année, le premier des pétroliers navettes hybrides Teekay Offshore a été livré par Samsung Heavy Industries (SHI). Le pétrolier, l'un des quatre navires commandés avec deux autres options, est équipé d'un système de propulsion au GNL à double carburant alimenté par des moteurs qui sont également capables de brûler les composés organiques volatils (COV) émis par la cargaison du navire. Des batteries sont également installées, ce qui signifie que les moteurs auxiliaires Wärtsilä peuvent brûler les COV au fur et à mesure de leur émission et stocker l'énergie à utiliser avec la propulsion diesel-électrique du navire.
À la suite de ce projet, Wärtsilä et SHI ont formé un partenariat pour explorer l'utilisation de batteries sur d'autres pétroliers et, pour la première fois, dans le segment des transporteurs de gaz. Le projet visera à optimiser les coûts d'investissement et d'exploitation de ces types de navires tout en développant l'utilisation de solutions efficaces et hybrides.
SHI est également intéressé à entrer sur le marché maritime avec ses propres batteries - la société sœur Samsung SDI est un gros producteur de batteries lithium-ion et développe ses activités dans le stockage d'énergie. Samsung pourra utiliser le centre hybride de Wärtsilä à Trieste - une installation qui permet de tester à grande échelle les dispositifs de propulsion hybride - pour explorer les meilleures propriétés et spécifications des batteries à usage maritime.
"Nous assistons à l'apparition d'indicateurs précoces de perturbations à long terme dans l'industrie maritime, les moteurs diesel sales étant remplacés par des systèmes de piles à combustible à émission zéro."
Stein Thorsager, directeur des ventes de Wärtsilä, segment marchand, déclare : "Ils voient l'avantage d'utiliser les batteries dans le cadre de la demande d'énergie à bord et croient fermement qu'elles seront utiles pour les autres pétroliers et transporteurs de gaz"
La propulsion du transporteur de gaz est généralement assurée par des moteurs à deux temps, les moteurs à vitesse moyenne répondant à la demande d'énergie à bord, y compris la réliquéfaction et le chargement de la cargaison. Les batteries pourraient remplacer un moteur auxiliaire et être utilisées pour faire face aux pointes de la demande d'énergie, ce qui permettrait de faire fonctionner les autres auxiliaires à une charge plus optimale. Cela réduirait la consommation de carburant ainsi que l'entretien des moteurs restants.
M. Thorsager note que certains méthaniers utilisent déjà la propulsion électrique. Ces dispositions facilitent la prise en compte de l'ajout de piles dans l'installation.
"Nous croyons en la propulsion électrique pour certains des plus petits méthaniers ", dit-il. "Les armateurs et les affréteurs s'intéressent déjà à ces concepts et étudient toutes les options possibles pour réduire leurs émissions afin d'atteindre les objectifs de l'OMI
Les batteries peuvent offrir d'importantes économies de carburant - les navettes-citernes Teekay prévoient utiliser 22 % moins de carburant que des navires similaires en raison de leur capacité à brûler des COV et à stocker l'énergie dans des batteries. Mais la mesure dans laquelle les batteries peuvent aider le transport maritime à atteindre ses objectifs en matière d'émissions de gaz à effet de serre dépend en grande partie de la manière dont l'électricité est produite au départ. L'électricité produite par les moteurs diesel ne permettra pas aux navires d'éliminer les émissions de carbone. Et si l'électricité produite à partir de l'énergie terrestre éliminerait les émissions à bord des navires, la technologie actuelle des batteries ne peut fournir suffisamment de charge que pour des trajets relativement courts.
"Les piles seules ne résoudront pas le problème", convient M. Henningsgård. "Mais ils permettront la solution."
Les piles à combustible au premier plan
Les piles à combustible gagnent du terrain comme solution potentielle de décarbonisation. Les piles à combustible ne stockent pas l'énergie mais la convertissent en électricité à partir d'une source de combustible externe (souvent l'hydrogène), contrairement aux batteries qui stockent et déchargent l'électricité. Les investissements dans ces technologies - et le nombre de projets visant à les déployer dans le domaine maritime - ont progressé rapidement au cours des premiers mois de 2019.
A l'instar des fabricants de batteries Corvus et Siemens, la société de piles à combustible Ballard Power Systems a annoncé en mars dernier son intention d'ouvrir une usine dédiée à la production et à la réparation de piles à combustible marines. Le Centre d'excellence maritime de Ballard ouvrira ses portes à Hobro, au Danemark, cette année, avec une capacité de production annuelle de plus de 15 MW.
"Nous assistons à l'apparition d'indicateurs précoces de perturbations à long terme dans l'industrie maritime, les moteurs diesel sales étant remplacés par des systèmes de piles à combustible à émission zéro ", déclare Jesper Themsen, président et CEO de Ballard Europe. Compte tenu du rythme des progrès réalisés cette année, sa conviction est compréhensible.
