Le navire tout électrique

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© Techniques de l’Ingénieur, traité Génie électrique D 5 610 − 1
Le navire tout électrique
Propulsion et production d’énergie
par Gérard FILLIAU
Chef du groupe Énergie Propulsion
Service des Programmes Navals
Ministère de la Défense-DGA
Alain BONDU
Ingénieur système
Jeumont Industrie. Division Marine
Intervenant à l’École Nationale Supérieure des Techniques Avancées
et
Laurent MAZODIER
Senior Business Manager
Marine and Offshore Systems
Alstom Power Conversion
es 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 appa-
raissent 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 tur-
bine à vapeur et l’hélice, en remplacement de la longue ligne d’arbre et du réduc-
teur 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
1. Généralités................................................................................................. D 5 610 - 2
2. Définition des besoins en énergie....................................................... — 2
2.1 Navire de croisière....................................................................................... — 3
2.2 Frégate.......................................................................................................... — 3
2.3 Tanker ........................................................................................................... — 4
2.4 Navire de recherche offshore...................................................................... — 4
3. Propulsion et architecture électrique ................................................ — 5
3.1 Propulsion intégrée dans la coque............................................................. — 5
3.2 Propulsion en nacelle.................................................................................. — 8
4. Production d’énergie .............................................................................. — 10
4.1 Généralités ................................................................................................... — 10
4.2 Turbines à gaz .............................................................................................. — 10
4.3 Turbines à vapeur ........................................................................................ — 11
4.4 Moteurs Diesel............................................................................................. — 12
4.5 Piles à combustible...................................................................................... — 13
Pour en savoir plus........................................................................................... Doc. D 5 625
L

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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 excita-
tions.
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 océa-
nographique, 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.
1. Généralités
Les applications aux bâtiments de combat sont retardées par rap-
port aux applications de la marine civile, du fait des contraintes par-
ticulières de masse et de volume de ces navires très fortement
« motorisés ». On compte beaucoup, dans ce secteur, sur la généra-
lisation des nouvelles techniques de machines tournantes et de
convertisseurs statiques :
— nouvelles techniques de machines plus compactes et mieux
adaptées aux vitesses des turbines et des hélices ;
— nouvelles techniques de convertisseurs plus universels et plus
compacts.
■La grande finalité du « tout électrique » est essentiellement
l’ouverture à toutes les techniques modernes et futures. Dans
l’immédiat, et en particulier pour les paquebots, on y a vu les avan-
tages sur l’architecture, le confort, la souplesse d’exploitation et de
pilotage, ainsi que sur la gestion de l’énergie avec, en fin de compte,
une économie substantielle sur le coût de fonctionnement, pour
l’armateur. Pour les bâtiments de combat, l’expression « tout
électrique » implique, outre les avantages en discrétion, en sou-
plesse d’exploitation et de pilotage, en fiabilité et en gestion de
l’énergie, les notions des futures armes électriques et de production
d’énergie électrique par piles à combustible.
D’une manière générale, les finalités recherchées sont, princi-
palement :
— une grande souplesse architecturale à la conception et à la
construction du navire (aménagement amélioré), pouvant aller
jusqu’à la suppression de toute ligne d’arbre ; cette souplesse archi-
tecturale permet un choix d’esquisses de navires beaucoup plus
vaste que les solutions de propulsion classiques ;
— une globalisation des moyens de production d’énergie, d’où
une réduction du nombre de types de générateurs au niveau de
toute une flotte, ainsi que de leur nombre à bord d’un navire (réduc-
tion du nombre de 8 à 4 ou 5), et un fonctionnement optimisé de
ceux-ci ;
— une amélioration de la disponibilité des installations (réseaux
électriques) ;
— une plus grande souplesse de mise en œuvre (manœuvrabi-
lité, temps de réponse, reconfiguration) ;
— un allégement de la logistique et de la maintenance ;
— un meilleur potentiel de croissance des capacités du navire sur
sa durée de vie (refonte, modernisation) ;
— une réduction des consommations aux différentes vitesses,
pour une autonomie donnée, et donc une réduction du coût de fonc-
tionnement.
Certaines finalités concernent spécialement les navires de guerre :
— une réduction des signatures (acoustique, infrarouge, électro-
magnétique, sillage...) ;
— une réduction de la vulnérabilité (répartition des moyens de
production, diminution de la longueur des lignes d’arbre) ;
— une capacité d’adaptation aux armes futures (hautes énergies
pulsées).
■Une des principales réalisations types est le navire de croisière
Legend of the Seas (figure 1) qui comporte :
— 5 diesels générateurs de 11,4 MW – 6,6 kV ;
— 2 moteurs électriques de propulsion de 20,1 MW.
2. 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.
