Le navire tout électrique
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Dossier délivré pour Madame, Monsieur 17/09/2008 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 1. Généralités................................................................................................. 2. 2.1 2.2 2.3 2.4 Définition des besoins en énergie....................................................... Navire de croisière....................................................................................... Frégate .......................................................................................................... Tanker ........................................................................................................... Navire de recherche offshore...................................................................... — — — — — 2 3 3 4 4 3. 3.1 3.2 Propulsion et architecture électrique ................................................ Propulsion intégrée dans la coque............................................................. Propulsion en nacelle .................................................................................. — — — 5 5 8 4. 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 Production d’énergie .............................................................................. Généralités ................................................................................................... Turbines à gaz .............................................................................................. Turbines à vapeur ........................................................................................ Moteurs Diesel ............................................................................................. Piles à combustible...................................................................................... — — — — — — 10 10 10 11 12 13 Pour en savoir plus ........................................................................................... D 5 610 - 2 Doc. D 5 625 L 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 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 Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie électrique Dossier délivré pour Madame, Monsieur 17/09/2008 D 5 610 − 1 Dossier délivré pour Madame, Monsieur 17/09/2008 LE NAVIRE TOUT ÉLECTRIQUE _____________________________________________________________________________________________________________ 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. 1. Généralités 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. Les applications aux bâtiments de combat sont retardées par rapport aux applications de la marine civile, du fait des contraintes particulières de masse et de volume de ces navires très fortement « motorisés ». On compte beaucoup, dans ce secteur, sur la généralisation 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 avantages 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 souplesse 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, principalement : — 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 architecturale permet un choix d’esquisses de navires beaucoup plus vaste que les solutions de propulsion classiques ; D 5 610 − 2 — 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 (réduction 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 (manœuvrabilité, 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 fonctionnement. Certaines finalités concernent spécialement les navires de guerre : — une réduction des signatures (acoustique, infrarouge, électromagnétique, 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. Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie électrique Dossier délivré pour Madame, Monsieur 17/09/2008 Dossier délivré pour Madame, Monsieur 17/09/2008 ____________________________________________________________________________________________________________ LE NAVIRE TOUT ÉLECTRIQUE 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 Figure 1 – Réalisation type d’un navire tout électrique : Legend of the Seas 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) Vitesse du navire (nœuds) 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 40 38 Puissance 36 propulsive Frégate (MW) 34 5 000 t 32 30 28 26 24 22 Croisière 22 000 t 20 18 Navire de recherche offshore 4 500 t Tanker 37 000 t Route libre Campagne de mesure 16 14 12 10 8 6 4 2 0 Figure 2 – Puissance propulsive en fonction de la vitesse pour les 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 ■ 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 configuration 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 propulsion 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, Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie électrique Dossier délivré pour Madame, Monsieur 17/09/2008 D 5 610 − 3 Dossier délivré pour Madame, Monsieur 17/09/2008 LE NAVIRE TOUT ÉLECTRIQUE _____________________________________________________________________________________________________________ — 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 environ 100 MW et 100 MJ crête, se révéleront plus ou moins contraignants selon la répétitivité et les capacités de stockage d’énergie réservés à cet usage. On considère que la puissance de rechargement 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). 