Propulsion électrique sur les Bâtiments de projection et de commandement Mistral et Tonnerre et les nouveaux méthaniers

Principaux avantages pour ces navires et pour les armateurs 01/09/2017
Publication REE REE 2006-3
OAI : oai:www.see.asso.fr:1301:2006-3:19736
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Propulsion électrique sur les Bâtiments de projection et de commandement Mistral et Tonnerre et les nouveaux méthaniers

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Dossier LE NAVIRE TOUT ÉLECTRIQUE.CONCEPTET APPLICATIONS Propulsion électrique sur les m m pBâtiments de projection et p 7pr m de commandement Mistral et Tonnerre et les nouveaux 'han » am méthaniers : principaux avantages pour ces navires et pour les armateurs Mots clés Propulsionélectrique, PropulsionparPOD, NavireLogistique, BPC, LHD,Méthaniers Jean-Philippe CHAIGNOT,Vincent SEKULA APCPower ConversionSAS Après avoir été installée sur des navires de croisière, la propulsion électrique a été adoptée pour les BPC/LHD Mistral & Tonnerre et les nouveaux méthaniers. Quels sont les avantages pour ces navires et pour les armateurs ? Chapitre A - Propulsion électrique pour méthaniers 1. Introduction Les choses avancent vite dans l'activité de transport par méthanier. Les trois premiers méthaniers électriques sont en cours de construction aux Chantiers de l'Atlantique (Alstom Marine), à St-Nazaire et Hyundai Heavy Industries a suivi les traces des Chantiers de l'Atlantique et a obtenu une commande de six méthaniers (plus deux options) équipés de système de propulsion électrique (projet Poséidon). 2. La propulsion électrique est en train de devenir un standard... Pendant des décennies, le dispositif de propulsion était basé sur la technologie des turbines à vapeur qui offraient la possibilité de traiter les gaz d'évaporation en utilisant les chaudières comme producteurs de vapeur. En sefondant sur cette conception généraleet grâceà la tech- nologie des moteurs à deux combustibles (Dual Fuel), APC a adapté le concept de propulsion électrique aux spécificités des méthaniers. La propulsion électrique moyenne vitesse pour méthanier était née. Une autre étape consistera à augmenter le nombre de lignes d'arbre entraînées par des moteurs électriques à faible vitesse et à utiliser des moteurs primaires (prime movers) tels que les turbines à gaz. Cesconcepts figurent déjà dans le manuel de conception de la plupart deschan- tiers navals impliqués dans le domaine des méthaniers. APC a fondé sa solution sur trois axes : . Technologie garantie dans le domaine maritime . Fiabilité . Disponibilité et redondance ESSENTIEL Lesnouveauxsystèmesde propulsionélectriquepermettentde répondrepluslargementauxexigencesdesarmateursenmatière defiabilité,performances,respectdel'environnementet rentabi- lité. Lesnaviresméthanierset lesnaviresmilitairesbénéficient aujourd'huidecesnouvellesavancéestechnologiques. SYNOPSIS Newelectricpropulsion systems allowshipowners'requirements to be morewidelymet in termsof reliability,performance,res- pectfor the environmentandprofitability.Today,LNGshipsand military vessels benefitfrom thesenewtechnologicaladvance- ments. REE N, ï Mars2006 Dossier r LE NAVIRE TOUT ÉLECTRIQUE. CONCEPT ET APPLICATIONS NAVIRES 1GS114- " bt.M 1111, '.GS il.- : Mf :57H71YAGS 't6s $q4 "pfleb Il GS'O'pm, 1 " .1... L Il 1i \'' 1 .1- ,,,, 1 , % t.1; o.a rC"')tt'Mht<*nIll, Iltnv.,a,w !-)r:ttfhjtpt11.1£41'7MW Figure 1. Schéiiia type de iiiontage de la propulsion polir iiiéthanier de taille iiioyenne (160 000 in "). 2. 1. Solution synchrone... Pour ces premiers méthaniers, APC a choisi la solu- tion synchrone qui a été testée sur un grand nombre de navires, en particulier sur les navires de croisière. L'association de moteurs synchrones moyenne puissance et d'onduleurs auto-synchrones (LCI) offre un haut niveau de fiabilité et de souplesse de fonctionnement et garantit un rendement élevé du système de propulsion. 