Par « navire tout électrique », nous entendons, aujourd’hui,
des bâtiments dont la distribution d’énergie est entièrement
électrique et pratiquement commune au réseau de bord et à la
propulsion. La production d’énergie est constituée de groupes
électrogènes plus ou moins regroupés, selon les exigences
architecturales civiles ou militaires.

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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 arma-
teurs quant aux gains d’exploitation qu’ils pouvaient retirer d’un
navire « tout électrique » par rapport à un navire à propulsion méca-
nique.
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 pro-
pulsion 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).
■Pour un bâtiment de 22 000 t, les besoins en énergie sont, à titre
d’exemple, les suivants :
● 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)
● Propulsion auxiliaire ................ 2 x 1 MW (propulseurs d’étrave)
● Compresseurs d’air conditionné....... 2 x 1 MW
● Réseau de bord (440 V-60 Hz) ............ 4 MW en navigation
● Utilisation : 54 % du temps au port
6 % du temps en manœuvre
13 % du temps à environ 15 nœuds
27 % du temps à environ 20 nœuds
(sur la base d’une semaine de croisière)
■Dans ces conditions, la production d’énergie électrique doit être
d’environ :
— 10 MW en navigation à 15 nœuds ;
— 20 MW en navigation à 20 nœuds.
■Les modes de marche du navire étant très différents, la configu-
ration des groupes électrogènes retenus, soit 4 alternateurs de
6,3 MW à 750 tr/min, permet une charge optimale de chaque
groupe, donc les meilleurs rendements et conditions d’utilisation.
Ainsi :
—au port : un seul groupe électrogène alimente le réseau de
bord ;
—en manœuvre : deux groupes électrogènes alimentent la pro-
pulsion principale, les propulseurs auxiliaires et le réseau de bord ;
—en vitesse de croisière : trois ou quatre groupes électrogènes
alimentent la propulsion principale et le réseau de bord.
2.2 Frégate
Un navire de combat, de type frégate, possède une puissance à la
tonne dix fois supérieure à celle d’un paquebot moderne, à savoir :
— un bâtiment de 5 000 t est équipé d’une propulsion de
2 x 16 MW à 28 nœuds,
— un bâtiment de 6 000 t est équipé d’une propulsion de
2 x 23 MW à 30 nœuds.
■Pour une frégate de 5 000 t, on peut citer, à titre d’exemple, les
caractéristiques suivantes de besoins en énergie :
● Propulsion (figure 2) : 2 x 1,6 MW à 15 nœuds
2 x 4 MW à 20 nœuds
2 x 16 MW à 28 nœuds
● Réseau de bord : 1,3 MW en navigation < 20 nœuds (440 V-60 Hz)
1,5 à 2 MW en situation de combat
● Distance franchissable : 6 000 milles marins à 18 nœuds
● Utilisation : 13 % du temps de 0 à 8 nœuds
16 % du temps de 8 à 11 nœuds
32 % du temps de 11 à 16 nœuds
26 % du temps de 16 à 21 nœuds
13 % du temps de 21 à 28 nœuds
■Ces différentes données montrent que la production du réseau
électrique doit être environ de :
— 10 MW vers 18 nœuds, en navigation,
Figure 1 – Réalisation type d’un navire tout électrique :
Legend of the Seas
Figure 2 – Puissance propulsive en fonction de la vitesse
pour les quatre types de navire
40
38
36
34
32
30
28
26
24
22
20
18
16
14
12
10
8
6
4
2
2 4 6 8 1012141618202224262830
0
Puissance
propulsive
(MW)
Vitesse du navire (nœuds)
Frégate
5 000 t
Croisière
22 000 t
Campagne
de mesure
Route
libre
Navire
de recherche offshore
4 500 t
Tanker
37 000 t

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— 35 MW vers 28 nœuds, au maximum, avec les considérations
suivantes :
• 33 MW pour la propulsion et ses auxiliaires,
• 2 MW pour les deux réseaux de bord.
Cette puissance de « production » ne prend pas en compte le
besoin des armes futures. Ces besoins estimés, aujourd’hui, à envi-
ron 100 MW et 100 MJ crête, se révéleront plus ou moins contrai-
gnants selon la répétitivité et les capacités de stockage d’énergie
réservés à cet usage. On considère que la puissance de recharge-
ment du stockage sera prise sur la propulsion pendant les courtes
durées nécessaires.
■Les régimes de navigation étant très variables (veille, écoute,
croisière, forcing et combat), les architectes sont amenés à associer
des groupes électrogènes de puissance et de nature différentes
afin de mieux répondre au besoin énergétique et de souplesse
d’exploitation (§ 3).