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 rapidement devenu incontournable). À partir de 1994, la réalisation de 7 transporteurs de produits chimiques (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 permis 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 performances 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 possibles. 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’installer 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 normes 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) Propulsion auxiliaire Ainsi, contrairement à une propulsion diesel mécanique utilisant un ou plusieurs diesels pour la propulsion et plusieurs groupes électrogènes 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 navires de recherche, qu’ils soient de type océanographique ou offshore, ont été parmi les premiers à être équipés en « tout électrique ». — d’une part, les diesels des groupes électrogènes fonctionnant à vitesse constante, il est facile de dimensionner des systèmes amortisseurs efficaces ; — d’autre part, les progrès en matière de conception des moteurs électriques (alimentation double étoile, forme des pôles, ordonnancement des fréquences propres, suspension élastique du stator, ventilation optimisée...) ont permis de réduire les bruits et vibrations générés par ces moteurs. Ainsi, les bruits transmis dans l’eau, nuisibles aux mesures sousmarines, sont considérablement réduits par l’utilisation d’une propulsion électrique à la place d’une propulsion classique dieselmécanique. 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 sismique, autrement dit à l’étude des fonds sous-marins pour la recherche 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 calculateur. Les besoins en énergie pour un tel navire sont environ les suivants. ● 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 : 1 x 2 MW à 10 nœuds 1 x 4,4 MW à 13 nœuds ● Propulsion auxiliaire : 1 x 600 kW (propulseur d’étrave) 1 x 10 MW à 17 nœuds ● Compresseurs sismiques : 3 x 700 kW ● Réseau de bord (440 V − 60 Hz) : 2 MW : 1 x 1,2 MW (propulseur d’étrave) ● Réseau de bord (440 V-60 Hz), dont pompes de chargement/déchargement : 1,8 MW. D 5 610 − 4 — soit la propulsion, en navigation ; — soit les pompes de chargement/déchargement, à quai. ■ Outre la plus grande souplesse d’exploitation et la meilleure manœuvrabilité, la forte réduction des bruits et vibrations générés par le système de propulsion a été un critère essentiel pour le choix du « tout électrique » sur ce type de navire. En effet : 2.3 Tanker ● ■ 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 : ■ Dans ces conditions, la centrale d’énergie retenue comprend 4 alternateurs de 4 650 kW chacun à 720 tr/min. Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie électrique Dossier délivré pour Madame, Monsieur 17/09/2008 Dossier délivré pour Madame, Monsieur 17/09/2008 ____________________________________________________________________________________________________________ LE NAVIRE TOUT ÉLECTRIQUE Alternateur attelé Multiplicateur Diesel alternateur semi-rapide Diesel semi-rapide Diesel-alternateur Diesel lent Diesel alternateur Figure 3 – Installation à diesels lents 3. Propulsion et architecture électrique Figure 4 – Installation à diesels semi-rapides Commande du pas des hélices Alternateurs principaux Embrayage des moteurs principaux 3.1 Propulsion intégrée dans la coque Moteurs principaux Pour mieux comprendre les améliorations apportées par le « tout électrique », examinons d’abord les caractéristiques des propulsions classiques de navires, puis celles des propulsions diesels-électriques. Réducteurs 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. Convertisseur de vitesse Embrayages Paliers Dieselsalternateurs Figure 5 – Schéma d’une installation mécanique complexe Les hélices doivent être à pales orientables pour les mêmes raisons 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 diesels lents. Aux allures réduites, pour assurer une charge suffisante des diesels, 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 puissance 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-alternateurs indépendants dont la consommation spécifique est supérieure à celle des diesels principaux. ■ Diesels semi-rapides La figure 4 représente un exemple d’installation à diesels semirapides. ■ 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. 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. Il est bien entendu possible de rassembler sur une même installation toutes les solutions imaginables. La figure 5 représente une telle installation. Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie électrique Dossier délivré pour Madame, Monsieur 17/09/2008 D 5 610 − 5 Dossier délivré pour Madame, Monsieur 17/09/2008 LE NAVIRE TOUT ÉLECTRIQUE _____________________________________________________________________________________________________________ Dieselalternateur Tableau MT MAT MAT MAT MAT MAT Transformateur de propulsion Propulseurs d'étrave et compresseurs de conditionnement d'air MAT MAT Propulseurs d'étrave et compresseurs de conditionnement d'air MAT Transformateur de distribution Convertisseurs Moteur de propulsion Filtre d'harmoniques Moteur de propulsion Excitation MSY MSY Filtre d'harmoniques Tableau BT Figure 6 – Schéma de l’installation de propulsion diesel-électrique d’un navire de croisière 3.1.2 Propulsion diesel-électrique appliquée à un navire de croisière ■ Description de l’installation Le schéma électrique de la figure 6 représente l’ensemble de l’installation d’un navire de 70 000 t. Cette installation comprend les éléments suivants. a) 5 diesels-alternateurs, en 6,6 kV, constituent une centrale