2.2. Absence de filtres... L'architecture 48 pulses côté réseau permet d'alimenter les convertisseurs de telle sorte que soit éliminée la majeure partie des harmoniques habituellement générés par n'importe quel type de convertisseur. Grâce à ce mon- tage spécifique, le taux de distorsion harmonique total est bien en deçà des exigences des sociétés de classification, et ce sans l'utilisation de filtre d'harmoniques. 2.3. Pas de résistance de freinage... En raison de la capacité intrinsèque d'un LCI de ren- voyer l'énergie sur le réseau en cas de " crash stop ", des composants supplémentaires tels que hacheurs, résistances de freinage... ne sont plus nécessaires pour stopper le navire. 2.4. Un dispositif de propulsion simple Le système de propulsion est alors composé d'un moteur de propulsion, d'un transformateur, d'un conver- tisseur et de son système de commande dédié, ce qui en fait une solution très compacte. Simplicité, gain de place et souplesse au niveau de l'agencement de l'équipement électrique constituent des avantages supplémentaires qui sont également importants pour les concepteurs de navi- res et les opérateurs. D'autres dispositifs de propulsion électrique utilisant les moteurs électriques à faible vitesse (actuellement proposés ., , im. .'.'',<,,,!r',,n>'Û; if.<+'\'d-i"':-:--;:':;;gr.\ -"".,,}. "... "_." <, - - 3 Figure 2. Méthaniei- Gaz de Fi-ance Eiiei-gY pendant ses essais en iiiei pour des méthaniers plus grands) ainsi que de nouvelles technologies de moteurs (telles que les moteurs asynchro- nes alimentés par onduleurs MLI) peuvent également être envisagés pour les méthaniers. Quel que soit le montage, la propulsion électrique est en train de devenir un système standard pour méthaniers, au même titre qu'elle est devenue un standard dans le domaine de la croisière. 3. Nombreux avantages pour le méthanier Cette section présentera les avantages fournis par le système de propulsion électrique, indépendamment de l'architecture globale. Les trois principaux avantages sont : 3. 1. Espace à cargaison supplémentaire Un avantage irréfutable apporté par la propulsion électrique est le gain supplémentaire de capacité de char- gement dû à la souplesse d'implantation du matériel à bord. Même si la quantité de composants peut être plus importante dans certaines situations, ces composants sont plus petits et divisés en éléments unitaires faciles à installer à bord. Un exemple direct est la cargaison supplémentaire de 2000 m3 sur un méthanier de 72 000 m3 à l'origine et la cargaison supplémentaire de 4000 m3 sur un méthanier de 148 000 m3 à l'origine. À déplacement de navire égal, la cargaison livrée est plus importante. 3.2. Rendement global Certaines comparaisons restent délicates compte-tenu des différences entre les systèmes de propulsion. Toutefois, quelques grandes lignes directrices peuvent être évoquées comme, par exemple, la différence de ren- dement entre une chaudière (à partir de propulsion par REE No 3 Mars2006 Propulsion électrique sur les Bâtiments de projection et de commandement Mistra et Tonnerre et les nouveaux méthaniers turbines à vapeur) et un moteur quatre temps dont le rendement est supérieur à 30 %. Avec l'arrivée des moteurs à deux combustibles (" Dual-Fuel "), la propul- sion à vapeur va devenir de moins en moins attractive pour les méthaniers compte-tenu des contraintes liées aux gaz d'évaporation. La comparaison entre le rendement du moteur deux temps et celui du moteur quatre temps est plus délicate. Le moteur diesel deux temps à vitesse lente a un rende- ment plus élevé à pleine charge. Par contre, dans de nom- breux cas, en tenant compte de la souplesse d'utilisation des groupes diesel-alternateurs à la charge optimale (juste le nombre nécessaire), la solution moteurs dual-fuel per- met d'obtenir des valeurs de rendement optimales, quelle que soit la charge. Néanmoins, il est important d'inclure le bénéfice de la propulsion électrique dans la chaîne de propulsion com- plète. L'utilisation de FPP au lieu de CPP est un point très important. Le libre choix de la vitesse d'hélice ouvre la voie à l'optimisation du diamètre d'hélice en fonction de la coque et permet de définir la meilleure vitesse de rota- tion au lieu d'utiliser la vitesse de sortie du moteur diesel deux temps comme valeur fixe. L'utilisation d'une FPP et le libre choix de la vitesse de rotation de l'hélice permettent d'augmenter le rendement global de la propulsion. 