2.3 Tanker
Autant la propulsion électrique a été adoptée par la plupart des
armateurs de navires de croisière depuis de nombreuses années,
autant dans le domaine de la marine marchande ce concept est
récent (hormis pour les navires spéciaux et l’offshore, où il est rapi-
dement devenu incontournable).
À partir de 1994, la réalisation de 7 transporteurs de produits chi-
miques (
chemical tankers ) à propulsion électrique a constitué une
première mondiale ; cette première commande sera suivie de 5
pour des navires identiques puis de 9 pour des navires identiques à
tonnage inférieur.
■Les bureaux d’études des chantiers ne se sont pas limités à placer
une propulsion électrique dans une salle des machines standards,
mais ont conçu un véritable navire électrique. Cette démarche a per-
mis de tirer le meilleur parti de la propulsion électrique et de réaliser
un navire comparable, sur le plan de l’investissement initial, à un
navire à propulsion par moteurs Diesel, et offrant de meilleures per-
formances dans de nombreux domaines. Nous n’évoquerons ici
que les principales.
● D’une part, les moteurs Diesel de la centrale de production
d’énergie électrique étant dissociés de la ligne d’arbre, les différents
matériels peuvent être logés aux meilleurs emplacements possi-
bles. Cette souplesse d’implantation des matériels électriques est
très appréciable. Il en résulte une diminution des coûts d’installation
et une augmentation de l’espace disponible. Cela a permis d’instal-
ler des réservoirs supplémentaires pour le transport des produits
chimiques.
● D’autre part, en propulsion électrique, les diesels-alternateurs
tournent sous une charge optimale et à vitesse constante, ce qui a
pour effet d’en limiter l’encrassement et l’usure, et donc de réduire
les coûts de maintenance.
● Autre avantage non négligeable, ces diesels génèrent moins de
gaz polluants, ce qui permet l’accès des navires à des ports aux nor-
mes antipollution de plus en plus draconiennes.
■Pour la série de bâtiments de 37 000 t, les besoins en énergie
sont environ les suivants.
● Propulsion (figure 2) : 1 x 2 MW à 10 nœuds
1 x 4,4 MW à 13 nœuds
1 x 10 MW à 17 nœuds
● Propulsion auxiliaire : 1 x 1,2 MW (propulseur d’étrave)
● Réseau de bord (440 V-60 Hz), dont pompes de
chargement/déchargement : 1,8 MW.
■La centrale d’énergie retenue, équipée de trois alternateurs de
3 500 kW à 720 tr/min et d’un alternateur de 2 400 kW à 720 tr/min,
permet d’alimenter :
— soit la propulsion, en navigation ;
— soit les pompes de chargement/déchargement, à quai.
Ainsi, contrairement à une propulsion diesel mécanique utilisant
un ou plusieurs diesels pour la propulsion et plusieurs groupes élec-
trogènes pour l’alimentation du bord, le concept « tout électrique »
permet l’utilisation d’une seule centrale d’énergie commune.
2.4 Navire de recherche offshore
Faisant suite aux sous-marins et aux navires de croisière, les navi-
res de recherche, qu’ils soient de type océanographique ou offshore,
ont été parmi les premiers à être équipés en « tout électrique ».
■Outre la plus grande souplesse d’exploitation et la meilleure
manœuvrabilité, la forte réduction des bruits et vibrations géné-
rés par le système de propulsion a été un critère essentiel pour le
choix du « tout électrique » sur ce type de navire. En effet :
— d’une part, les diesels des groupes électrogènes fonctionnant à
vitesse constante, il est facile de dimensionner des systèmes amor-
tisseurs efficaces ;
— d’autre part, les progrès en matière de conception des moteurs
électriques (alimentation double étoile, forme des pôles, ordonnan-
cement des fréquences propres, suspension élastique du stator,
ventilation optimisée...) ont permis de réduire les bruits et vibra-
tions générés par ces moteurs.
Ainsi, les bruits transmis dans l’eau, nuisibles aux mesures sous-
marines, sont considérablement réduits par l’utilisation d’une pro-
pulsion électrique à la place d’une propulsion classique diesel-
mécanique.
Par ailleurs, l’utilisation de moteurs à double enroulement
apporte une redondance permettant une grande disponibilité du
navire.
■Ci-après, on donne l’exemple d’un navire de recherche offshore
de 4 500 t destiné à la recherche géophysique par méthode sismi-
que, autrement dit à l’étude des fonds sous-marins pour la recher-
che de gisements d’hydrocarbures.
Ce type de navire est équipé de compresseurs générant vers le
fond de la mer une onde acoustique. L’écho est alors capté par des
hydrophones répartis le long de lignes d’écoute tractées par le
navire. Les mesures sont analysées à bord par un puissant calcula-
teur.
Les besoins en énergie pour un tel navire sont environ les sui-
vants.