Bien qu'elle ne soit pas encore appliquée dans le secteur maritime, la technologie des piles à combustible est relativement bien comprise. Il y a eu plusieurs grands projets de recherche marine au cours des dernières années et les recherches se tournent vers la meilleure façon d'exploiter et d'intégrer les piles à combustible. L'un des partenariats explorant ce sujet est GE Power Conversion et la société de piles à combustible Nedstack, qui a conçu une centrale à hydrogène de plusieurs mégawatts pour les navires à passagers.
La commande électrique est essentielle à cette conception, qui utilise des cellules à membrane échangeuse de protons alimentées à l'hydrogène et qui produisent de l'électricité, de l'eau et de la chaleur sans gaz d'échappement. Des entraînements électriques à vitesse variable seront utilisés pour optimiser le contrôle des piles à combustible et distribuer l'électricité produite. La mise en marche et l'arrêt des piles à combustible réduisent souvent leur durée de vie et peuvent être limitées par l'utilisation d'entraînements électriques et d'un système de gestion de l'énergie. Cela permettra aux piles à combustible d'atteindre les intervalles de cale sèche de cinq ans requis.
Comme pour les batteries, la Norvège joue un rôle moteur dans l'adoption précoce des piles à combustible en milieu marin. Deux projets de navires commerciaux à piles à combustible ont été financés dans le cadre de l'initiative pilote-E. Organisé par le Conseil norvégien de la recherche, Innovation Norway et Enova, Pilot-E soutient chaque année plusieurs projets environnementaux. Sur les six qui ont reçu du financement dans le cadre de la dernière ronde, deux sont dans le secteur maritime commercial et sont dotés de piles à hydrogène.
"La mise en marche et l'arrêt des piles à combustible réduisent fréquemment leur durée de vie et peuvent être limitées par l'utilisation d'entraînements électriques et d'un système de gestion de l'énergie, ce qui permet aux piles à combustible d'atteindre les intervalles de cale sèche requis de cinq ans"
L'opérateur multimodal Samskip dirige un projet de développement de deux porte-conteneurs pour des liaisons maritimes à courte distance entre Oslo, en Pologne, et la côte occidentale de la Suède. Les navires seront entièrement électriques et alimentés par des piles à hydrogène.
L'équipe du projet Seashuttle comprend le fournisseur de technologie Kongsberg, le spécialiste de l'hydrogène Hyon et Massterly, la coentreprise autonome de solutions pour navires entre Kongsberg Maritime et Wilhelmsen. Cette subvention fait suite à une subvention de 6 millions d'euros (6,8 millions de dollars US) déjà reçue du gouvernement norvégien.
Entre-temps, le groupe norvégien de construction navale et de technologie marine Havyard s'est vu accorder 104,3 millions de couronnes norvégiennes (12 millions de dollars US) pour le développement d'un " système énergétique à hydrogène à grande capacité ". Il sera installé sur l'un des quatre ferries de croisière construits pour le nouvel opérateur côtier norvégien Havila Kystruten. Le système, combiné à des batteries, permettra au navire de naviguer sans émissions pendant cinq fois plus longtemps que les autres navires prévus ou existants. Il sera installé et mis en service d'ici la fin de 2022.
Travailler à l'unisson
La mention des batteries et des piles à combustible travaillant côte à côte dans le système Kystruten de Havila est importante. Pour toutes les applications, sauf les plus petites, le stockage de l'énergie est un élément essentiel du système électrique. Si l'énergie produite par les piles à combustible ne peut être utilisée immédiatement, elle doit être stockée. Pour certains modèles de piles à combustible avancés qui doivent être allumés en permanence, les batteries sont essentielles pour absorber l'excès de charge.
L'un des ferries de croisière de Havila Kystruten sera équipé d'une combinaison hybride pile à combustible-batterie
Un projet de chercheurs de l'École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) a proposé un système d'alimentation hybride centré sur les piles à combustible à oxyde solide (SOFC) fonctionnant à charge constante. Les batteries stockeraient l'électricité excédentaire produite lorsque la demande d'électricité est inférieure à la production de SOFC, tandis que le gaz de synthèse produit par les piles serait transformé en hydrogène qui pourrait alimenter les piles à combustible auxiliaires à membrane échangeuse de protons (PEM) en période de pointe.
Les SOFC développées par l'EPFL ont atteint un rendement de 75 %, contre un peu plus de 50 % pour les moteurs les plus efficaces, mais il faut parfois 20 heures pour atteindre leur pleine capacité. Ils peuvent être utilisés pour produire une combinaison d'électricité, de gaz de synthèse riche en hydrogène et de chaleur à haute température. Cette chaleur serait utilisée dans un procédé de purification - composé d'un réacteur à décalage eau-gaz à deux étages et d'une unité d'absorption à pression alternée - pour produire de l'hydrogène. Les seuls sous-produits seraient le CO2 et l'eau.