3.3. Émissions Les réglementations environnementales deviennent de plus en plus strictes et conduisent à la construction de navires " écologiques ". Dans certaines régions comme l'Alaska par exemple, le respect de l'environnement a ouvert la voie à de nouveaux concepts de navires. La figure 4 montre la valeur moyenne annuelle des diffé- rentes émissions. Elle distingue le dioxyde de carbone, les oxydes d'azote, les oxydes de soufre et les particules émises suivant les options propulsives. Le dioxyde de carbone (CO) dépend principalement du type de combustible liquide brûlé, l'oxyde d'azote (NOx) dépend du procédé de combustion, les émissions d'oxyde de soufre (SOx) sont liées au type de combustible et les particules dépendent du dispositif de combustion. Comme indiqué à la figure 4, les systèmes de propul- sion électrique sont ceux qui respectent le plus l'environ- nement en divisant le taux de NOx par trois et en rédui- sant les émissions de CO. 4. Conclusion La plupart des acteurs principaux dans le domaine des méthaniers sont maintenant convaincus par les avantages apportés par les systèmes de propulsion électrique. Plus de vingt navires en cours de construction aujourd'hui Efficiency 2-Stroke Diesel 50...................... 6n .........................................40 DF Ergînès' 30............................................... -' "t' "' 20................... I.r.........................................., ·SteamTurtrines 10 Steam Turbines........................i i o 25 50 75 100 110 PropulsionPower(%) Figure 3. Tableau coimparatif des rendenients entre systèines de proptilsion par turbines à vapelir, iiiotetii-s diesel 2 teinps el solution électrique, 200000 160000 - 120000 - 80 000 >1 10000 0 1 -,, - Lt,- A, , IL ::1)";':)'','flSl'RI';, :',<':r, -,,-, R,-,- A, , - 1 Il, L " M 1-1,-, R,-,- A, , T,, R q- -, 1 1 a:e D ,l D',Iu ? oc ,Die 2"W2eüu 2Düo 1làt 1âü o D .ML ! Stcamturbine Elect.Prop.WithDF Engines 2StLowSpeed Diosel Engine Figzne 4. Éniissions aiintielles (en tonnes).- conipai-aison enti-e la chaudière à i7apeur, les moteiirs diesel 2 tenips et les motezrrs DF. vont être équipés de propulsion électrique. Cela démon- trera la haute fiabilité et le rendement élevé d'un tel sys- tème. Si nous pouvons comprendre qu'il est parfois difficile d'être le premier, une question demeure aujourd'hui : " Qui veut être le dernier à aller dans cette direction ?"11 ", Chapitre B - BPC/LHD Mistral &Tonnerre " Un nouveau vent souffle grâce à la propulsion électrique " 1. Introduction En 1997, la Marine nationale française a décidé de lancer le programme « Nouveaux transports de chalands de débarquement (NTCD) » pour la construction de deux BPC/LHD, Mistral et Tonnerre. Les exigences opération- nelles strictes pour ces navires amphibies en termes d'adaptabilité, modularité, capacité d'effectuer différen- tes missions et capacité opérationnelle améliorée par rap- port aux navires existants, conduisent la DGA et l'état- major de la Marine nationale française à adopter le concept d'un " navire tout électrique " associé à la propul- sion par pod. La décision prise par la Marine nationale française pour REE No 3 Mars2006 35 Dossier LE NAVIRE TOUT ÉLECTRIQUE. CONCEPT ET APPLICATIONS NAVIRES -.'' 3.'.. ...,.'..i4 f .. - -M " " ;. ... " - -.-. . " .' ' . *' t *c. : - - ..41' :'' ?'- A..,. ',1..- -'.'