Propulsion électrique des navires

Depuis l'apparition de la marine à vapeur au début du XIX^e siècle, la plupart des navires de fort tonnage sont propulsés par des ensembles moteur à vapeur ou moteur thermique-hélices ou à roues à aubes accouplés mécaniquement.

En 1838 l'ingénieur Moritz von Jacobi présente le premier bateau électrique à Saint-Pétersbourg^[2],[3].

En 1881 le chimiste Gustave Trouvé fait fonctionner à Paris un bateau électrique à batteries au plomb^[4].

Dès que la technologie des moteurs électriques a permis l'obtention de puissances suffisantes, il est devenu évident qu'un moteur électrique étant beaucoup plus compact (à puissance utile identique) qu'un moteur thermique, l'ensemble générateurs-moteurs électriques est beaucoup plus facile à loger dans la coque d'un navire que de gros moteurs et de très longs arbres d'hélices, et que l'on peut ainsi diminuer les contraintes d'implantation. Siemens revendique la première propulsion électrique en 1886^[5].

L'une des premières réalisations emblématiques de la propulsion électrique en France fut le paquebot Normandie, lancé en 1932, mais cette technique n'eut guère de succès marquant (hormis dans les sous-marins) avant le renouveau de la croisière dans les années 1980. De nouvelles technologies, ayant des applications pour des navires « hors norme », tels les navires de recherche halieutique ou les brise-glace, s'avèrent alors rentables pour les navires de croisière et les chimiquiers.

En 2019, on estime que les bateaux électriques ne représentent que 1 à 2 % des bateaux, en raison d'un prix 30 à 50 % plus élevé^[6].

Après des ferries électriques dans les fjords, en Norvège un premier cargo autonome tout électrique naviguant sur plus de 120 km est lancé en 2021^[7].

Qu'il soit de surface ou immergé (sous-marin), un navire doit être autonome en énergie. Les besoins sont de deux types : la propulsion et les divers besoins techniques et de la vie à bord.

Dans le cas d'une propulsion électrique, un premier système produit une énergie mécanique qui est transformée en énergie électrique par le biais d'un alternateur. Cette énergie électrique est ensuite utilisée pour la propulsion et les besoins du bord (éclairage, navigation, cuisine…).

Les navires de recherche halieutique doivent être silencieux pour pouvoir approcher les poissons. Les avantages recherchés sont une grande souplesse des allures et des modes de fonctionnement silencieux, voire furtifs (usage de filtre actif anti-harmonique). Ce genre de navires étant financé par des organismes d'État, la rentabilité financière n'est pas un critère primordial, ce qui explique qu'ils ont été parmi les premiers à utiliser des technologies novatrices.

La propulsion électrique apporte un meilleur pilotage du couple à l'hélice, qui dans un brise-glace est sujet à de violents à-coups, ce qui n'est pas le cas pour la plupart des autres navires.

Néanmoins, le rendement un peu inférieur, et la capacité limitée de l'électronique de puissance aux surcharges, font que cette solution ne s'est pas généralisée.

La principale justification de la propulsion électrique est le découplage entre la production de l'énergie et son utilisation, qui autorise une plus grande liberté de la répartition des masses et des volumes dans la coque. Un récent aboutissement est l'usage de pods, qui permettent, entre autres avantages, de rejeter une partie de ce volume hors de la coque. Cela permet d'optimiser le volume utile, donc d'augmenter le nombre de passagers, et ainsi de diminuer le temps de retour sur investissement, critère décisif pour l'armateur.

Le bruit et les vibrations à l'intérieur du navire sont réduits, ce qui améliore le confort des passagers. Ces bruits et vibrations sont généralement liés aux lignes d'arbres des hélices dans les navires à propulsion traditionnelle.

La propulsion électrique est aussi un des éléments qui permettent le positionnement dynamique, c'est-à-dire le maintien du navire en position fixe malgré les vents et les courants, sans utiliser une ancre.

Les pods permettent en plus des manœuvres de port plus aisées, affranchissant le paquebot de l'assistance de remorqueurs dans bien des cas. Pour un nombre important d'escales, cela peut représenter des économies non négligeables de temps et d'argent. Permettant également d'accéder à des lieux touristiques plus facilement, ils augmentent néanmoins le tirant d'eau, ce qui peut limiter l'accès à certains lieux.

Les chimiquiers transportent des cargaisons dangereuses, et la propulsion « classique » avec un Diesel deux-temps n'offre pas la sécurité nécessaire : s'il tombe en panne, le navire se retrouve à la dérive jusqu'à ce que la panne soit réparée. Un plus grand niveau de redondance étant requis, certains armateurs ont opté pour une propulsion Diesel-électrique. Le Stolt Innovation, chimiquier de 37 000 tpl lancé en 1996, est le premier à avoir un tel système, qui permettait de plus de réduire la taille de la salle des machines^[8].

Les porte-avions et les sous-marins sont des bâtiments militaires qui utilisent souvent l'énergie nucléaire comme principale source d'énergie. Cependant, les anciens porte-avions français Clemenceau et Foch, l'ex-croiseur Colbert ainsi que le paquebot France ont des chaudières à fioul lourd (ou gazole) alimentant des turbines à vapeur haute pression car ce système est avantageux pour des navires rapides

Le réacteur nucléaire fournit de la chaleur : on le nomme « chaufferie nucléaire ». Cette chaleur est transformée en vapeur haute pression qui actionne des turbines produisant la puissance mécanique nécessaire à la propulsion par l'intermédiaire de réducteurs de vitesse, ainsi qu'à la production d'électricité au moyen d'alternateurs.

Le choix est alors entre propulsion électrique et à vapeur : la vapeur a pour inconvénient une mise en œuvre moins rapide des turbines du fait du délai de mise en chauffe des chaudières et comporte des risques d'explosion de vapeur du fait des fortes pressions. Dans le cas des chaufferies nucléaires l'on ajoutera les risques liés à ce type d'énergie.

Tous les sous-marins militaires à moteur Diesel en propulsion principale en surface sont à propulsion électrique en plongée, car ils nécessitent une capacité de fonctionnement anaérobie, qui est apportée par les moteurs électriques alimentés par une batterie. Ils représentent néanmoins un cas spécial, car le réseau électrique est alors en courant continu, solution presque jamais adoptée pour les navires de surface.

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Le premier navire de charge entièrement électrique est dévoilé en 2021 en Norvège. Le Yara Birkeland (IMO 9865049) relie l'usine d'engrais de Porsgrunn au port de Brevik, distant d'une dizaine de kilomètres. Il dispose d'une capacité de 6,8 MWh, mesure 80 m de long et a un port en lourd de 3 400 tonnes. Il évite le trajet de 40 000 camions par an, équivalent à 678 tonnes de CO₂^[9]. Ce navire devrait à terme d'être entièrement autonome^[10].

Noes :

• Les données mentionnées sont celles du premier de la série.
• Pour les puissances, lorsqu'il est indiqué n×p MW, n est le nombre d'arbres mécaniques et p la puissance unitaire, sinon c'est la puissance totale qui est mentionnée.