unique de production d’énergie du navire : — énergie électrique pour toutes les installations ; — énergie thermique par récupération de chaleur sur les gaz d’échappement et l’eau de réfrigération des diesels. b) Un tableau à 6,6 kV distribue la moyenne tension (MT) aux divers consommateurs : — les transformateurs 6 600/440 V pour l’alimentation en basse tension (BT) du navire ; — les moteurs électriques de forte puissance (MAT, moteur asynchrone triphasé) : propulseurs d’étrave et compresseurs de conditionnement d’air. c) Les ensembles électriques (transformateurs, convertisseurs statiques de fréquence) alimentent, à fréquence variable, deux moteurs électriques synchrones (MSY) de propulsion à double enroulement à vitesse variable, directement liés aux lignes d’arbre et aux hélices à pales fixes. D 5 610 − 6 ■ Fonctionnement La figure 6 est un schéma unifilaire qui ne décrit que les constituants principaux de la propulsion électrique. ● Le système d’entraînement des hélices par moteur synchrone à vitesse variable est du type synchroconvertisseur. Ce système comporte, par ligne d’arbre, deux montages redresseur-onduleur à thyristors couplés au réseau par l’intermédiaire de transformateurs. Ces deux synchroconvertisseurs indépendants alimentent chacun un des deux enroulements statoriques du moteur synchrone de propulsion. ● Ce système présente les avantages spécifiques suivants. Il entraîne une réduction importante des courants harmoniques injectés par le système redresseur dans le réseau grâce à la différence de couplage, étoile d’une part et triangle d’autre part, des enroulements secondaires des transformateurs. Cela permet de réduire considérablement le dimensionnement des filtres nécessaires à l’obtention d’un taux de distorsion de la tension du jeu de barres à 6,6 kV inférieur à 5 % à tous les régimes de fonctionnement de la propulsion. Ces dispositions, complétées par d’autres mesures appropriées parmi lesquelles nous citerons l’existence d’écrans entre enroulements primaires et secondaires des transformateurs et les règles de câblage de tous les dispositifs électriques installés sur le navire (choix des types de câbles et routage par familles en fonction des caractéristiques de l’énergie électrique transportée : circuits de puissance et circuits véhiculant des signaux sensibles à bas niveaux Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie électrique Dossier délivré pour Madame, Monsieur 17/09/2008 Dossier délivré pour Madame, Monsieur 17/09/2008 ____________________________________________________________________________________________________________ LE NAVIRE TOUT ÉLECTRIQUE d’énergie), permettent d’obtenir un fonctionnement sans perturbation de tous les appareils. Ce dispositif PMS contrôle, à tout instant, l’état de charge des groupes électrogènes, la consommation du bord et de la propulsion électrique. Il permet de : — limiter le niveau de puissance appelée en fonction des possibilités de la centrale ; — limiter la dynamique d’appel de puissance pour ménager la centrale ; — contrôler le niveau de retour de puissance pendant les « crash stop » (arrêt d’urgence du navire) et ainsi de maîtriser en toute circonstance la stabilité de la production électrique et d’assurer une bonne protection des machines primaires en contrôlant leur utilisation. Ainsi, la configuration de la centrale d’énergie est à tout instant contrôlée et optimisée, de manière à éviter tout risque de « blackout ». Il s’accompagne d’une amélioration du rendement des alternateurs et des moteurs synchrones par réduction des pertes supplémentaires dues aux courants harmoniques. Il permet, en cas d’indisponibilité de l’un des convertisseurs à thyristors d’un moteur, de conserver l’usage de ce moteur qui sera encore capable de fournir 70 % de son couple nominal ; cela permet donc de disposer sur la ligne d’arbre d’une puissance qui atteint presque 60 % de sa valeur nominale. La maintenance est simplifiée du fait que les moteurs de propulsion, comme les alternateurs, ont une excitation à diodes tournantes, sans bagues ni balais. ● À ces avantages, spécifiques au schéma de la figure 6, s’ajoutent ceux inhérents à toute solution électrique intégrée, tels que : — tous les éléments du système étant statiques, hormis les machines tournantes, l’entretien est très réduit ; — la télécommande de la propulsion électrique est très simple, car tous les paramètres du convertisseur de fréquence sont surveillés et limités par le système de contrôle ; — un automatisme propre à la propulsion électrique mérite d’être mentionné ; c’est celui qui gère les transferts de puissance et que l’on appelle en anglais « PMS » (Power Management System). 3.1.3 Propulsion diesel-électrique appliquée à un navire marchand ■ Description de l’installation Le schéma électrique de la figure 7 représente l’installation d’un transporteur de produits chimiques (Chemical Tanker) de 37 000 tonnes. Dieselalternateur Tableau MT MAT Moteur propulseur d'étrave Transformateur de distribution Transformateur de propulsion Convertisseurs Moteur de propulsion Filtre d'harmoniques Filtre d'harmoniques MSY Réducteur Excitation Tableau BT Alternateur secours Tableau secours Figure 7 – Schéma de l’installation de propulsion diesel-électrique d’un navire de transport de produits chimiques Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie électrique Dossier délivré pour Madame, Monsieur 17/09/2008 D 5 610 − 7 Dossier délivré pour Madame, Monsieur 17/09/2008 LE NAVIRE TOUT ÉLECTRIQUE _____________________________________________________________________________________________________________ Cette installation comprend les éléments suivants. a) Les 4 diesels-alternateurs en 6,6 kV constituent une centrale unique de production d’énergie du navire : — pour la propulsion et la charge de bord en mer ; — pour les pompes de chargement/déchargement à quai. b) Un tableau moyenne tension à 6,6 kV distribue la moyenne tension aux divers consommateurs : — les transformateurs 6 600/450 V pour l’alimentation en basse tension du navire ; — le propulseur d’étrave. c) L’ensemble électrique (transformateurs, convertisseurs statiques de fréquence) alimente, à fréquence variable, un moteur électrique synchrone de propulsion à double enroulement à vitesse variable, lié à la ligne d’arbre et à l’hélice à pales fixes par l’intermédiaire d’un réducteur de vitesse. d) Deux tableaux basse tension à 450 V, un normal et un secours, alimentent les consommateurs basse tension du navire. ■ Fonctionnement La figure 7 est un schéma unifilaire qui ne décrit que les constituants principaux de la propulsion électrique. ● Le système d’entraînement de l’hélice par moteur synchrone à vitesse variable est du type synchroconvertisseur. ● Optimisation de l’architecture du navire Les moteurs Diesel sont dissociés de la ligne d’arbre, ce qui permet d’implanter les matériels aux meilleurs emplacements possibles et d’obtenir des gains de place substantiels. Ainsi, le choix d’une propulsion électrique pour une série de 12 transporteurs de produits chimiques a permis de rajouter 2 cuves supplémentaires sur 40 pour certains de ces navires, ou de raccourcir les navires de 8 m sur les autres. La souplesse d’implantation permet également d’optimiser les formes arrières du navire et l’hélice, et ainsi de compenser les pertes de rendement de la propulsion. Cela a été réalisé de manière très réussie sur les transporteurs de produits chimiques : par rapport à une solution classique diesel 2 temps, l’encombrement réduit de l’ensemble moteur électrique et réducteur a permis de les localiser à l’extrême-arrière du navire, en épousant au mieux les formes de la coque. Alternateurredresseur Combinateur de fonctionnement à basse vitesse + G1 – – + Réseau de bord Contacteur principal – Hacheur d'induit Démarreur M + + Moteur de propulsion G2 – Combinateur de couplage DC DC Hacheur d'excitation bidirectionnel Figure 8 – Schéma de l’installation de propulsion diesel-électrique d’un sous-marin anciennes, le court-circuitage des résistances de démarrage était réalisé par des contacteurs ou un combinateur) ; g) un hacheur d’induit : celui-ci, mis en ou hors circuit par le combinateur de fonctionnement à basse vitesse, permet de contrôler les vitesses à partir de la vitesse nulle ; h) un hacheur d’excitation : celui-ci est bidirectionnel et prend donc en charge les renversements de sens de marche ; il faut noter que, dans certaines réalisations, le renversement de sens de marche est assuré par un inverseur d’induit. 3.2 Propulsion en nacelle 3.1.4 Propulsion diesel-électrique appliquée à un sous-marin L’exemple de la figure 8 est dérivé d’un sous-marin conventionnel de conception récente. Ce schéma comporte : a) deux bancs de batteries (un par bord) ; ils peuvent être, pour la propulsion, couplés en série ou en parallèle par l’intermédiaire du combinateur de couplage ; b) deux groupes diesel-alternateur-redresseurs identiques (G1, G2) : leur principale fonction est de recharger les bancs de batterie ; leur puissance est de quelques centaines de kilowatts et leur marche n’est bien entendu possible qu’en surface ou au schnorchel (dispositif spécifique assurant l’évacuation des gaz) ; c) les départs vers le réseau de bord du navire : celui-ci peut être alimenté à partir de l’un ou l’autre bord ; d) le moteur de propulsion M : dans ce schéma simplifié, il est seul et à simple induit, mais il est le plus souvent soit à double induit, soit complété par un moteur de secours ; dans le cas où il est à double induit, les possibilités de mise en série ou en parallèle sont augmentées d’autant ; e) un contacteur principal de propulsion ; f) un démarreur ; il est classiquement constitué de résistances court-circuitées par des thyristors (dans les réalisations un peu plus D 5 610 − 8 3.2.1 Rappel historique Au début des années 1990 est apparue l’idée de combiner les avantages de manœuvrabilité des propulseurs mécaniques azimutaux avec la flexibilité de conception et d’utilisation apportée par la propulsion électrique. L’idée de base était de loger le moteur électrique de propulsion, jusque-là intégré dans la coque, dans une nacelle, appelée pod, fixée sous la coque du navire. Ayant la possibilité d’effectuer des rotations complètes sur 360˚, ce procédé permettait d’agir à la fois comme gouvernail et comme système de propulsion (figure 9). 3.2.2 Caractéristiques principales d’une propulsion par pod La motivation première était de simplifier les systèmes existants. ■ Comparé à un propulseur azimutal classique, arrangement complexe d’engrenages en « Z », un pod permet de s’affranchir des limites inhérentes à ce type de propulsion. Une des conséquences majeures est la possibilité d’atteindre des puissances bien plus importantes qu’avec des propulseurs azimutaux classiques. Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie électrique Dossier délivré pour Madame, Monsieur 17/09/2008 Dossier délivré pour Madame, Monsieur 17/09/2008 ____________________________________________________________________________________________________________ LE NAVIRE TOUT ÉLECTRIQUE Il a été démontré qu’un pod de type tracteur a un bien meilleur rendement qu’un pod de type pousseur, le flux d’eau à travers l’hélice n’étant pas perturbé par la nacelle. ■ L’alimentation électrique du pod est strictement équivalente à celle d’une propulsion électrique conventionnelle. Télécommande Convertisseurs de fréquence et contrôle associé 3.2.3 Avantages d’une propulsion par pod sur une propulsion électrique intégrée dans la coque Pod Moteurs électriques synchrones Moteurs diesels Alternateurs 3.2.3.1 Cas des navires civils ■ Réduction de la consommation de carburant ou augmentation de la vitesse du navire Figure 9 – Schéma de principe d’une propulsion par pod La suppression de la ligne d’arbre et des « bras de chaise » (c’està-dire les supports de la ligne d’arbre à l’extérieur de la coque) permet de réduire de manière significative la résistance à l’avancement du navire. L’autre point majeur est l’amélioration du rendement (au moins 5 %), dû à la suppression des deux engrenages de renvoi d’angle. En outre, l’optimisation de la forme, du positionnement et de l’angle de la nacelle par rapport à la coque permet de diminuer considérablement la résistance à l’avancement totale et, ainsi, d’accroître le rendement de l’ordre de 15 % par rapport à une propulsion électrique conventionnelle. Tableau de distribution ■ Comparé à une propulsion électrique classique, le système incorpore dans une seule unité, livrée au chantier naval en un seul bloc (figure 10) : — le gouvernail ; — l’appareil à gouverner ; — l’hélice ; — le moteur de propulsion ; — la ligne d’arbre ; — les paliers ligne d’arbre ; — le palier butée ; — le tube d’étambot. Cela peut se traduire soit par une réduction de la consommation de carburant à vitesse égale, soit par un accroissement de la vitesse du navire à consommation équivalente. ■ Le système étant orientable sur 360˚, il est possible de choisir entre un pod tracteur ou un pod pousseur. En d’autres termes, l’hélice peut être placée soit à l’avant, soit à l’arrière de la nacelle. Comme indiqué sur la figure 10, l’ensemble du système propulsif est intégré dans une nacelle fixée sous la coque du navire, libérant un espace considérable à l’intérieur du navire. Exemple : pour un navire dont la coque a été optimisée pour ce type de propulsion, il est possible de réduire la puissance des moteurs de 12 à 20 % par rapport à une propulsion électrique classique. De plus, une réduction de la consommation diminue les émissions polluantes. ■ Gain d’espace à bord du navire Propulsion en nacelle Gourvernail Appareil à gouverner Hélice Paliers ligne d'arbre Palier butée Moteur de propulsion Propulsion conventionnelle Figure 10 – Comparaison entre une propulsion électrique conventionnelle et une propulsion en nacelle Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie électrique Dossier délivré pour Madame, Monsieur 17/09/2008 D 5 610 − 9 Dossier délivré pour Madame, Monsieur 17/09/2008 LE NAVIRE TOUT ÉLECTRIQUE _____________________________________________________________________________________________________________ Le système pod permet, ainsi, d’éliminer de la salle des machines certains éléments indispensables à une propulsion électrique traditionnelle : ligne d’arbre, paliers, voire un éventuel réducteur. ■ Meilleure manœuvrabilité, diminution des temps de manœuvre Un pod, orientable sur 360˚ avec un contrôle de couple disponible dans toutes les directions, permet une manœuvrabilité accrue du navire, d’où : — grande maniabilité en zone portuaire, avec pour conséquences : • manœuvres plus rapides et plus sûres (environ 20 % de gain de temps) ; • économies de carburant ; • possibilité d’économie en frais de remorquage ; — réduction de la distance en crash stop ; — possibilité de positionnement dynamique précis (par exemple, plates-formes pétrolières semi-submersibles) ; — meilleure manœuvrabilité par gros temps et manœuvres d’évitement facilitées. ■ Réduction des bruits et vibrations à bord ■ Vulnérabilité Des bénéfices sont de même attendus grâce à la réduction de la surface vulnérable ; en contrepartie, certains auteurs craignent que la structure en porte-à-faux mécanique inhérente au pod ne dégrade légèrement la tenue aux chocs. 4. Production d’énergie 4.1 Généralités Le paragraphe 4 décrit les différents types de production d’énergie, tant thermique (excepté nucléaire) que directe (piles à combustible), utilisés et envisagés pour les navires de surface à propulsion électrique. Les paramètres nécessaires à l’établissement d’un avant-projet (puissance, rendement, masse et encombrement) sont analysés pour chacun des principaux producteurs, c’est-à-dire les turbines à gaz, turbines à vapeur, moteurs Diesel et piles à combustible. Le contrôle précis de l’angle d’assiette et de dérive de la nacelle permet d’optimiser le positionnement de l’hélice dans un flux d’eau régulier. Ainsi sont évitées les pulsations de pression sur les pales de l’hélice qui, dans une propulsion conventionnelle, engendrent une cavitation précoce et des vibrations au niveau de la coque. Une attention particulière sera portée aux moteurs Diesel et aux turbines à gaz qui assurent aujourd’hui plus de 80 % de la puissance de propulsion installée. Le pod permet également la suppression de la ligne d’arbre et des bras de chaise qui causent des perturbations dans la régularité du flux d’eau. Dans le cas de la propulsion électrique, la vitesse de rotation des générateurs thermiques