- . -. -.,,,,- " f'-_.,-- Figure 5. BPC/LHD Mistral pendant les premiers essais. les BPC Mistral et Tonnerre, qui figurent parmi les plus gros navires de la flotte, et parmi les plus originaux du point de vue conception, serviront de référence pour les programmes futurs des marines militaires à l'échelle mondiale. Certaines d'entre elles ont déjà pris ou sont sur le point de prendre la décision d'adopter la solution inno- vatrice de la Marine nationale française pour des navires similaires. Cette section de l'article a pour objet de présenter cette architecture de propulsion innovatrice pour les navires de soutien et ses avantages associés pour le fonctionnement des navires ainsi que pour les marines militaires. 2. Vue d'ensemble de la propulsion Le Mistral est le premier navire de guerre à architec- ture tout électrique et équipé de pods orientables. L'architecture de propulsion adoptée par la Marine natio- nale française sur les BPC/LHD est dérivée des systèmes à pods utilisés pour les navires marchands et les navires de croisière. La configuration telle que décrite sur le schéma unifilaire (figure 6) inclut (pour chaque navire) deux pods de 7 MW orientables alimentés par quatre convertisseurs de puissance et leurs transformateurs, un ensemble de filtres d'harmoniques, un système d'entraî- nement à excitation redondante et le système de contrôle global (figure 7). Chaque pod comporte un moteur synchrone à deux enroulements, améliorant ainsi le temps de fonctionne- ment de la propulsion. Chaque enroulement est raccordé à un convertisseur alimenté sous 6,6 kV. Les convertis- seurs sont regroupés dans les salles de propulsion de part et d'autre de la soute de chargement et sont facilement accessibles pour l'entretien courant. Des leviers de trans- mission sur le pont permettent un contrôle précis et sou- ple de l'orientation et de la puissance des systèmes pro- pulsifs. Des modes de commande secondaires et redondants peu- vent être utilisés à partir des modes de commande implantés dans les salles des machines et de propulsion. i] l] 13 h a 0 A a 1 Mm 1 Mm 1 Mm 1 MIR dm-dub à àà 1 \ à 1 y tmma Imm tà ( : 7 - - -,- $ 1 1 .. ')t ()t "X. H''X) X'H. M' " MM M -- " m -- Mffl MM*mtumtttBttt -HB *MiHL XtO1-MB Figure 6 Schéma électri9ue unif laire da système géuératezr et de propulsion des navires BPC/LHD, .---. _o. .. G r< -0 -.i`4:rsx Figtre 7. Schéiiia de principe du POD. 3. Principaux avantages pour les performances du navire et l'armateur Du fait de leur utilisation étendue sur le marché, les systèmes de propulsion électrique offrent des avantages bien connus et démontrés, à savoir : . grande souplesse de fonctionnement . amélioration du rendement global en fonction du profil de fonctionnement du navire . niveaux de bruit et de vibrations réduits . haute fiabilité du système . niveau d'automatisation élevé . coût réduit du cycle de vie . opérations de maintenance réduites . personnel de bord réduit pour l'exploitation et la maintenance . émissions réduites (NOxSOx...) 3. 1. Réduction du coût global La conception du BPC intègre l'ensemble de ces avantages. De plus, la quantité réduite de personnel de bord contribue à une diminution des frais globaux de pro- priété du Mistral et Tonnerre. Le concept tout électrique associé à une propulsion par pod, qui est beaucoup plus simple qu'un système de propulsion conventionnel, REE N, ï Mars2006 Propulsion électrique sur les Bâtiments de projection et de commandement Mistral et Tonnerre et les nouveaux méthaniers permet d'obtenir une productivité identique ou même supérieure avec moins de personnel de bord. Dans l'ar- chitecture tout électrique, le principe d'usine électrique centralisée pour les systèmes de propulsion, le matériel d'exploitation, les sécurités et le système de combat aug- mente la souplesse de fonctionnement, réduit la logisti- que et la maintenance et améliore la disponibilité du réseau électrique, ce qui contribue à une importante réduction des coûts d'exploitation. 