Francesco Baldi, chercheur à l'EPFL, explique que le système de propulsion hybride conviendrait aux paquebots de croisière en raison de la diversité de leurs besoins en puissance, par rapport à la puissance principalement propulsive nécessaire aux navires marchands. Les PCOS peuvent fonctionner avec une grande variété de combustibles gazeux et liquides, tandis que les PEM utilisent de l'hydrogène, qui nécessiterait un vaste espace de stockage à bord s'il était utilisé comme source d'énergie principale.
Alors que les piles à combustible à oxyde solide peuvent être une perspective plus lointaine, d'autres projets explorent la possibilité de combiner des piles PEM " traditionnelles " avec des batteries. L'une est menée par le chantier naval norvégien Fiskestrand, qui étudie comment les piles à hydrogène et les batteries peuvent être utilisées sur une courte route de ferry à partir de l'année prochaine.
Dans le cadre du projet HYBRIDship du chantier naval, on étudie l'aménagement optimal de la salle des machines pour les piles à combustible ainsi que la possibilité de les intégrer à d'autres systèmes. L'objectif est de s'assurer que la propulsion (y compris les piles à combustible) est suffisamment robuste pour assurer un service répétitif et de courte durée.
Le laboratoire SINTEF Océan à Trondheim et ABB évaluera comment les piles à combustible et les batteries peuvent fonctionner au mieux ensemble pour les opérations de transport par ferry sur de courtes distances. Les essais simuleront les conditions qu'un traversier est censé rencontrer sur une route à haute fréquence de 10 km.
Les piles à combustible ont besoin de batteries - ou du moins d'une certaine forme de stockage d'énergie - pour être réellement efficaces dans la décarbonisation du transport maritime. Et, étonnamment, il pourrait y avoir plus d'obstacles à l'adoption des batteries relativement matures que pour la technologie naissante des piles à combustible. Les principaux d'entre eux sont le coût et la densité énergétique.
Sur les paquebots de croisière assistés par batterie de Hurtigruten, Roald Amundsen et Fridtjof Nansen, les systèmes installés de 1,35 MWh n'occupent qu'une fraction des salles de batteries conçues pour des installations pouvant atteindre 6,5 MWh. Lorsque ces installations seront achevées, elles devraient peser environ 80 tonnes. C'est près de la moitié du poids total des quatre moteurs Rolls-Royce B33:45 qui couvrent la majorité des besoins en puissance des navires.
Il n'est pas difficile de comprendre pourquoi les gros blocs de batteries n'ont pas encore trouvé d'applications sur des navires plus sensibles au poids. Et les progrès technologiques qui devraient amener la densité énergétique des batteries à un nouveau niveau s'avèrent douloureusement lents à émerger. Selon l'institut de recherche BloombergNEF, les batteries à semi-conducteurs - le prochain grand espoir dans la réduction de la technologie des batteries - ne devraient pas avoir un " impact significatif " sur le marché des véhicules électriques avant la fin des années 2020. Pour le marché maritime plus conservateur et plus exigeant, cela pourrait être beaucoup plus tard.
Mais plus encore que les batteries, ce sont les réponses au défi de l'hydrogène qui détermineront le succès des piles à combustible dans le transport maritime. La difficulté de stocker l'hydrogène en grandes quantités est bien connue. Même sous sa forme la plus compacte et la plus liquéfiée, l'hydrogène occupe deux fois plus d'espace que le GNL. Pour les navires effectuant de longs voyages entre deux avitaillements, il s'agit d'une question clé. Les problèmes d'entreposage ne pourraient être résolus qu'en apportant des changements majeurs à la conception des navires. L'adaptation des horaires de soutage ne serait possible que si la disponibilité des usines de liquéfaction commerciales, en Europe en particulier, est considérablement améliorée.
Mais il y a une question plus fondamentale que le stockage. Les piles à combustible ne peuvent réduire les émissions de gaz à effet de serre du puits à la veille que si elles utilisent un combustible propre. Certaines technologies émergentes pourraient fournir de l'hydrogène renouvelable. Les grandes usines d'électrolyse ont été conçues pour une utilisation à terre, ce qui permettrait de livrer plusieurs centaines de tonnes par jour. L'hydrogène pourrait également être produit proprement en combinant le reformage à la vapeur de gaz naturel avec le captage et le stockage du carbone. Et une percée récente des chercheurs de l'Université de Stanford pourrait rendre l'électrolyse de l'eau de mer efficace à des volumes plus importants.
Aucune de ces solutions ne sera bientôt disponible à l'échelle commerciale. La question demeure donc de savoir si les sources d'hydrogène renouvelables peuvent être mises à l'échelle assez rapidement pour répondre au besoin relativement urgent de décarbonisation du transport maritime.
Les piles à combustible joueront un rôle dans la décarbonisation du transport maritime. Mais l'ampleur et le calendrier de ce rôle dépendront en grande partie des progrès réalisés dans les domaines des piles et de l'hydrogène renouvelable.