● Propulsion principale (figure 2) :
— en campagne de mesure : 2 x 0,3 MW à 2 nœuds
2 x 1,7 MW à 3,5 nœuds
2 x 5 MW à 5 nœuds
— en route libre, à vitesse maximale : 2 x 1,7 MW à 11 nœuds
2 x 3,3 MW à 13 nœuds
2 x 5 MW à 15 nœuds
● Propulsion auxiliaire : 1 x 600 kW (propulseur d’étrave)
● Compresseurs sismiques : 3 x 700 kW
● Réseau de bord (440 V − 60 Hz) : 2 MW
■Dans ces conditions, la centrale d’énergie retenue comprend
4 alternateurs de 4 650 kW chacun à 720 tr/min.

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3. Propulsion et architecture
électrique
3.1 Propulsion intégrée dans la coque
Pour mieux comprendre les améliorations apportées par le « tout
électrique », examinons d’abord les caractéristiques des propul-
sions classiques de navires, puis celles des propulsions diesels-élec-
triques.
3.1.1 Propulsion « classique » par transmission
directe
■Diesels lents
La figure 3 représente un exemple d’installation à diesels lents
directement attelés aux hélices.
● Les hélices sont à pales orientables. Il s’agit là d’un dispositif
mécanique qui permet de renverser rapidement (inversion du pas)
le sens de poussée des hélices sans inverser le sens de rotation des
diesels. Sans cet artifice, la manœuvrabilité du navire serait réduite,
car il serait nécessaire de stopper puis de lancer le moteur diesel en
arrière, après réduction de l’allure du navire en-dessous d’un seuil
compatible avec le faible couple disponible au diesel au moment de
son lancement.
Ces hélices à pales orientables réduisent malheureusement le
rendement de propulsion.
● Pour réduire la consommation de combustible et éviter de faire
tourner les diesels-alternateurs à la mer, la production d’électricité
est assurée, à la mer, par deux alternateurs attelés entraînés par les
diesels principaux à partir de multiplicateurs mécaniques placés sur
la ligne d’arbre.
● Les hélices doivent donc tourner à vitesse constante, condition
difficile à respecter en cas de mauvais état de la mer. L’allure du
navire est réglée en jouant sur les pas des hélices avec, comme
conséquence, une réduction de leur rendement. Au port, les diesels
principaux de propulsion étant stoppés, la production d’électricité
est assurée par des diesels-alternateurs. Ces groupes de port sont
constitués de deux petits alternateurs entraînés par des diesels
semi-rapides et de deux gros alternateurs entraînés par un même
diesel lent et un multiplicateur à deux sorties.
■Diesels semi-rapides
La figure 4 représente un exemple d’installation à diesels semi-
rapides.
Chaque ligne d’arbre est entraînée au travers d’un réducteur par
deux diesels débrayables. La production d’électricité est assurée en
mer comme au port par des diesels-alternateurs indépendants.
Les hélices doivent être à pales orientables pour les mêmes rai-
sons de manœuvrabilité que dans l’exemple avec diesels lents.
Il n’y a pas d’alternateur attelé. La vitesse des hélices peut donc
varier dans une certaine mesure et les pertes de rendement de
l’hélice dues aux variations de pas sont plus faibles que pour les die-
sels lents.
Aux allures réduites, pour assurer une charge suffisante des die-
sels, la propulsion est assurée par un seul diesel par ligne d’arbre, le
deuxième étant débrayé. Le pas doit être réduit pour permettre au
diesel de tourner à une vitesse compatible avec le niveau de puis-
sance propulsive qu’il doit fournir. Cette réduction de pas entraîne
une perte de rendement de l’hélice.
La production d’électricité est assurée par des diesels-alterna-
teurs indépendants dont la consommation spécifique est supérieure
à celle des diesels principaux.
■En résumé, les propulsions « diesels classiques » conduisent
aux complexités suivantes :
— hélices à pales orientables ;
— réducteurs, multiplicateurs, embrayages ;
— alternateurs attelés ;
— diesels-alternateurs ;
— liaisons délignables si les diesels sont montés sur suspensions
élastiques.
Il est bien entendu possible de rassembler sur une même installa-
tion toutes les solutions imaginables. La figure 5 représente une
telle installation.
Figure 3 – Installation à diesels lents
Alternateur
attelé
Diesel lent
Diesel alternateur
Diesel alternateur
semi-rapide
Multiplicateur
Figure 4 – Installation à diesels semi-rapides
Figure 5 – Schéma d’une installation mécanique complexe
Diesel-alternateur
Diesel
semi-rapide
Moteurs
principaux
Diesels-
alternateurs
Embrayage
des moteurs
principaux
Alternateurs
principaux
Commande
du pas
des hélices
Paliers
Convertisseur
de vitesse Embrayages
Réducteurs