3.2. Augmentation de la disponibilité et de la fiabilité En plus des avantages ci-dessus, l'utilisation d'une approche tout électrique augmente également la disponi- bilité technique par rapport aux systèmes conventionnels qui étaient utilisés précédemment comme standards navals. Cela permettra au BPC/LHD d'être appelé à inter- venir avec un préavis très court et d'être disponible sur le théâtre des opérations pendant une période plus longue que les autres navires de guerre. Sa capacité à être main- tenu en mer découle des pratiques en matière civile. La génération précédente des navires logistiques était utili- sée pour passer environ 2500 heures par an en mer. Le BPC doit être en opération au moins 5000 heures en mer par an. 3.3. Performances améliorées L'architecture spécifique de la propulsion du BPC/LHD à base de pods procure des avantages indéniables en termes de temps d'installation et de gain de place à bord. Le prin- cipe du pod permet la livraison de l'équipement pour le système de propulsion, à savoir la ligne d'arbre et le moteur électrique, en fin de processus de fabrication. En effet, même si la coque est terminée, le pod peut être installé. Le temps d'installation du système pod est forte- ment réduit grâce au système " plug and play ". Dans les systèmes conventionnels, le moteur électrique basse vitesse est un important consommateur d'espace. Avec la propulsion par pod, l'installation " à l'extérieur " de la coque permet de libérer de l'espace et d'augmenter ainsi la cargaison. L'autre avantage majeur en termes de performances du navire pour l'armateur est la réelle manoeuvrabilité à faible vitesse offerte par ce système. Cela induit une sécurité accrue pour le déploiement d'hélicoptères et des chalands de débarquement, ainsi que la possibilité de rejoindre les ports avec des moyens limités grâce à une capacité de manoeuvre sans l'aide de remorqueurs (figure 8). 3.4. Principe de solution industrielle testée pour des programmes militaires Le programme BPC/LHD a offert à son équipe d'in- génierie la possibilité de chercher des solutions parmi les technologies civiles émergentes et d'adopter également une philosophie de gestion de projets issue des pratiques .,*e1*,-e-1 ",-kl,, R=L R L 30 noeud F'igiiie 8. Elcenil) le de iiianaiiirabilité du PO [) dans le domaine civil. Le résultat pour l'armateur se traduit par une réduction considérable du coût global du navire en termes de construction et de frais d'exploita- tion. La DGA (Direction générale de l'armement) évalue la réduction des frais d'acquisition à environ 30 % par rapport aux programmes antérieurs. 4. Conclusion La propulsion électrique est devenue un standard pour de nombreux types de bateaux, des navires de croisière aux pétroliers, navires de guerre et navires de recherche océanographique... et continue d'attirer de nouveaux sec- teurs de la marine. Les dispositifs de propulsion disponibles sont variés et s'adaptent aux besoins opérationnels et aux différents profils de navires. Ils offrent tant d'avantages que de plus en plus d'armateurs et de chantiers envisagent cette solution avec grand intérêt. Les deux projets différents traités dans cet article sont le résultat de recherches approfondies pour construire non seulement un navire équipé d'une propulsion électrique, mais encore un véritable navire électrique depuis la conception de la coque en passant par l'architecture pro- pulsive jusqu'à l'optimisation de l'espace de chargement. La R&D en électronique de puissance et dans le domaine du contrôle et des automatismes contribue à la commer- cialisation de systèmes de propulsion de plus en plus performants et compétitifs pour des navires rentables et optimisés. Les auteurs Jean-PhilippeChaignot,ingénieurENSEM(Ecolenationalesupé- rieure d'électricitéet demécaniquehrejointAPCen2003comme responsabletechnico-commercialen chargede l'activitémarine militairedudépartementmarineet offshore, VincentSekula, ingénieurESTA(Eco ! e supéneuredestechniques etdesaffairesl,rejointAPCen 1999commeresponsabletechnlco- commercialenchargede l'activité marinemarchandedudéparte- mentmarineet offshore. REE No' Mars2006 37