n’est plus imposée par la vitesse de l’hélice. Il devient alors possible de choisir des points de fonctionnement plus favorables selon chaque type de machine et de réseau envisagé. Enfin, le bruit induit par la ligne d’arbre et ses paliers est complètement éliminé. ■ Réduction du temps de construction des navires Le concept du pod permet de réduire de façon significative le temps de construction des navires ; en effet : — les nacelles contenant les moteurs peuvent être livrées au chantier naval beaucoup plus tard au cours du cycle de construction que les moteurs de propulsion « conventionnels » ; — l’installation séparée par le chantier, dans le cas d’une propulsion conventionnelle, du gouvernail, de l’appareil à gouverner, de l’hélice, du moteur de propulsion, de la ligne d’arbre et de ses paliers, du palier butée et du tube d’étambot se résument à la mise en place en un seul bloc du pod. Ces gains peuvent entraîner, selon les types de navires, une réduction du temps de construction jusqu’à 20 %, et une réduction des frais d’environ 10 %. Le concept du pod, appliqué, dans un premier temps, à des navires de type brise-glace, connaît actuellement une croissance notable sur les marchés de l’offshore et de la croisière, et s’étendra vraisemblablement à d’autres types de navires tels que les navires militaires, les tankers, les câbliers, les navires de recherche... 3.2.3.2 Cas des navires militaires Les avantages énumérés au paragraphe 3.2.3.1 restent globalement valables. Toutefois les conséquences en matière de discrétion et de vulnérabilité sont actuellement controversées. ■ Discrétion Des bénéfices sont attendus en matière de bruits d’origine hydrodynamiques. Par contre, la filtration des vibrations résiduelles dues au moteur de propulsion risque d’être plus délicate. D 5 610 − 10 La figure 11 présente l’état actuel de la puissance massique des turbines à gaz et des moteurs diesel en fonction de leur puissance. ■ En alternatif La vitesse de rotation est a priori constante et limitée à 3 600 tr/ min dans le cas d’un entraînement direct de l’alternateur et une fréquence du réseau de 60 Hz. Sous certaines conditions, on peut envisager d’ajuster la fréquence du réseau en fonction de la puissance absorbée pour obtenir une meilleure utilisation du générateur. ■ En continu La liberté de choix des vitesses de rotation des machines est plus importante. Celles-ci ne sont plus limitées par les caractéristiques du réseau. Il devient alors possible de réaliser des générateurs plus compacts. De même que pour l’alternatif, on peut envisager de régler la vitesse de rotation des générateurs en fonction de la puissance absorbée. 4.2 Turbines à gaz ■ Les turbines à gaz sont bien adaptées à la production de puissances élevées, de 10 à 45 MW, et sont moins polluantes que les moteurs Diesel du point de vue des rejets en oxyde d’azote (NOx). Les machines à cycle simple permettent d’obtenir des masses spécifiques de 0,6 à 1,5 t/MW et des rendements d’environ 37 % à leur point nominal de fonctionnement. Les derniers développements, récents ou en cours, ont pour objectifs d’augmenter la puissance de ces machines et d’améliorer leur rendement sur toute la plage de fonctionnement. Ce dernier paramètre est probablement le plus important pour la production d’énergie. Les deux voies d’amélioration concernent l’augmentation de la température de combustion et la récupération de l’énergie perdue à l’échappement. Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie électrique Dossier délivré pour Madame, Monsieur 17/09/2008 Dossier délivré pour Madame, Monsieur 17/09/2008 ____________________________________________________________________________________________________________ LE NAVIRE TOUT ÉLECTRIQUE Puissance massique (kW / kg) 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 60 0 97 4 kW /B AU DO kW UI N /W AR -BT 1 1 I8 00 03 TS 40 0 0 IL kW kW AU /M /B D 2 23 AU T 2 48 50 DO U-8 0 0 V k U W kW 39 IN /P 6 /T AX -BT UB I1 M 40 OM AN 0 -V EC 2 AL 56 A , 2 EU 0 12 61 kW R 0 kW / M OD 3 Y NE TU 15 /P 0 kW AXM -16 V AN /W 39 6 -1 AR 3 2V TS 60 P1 3 0 85 68 kW ILA0 kW / M 20 0 V1 3 / W TU 84 8 -1 0 2V kW ART 11 SI /P 63 LA IE 4 -1 LS 92 6V T 0 2 I 5 CK kW 5 20 -1 0 6P kW / CA A T-3 6 /P 6 61 IE 00 6 LS 8 0 V TI 10 16 kW C 0 / M K-1 kW 9 6 TU PA /P 90 -2 6 0 I 0V kW ELS T 11 11 /P IC 63 KIE 88 20 LS 0 kW PA TI 16 C 6B K/W 20 18 0 PC kW ART 18 17 2, SI /S 00 6 55 UL LA0 kW 0 kW 18 ZE V3 R/R /W 8 RT OL AR A8 LS TS 4L -R IL 4 OY A23 23 CE 18 00 0 V SP 00 0 46 kW EY kW 25 -S /R M / 20 GE OL 1C 0 LS kW LM -R 2 /P 48 50 OY IE 60 0 CE LS 0 -W TI kW CK R 21 54 /S -1 8P UL 84 C4 0 kW ZER .2 B -R /M TA AN 84 L1 -K 2 90 M CV 12 0 Puissance sur l'arbre (kW) / constructeur type de machine diesel : grisé ; turbine à gaz : blanc Figure 11 – Évolution de la puissance massique des machines en fonction de la puissance nominale ■ Augmentation de la température de combustion Durant les dernières décennies, les températures d’admission à l’entrée du premier étage de détente mobile sont passées de 800 à 1 300 ˚C. Les rendements, pour des turbines de 20 MW à cycle simple, ont ainsi augmenté de 25 % en 1960 à 35 % voire 38 % à partir de 1990. Les limites de rendement prévisibles, pouvant être obtenues par l’amélioration de la tenue au fluage des aubages et des systèmes de réfrigération, sont proches de 38 % à 42 %. ■ Récupération de l’énergie perdue à l’échappement L’énergie perdue à l’échappement, pour une turbine à gaz à cycle simple, est supérieure à 50 % de l’énergie qui lui est fournie. Plusieurs systèmes de récupération de cette énergie sont en cours de développement. ● RACER « Rankine cycle energy recovery » : l’énergie en sortie de la turbine est récupérée pour produire de la vapeur et alimenter une turbine auxiliaire. ● ICR « Intercooled recuperated cycle » : le rendement thermique de la turbine est amélioré par réfrigération de l’air entre les deux étages du compresseur et récupération de l’énergie à l’échappement afin de préchauffer l’air en entrée de la chambre de combustion. ● ABC « Air bottoming cycle » : ce système permet d’alimenter une turbine auxiliaire en air chaud. ● STIG (*marque déposée) « Steam injected gaz turbine cycle » : une chaudière de récupération de chaleur produit la vapeur injectée en même temps que le combustible dans la chambre de combustion. Ces différents systèmes améliorent le rendement de 10 à 30 %, mais impliquent une augmentation de la masse des équipements installés dans un rapport deux à trois. ■ Les performances des machines les plus récentes sont analysées dans le tableau 1, pour les conditions d’utilisation normalisées (ISO 2314 Gas Turbines Acceptance Tests) : — température ambiante ou d’entrée d’air : 15 ˚C ; — perte de charge et contre-pression nulle sur air comburant/ échappement des gaz. La puissance maximale disponible chute d’environ 1 % pour une augmentation de la température d’entrée d’air de 1 ˚C au-delà de 15 ˚C. Le rendement thermique des turbines à gaz décroît lorsque la puissance délivrée diminue. La consommation spécifique de fioul augmente par conséquent pour des fonctionnements à puissance partielle. 4.3 Turbines à vapeur La masse et l’encombrement de la chaudière (tableau 2), permettant d’alimenter la turbine en vapeur, pénalisent l’utilisation de ce type de machine pour la propulsion des navires. Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie électrique Dossier délivré pour Madame, Monsieur 17/09/2008 D 5 610 − 11 Dossier délivré pour Madame, Monsieur 17/09/2008 LE NAVIRE TOUT ÉLECTRIQUE _____________________________________________________________________________________________________________ Tableau 1 – Caractéristiques nominales de quelques turbines (conditions d’utilisation normalisées ISO) Caractéristique Cycle simple Type de machine LM6000 LM2500 LM1600 ICR SM1C (SM2) WR21 Tableau 3 – Caractéristiques nominales des turbines Pression ........... (bar) 45 60 100 Température ...... (˚C) 450 510 540 Vide .................... (%) 88 – 85 Puissance de sortie de la turbine ... (MW) 22 41 22 Vitesse de rotation ... (tr/min) 3 600 3 600 7 000 5 500 3 600 Puissance sur l’arbre ....... (MW) – 9 000 à 6 000 41,6 25 14,4 17,5 25 Masse ................... (t) 25 45 20 42,7 Encombrement ........................... (m3) 25 41 20 0,198 Masse spécifique ..... (t/MW) 1,14 1,1 0,9 53 Volume spécifique . (m3/MW) 1,14 1 0,9 Consommation combustible . (kg/kWh) 0,3 à 0,37 0,27 – Rendement mécanique ......... (%) Consommation spécifique . (kg/kWh) 41,7 0,203 Masse : militaire/ civile ..................... (t) 33,4/25 Volume de l’enveloppe . (m3) 37 37 0,228 0,228 22/16 12 36 0,235 25,7/16 103,5 65,3 45,7 53,1 89,7 Masse spécifique : militaire/civile ....................... (t/MW) 0,8/0,6 0,94/ 0,7 0,84 1,46/ 0,91 2,5 2,8 3,2 3 4,55 Volume spécifique . (m3/MW) 3,1 Tableau 2 – Caractéristiques des chaudières Caractéristiques Réalisations militaires années 1970 Réalisations militaires années 1990 Réalisations civiles Puissance de sortie de la turbine ............... (MW) 11,5 41 – Pression maximale . (bar) 45 à 85 60 60 Température maximale . (˚C) 450 à 510 510 480 à 540 Rendement théorique .. (%) 70 à 84 91 91 Masse ......... (t) 45 à 60 240 à 280 – Encombrement ........ (m3) 105 à 150 1 000 à 1 200 – La masse spécifique et le volume spécifique actuellement obtenus pour l’ensemble chaudière et turbine sont respectivement de 7 à 11 t/MW et de 13 à 33 m3/MW. L’amélioration de ces caractéristiques ne peut être obtenue que par une réduction de la masse et du volume de la chaudière au détriment de son rendement. Les performances de cette technologie ont peu évolué durant les trois dernières décennies et on n’imagine pas d’améliorations significatives dans le futur. L’utilisation des turbines à vapeur est aujourd’hui réservée aux propulsions nucléaires de navires militaires, sous-marins, porteavions ou à des bâtiments particuliers tels que les méthaniers. On se limitera par conséquent à rappeler brièvement les principales caractéristiques de quelques réalisations navales. Les tableaux 3 et 4 donnent respectivement les caractéristiques nominales de la turbine et les consommations de combustible en fonction de la puissance fournie. D 5 610 − 12 Vitesse de rotation ... (tr/min) 8 000 à 6 000 Tableau 4 – Consommation de combustible (en kg/kWh) pour différentes puissances P délivrées (PCS = 43 890 kJ/kg) Pression ........................ (bar) 45 60 100 Température ................... (˚C) 450 510 540 Vide ................................. (%) 88 – 85 0,1 P 0,34 à 0,41 – 0,29 à 0,35 0,5 P 0,31 à 0,38 – 0,27 à 0,33 0,75 P 0,3 à 0,37 – 0,26 à 0,32 P 0,3 à 0,37 0,27 0,26 à 0,32 PCS : pouvoir calorifique supérieur Tableau 5 – Caractéristiques des différentes catégories de moteurs Diesel Caractéristiques Moteurs lents Moteurs semirapides Moteurs rapides Vitesse de rotation .. (tr/min) 70 à 140 400 à 600 1 000 à 1 300 Puissance délivrée ...... (MW) 10 à 50 6 à 22 3à8 Masse ................................ (t) 250 à 1 000 70 à 100 15 à 40 Masse spécifique ...... (t/MW) 4,5 à 11,7 3à6 20 à 25 4.4 Moteurs Diesel Le tableau 5 donne les principales caractéristiques pour les trois catégories de moteurs Diesel. ■ Outre leur bon rendement, les moteurs lents permettent d’entraîner directement l’arbre d’hélice, mais leur masse spécifique est élevée (20 à 25 t/MW). ■ Les moteurs Diesel rapides sont mieux adaptés à l’application du navire tout électrique. Ils présentent en effet des rendements Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie électrique Dossier délivré pour Madame, Monsieur 17/09/2008 Dossier délivré pour Madame, Monsieur 17/09/2008 ____________________________________________________________________________________________________________ LE NAVIRE TOUT ÉLECTRIQUE supérieurs à 40 % sur toute la plage de fonctionnement comprise entre 25 et 100 % de leur puissance nominale et des masses spécifiques plus faibles. Leurs vitesses de rotation, supérieures à celles des moteurs semirapides, permettent d’utiliser des alternateurs plus compacts. Leur puissance unitaire est limitée à environ 8 MW. Toutefois, pour un navire dont la puissance propulsive installée est de 40 MW, cette puissance unitaire est suffisante pour assurer sa propulsion jusqu’à 60 % de sa vitesse maximale. Leurs masses spécifiques (3 à 6 t/MW) sont plus importantes que celles des turbines à gaz en ICR (2,5 t/MW). Cet inconvénient est compensé par leur bon rendement sur une plage importante de la puissance délivrée, par leur fiabilité et par une bonne adaptation au profil de mission des bâtiments de combat (fonctionnement à vitesse moyenne pendant des durées importantes). Bien que ces moteurs évoluent toujours pour procurer plus de puissance dans une masse et un encombrement plus faibles, la plupart des développements actuels visent à réduire le niveau d’émissions de polluants à l’échappement. Dans le tableau 6, on trouvera les caractéristiques nominales de quelques moteurs Diesel. Types de machines 20V 1163 TB Valenta V18 MCFC SOFC 80-120 190-205 650 800-1 000 Tension par élément ................................ (V) 0,7-0,8 0,7-0,8 0,7-0,8 0,84 Densité de courant normale ...... (mA/cm2) 1 000 à 2 000 200 à 300 200 400 à 500 Puissance prototype ............................. (kW) 250 1 100 2 000 25 Rendement ........... (%) < 50 < 45 < 55 < 55 Masse spécifique ...................... (t/MW) (1) 5 à 10 10 à 20 – – – Volume spécifique ................ (m3/MW) (1) 10 10 – – (1) Les masses et volumes spécifiques ne comprennent pas le système de réformage (production d’hydrogène à partir d’hydrocarbures ou de méthanol). 3616 VEE 1 300 1 540 1 000 8,1 7,4 3 5 – Tableau 7 – Principales caractéristiques des prototypes en cours d’essais PAFC 1 050 39 Le lecteur pourra utilement se reporter à l’article [D 3 340] Piles à combustible de ce traité. PEMFC Puissance sur l’arbre ............. (MW) 43 Les piles alcalines (AFC) sont les plus anciennes et de ce fait les moins prometteuses. Caractéristiques Vitesse de rotation ......... (tr/min) Rendement ............... (%) Les principales familles de piles à combustible sont (tableau 7) : — les piles alcalines (AFC « Alkaline fuel cell ») ; — les piles à électrolyte polymère solide (PEMFC « Proton exchange membrane fuel cell ») également appelé (SPE « Solid Polymère électrolyte » (marque déposée)) ; — les piles à acide phosphorique (PAFC « Phosphoric acid fuel cell ») ; — les piles à carbonate fondu (MCFC « Molten carbonate fuel cell ») ; — les piles à oxyde solide (SOFC « Solid oxyd fuel cell »). Température de fonctionnement ... (˚C) Tableau 6 – Caractéristiques nominales de quelques moteurs Diesel rapides 20PA6B STC 4.5 Piles à combustible Consommation spécifique ........ (kg/kWh) 0,196 0,218 – – Masse ......................... (t) 41 20,5 9,4 30 Volume enveloppe ............... (m3) 60 21 11,8 26,2 Masse spécifique ........... (t/MW) 5,1 2,8 3,1 6 Volume spécifique ....... (m3/MW) 7,4 2,8 3,9 5,2 L’air aspiré est réfrigéré en sortie du turbocompresseur. La température en entrée du moteur dépend donc de celle de l’air aspiré mais aussi de celle de l’eau de réfrigération. En général, les constructeurs garantissent les caractéristiques maximales continues pour des températures jusqu’à 40 ˚C pour l’air et jusqu’à 35 ˚C pour l’eau de mer. Au-delà, la puissance disponible (P) est réduite et la consommation spécifique de combustible (SFC) augmente, mais la limitation des caractéristiques due à une augmentation de la température d’air est bien plus faible que celle des turbines à gaz. Contrairement aux turbines à gaz, les moteurs Diesel maintiennent leur bon rendement sur une plage de puissance importante. Les piles en cours de développement présentent les avantages suivants : — elles sont régies par les lois de Faraday et leur rendement théorique est nettement supérieur à celui des machines thermiques soumises au rendement de Carnot ; — leur temps de montée en puissance est très inférieur à celui des machines classiques ; — leurs niveaux vibratoire et acoustique devraient être bien plus faibles ; — l’absence de rejets nocifs dans l’atmosphère répond aux attentes écologiques. Les développements ultérieurs des piles à combustible, visant à réduire leur masse et volume spécifiques, faciliteront sans doute leur utilisation à bord des navires. Les possibilités offertes par la cogénération piles à combustible/turbines à gaz seront à prendre en compte, à l’horizon 2005/ 2010, notamment en terme de rendement et de production d’eau douce. 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