SOMMAIRE
Les méthaniers commandés par GAZ de FRANCE aux CHANTIERS de l'ATLANTIQUE auront une propulsion de
type diesel électrique en rupture avec les installations à vapeur du passé. Cette solution présente des avantages multiples qui sont
décrits dans ce document. Ceci a été rendu possible grâce au choix fait par les CHANTIERS d'utiliser la technologie électrique bien
maîtrisée et de faire fonctionner les moteurs au gaz uniquement. Ces moteurs de type carbures à gaz pauvre développés par WARTSILA
sont bien adaptés à ce type de navire et à cette propulsion.
LA PROPULSION ELECTRIQUE APPLIQUEE AUX METHANIERS
- GENERALITES
Les méthaniers ont été, jusqu'à ce jour, propulsés par des installations à base de
chaudières et de turbines à vapeur. Tous les autres navires civils ont abandonné la vapeur pour des installations plus
efficaces utilisant des moteurs diesel principalement.
Depuis une vingtaine d'années, en particulier sur les navires à passagers, la propulsion
a évolué progressivement de la vapeur au diesel direct puis à la propulsion électrique avec de multiples variantes pour la
génération de puissance et la transmission électrique. Dans le domaine des méthaniers, aucune évolution notable du principe
de propulsion n'a été enregistrée, la vapeur restant la règle.
Le passage au diesel électrique sur les navires commandés début 2002 par GAZ de FRANCE aux
CHANTIERS de l'ATLANTIQUE constitue donc une première mondiale et une véritable rupture technologique. Cela a été rendu
possible par l'expérience acquise en matière de propulsion électrique sur les navires à passagers, par les développements de
moteurs au gaz et par les choix techniques faits par les CHANTIERS.
Après un examen rapide des alternatives possibles à la vapeur proposées depuis des
décennies, nous développons, ci-après, les points essentiels suivants :
- raisons du choix de l'électrique,
- schéma de principe de la propulsion,
- le gaz comme combustible principal,
- fonctionnement des moteurs au gaz,
- l'alimentation continue en gaz,
- les modes de replis au diesel oil,
- l'élimination du gaz en cas d'excès, aspects économiques,
- aspects écologiques,
- plans d'installation,
- application à différentes puissances propulsives et tailles de navires,
- les méthaniers du futur.
- LES ALTERNATIVES A LA VAPEUR
Ces alternatives ont été largement décrites dans diverses publications depuis 1990.
Elles se classent en deux catégories principales :
- celles qui privilégient l'utilisation du fioul lourd (HFO),
- celles qui privilégient l'utilisation du gaz comme combustible.
Les différentes solutions font l'objet de nombreuses comparaisons technico-économiques de la part des fournisseurs. Ces
comparaisons ont le mérite d'alimenter les discussions mais aboutissent souvent à des conclusions contradictoires. Elles
pèchent souvent par une approche limitée à la motorisation alors que celle-ci va de pair avec la conception d'ensemble du
navire. Il convient, en particulier, de ne pas oublier les points essentiels suivants :
- Un méthanier doit répondre à des critères hydrodynamiques et à des équilibres. Une machine plus compacte ne
conduit pas systématiquement à des gains équivalents en volume cargaison.
- Les poids ont leur importance (ARCHIMEDE avait raison !).
- L'isolation des cuves doit être adaptée aux besoins en gaz de la propulsion.
- Les coûts des combustibles doivent être ramenés à des choses comparables, c'est à dire à des calories disponibles
dans la même référence (pouvoir calorifique inférieur ou supérieur).
- Stocker du H.F.O. conduit à alourdir globalement le navire et réduit la capacité en cargaison de GNL etc.
- Solutions utilisant du HFO
- Reliquéfaction :
Solution consistant à reliquéfier le gaz évaporé et à renvoyer les condensats dans les cuves. La
cargaison de GNL chargée est totalement livrée. Cela peut paraître une bonne solution, mais :
- Les installations de reliquéfaction ne sont pas éprouvées à la mer et leur consommation
électrique est importante.
- La motorisation est à base de moteurs diesel lents efficaces mais lourds.
- La redondance n'est pas assurée sauf si le navire devient à deux lignes d'arbres.
- Du HFO doit être utilisé, stocké, traité avec un poids important.
- La quantité de gaz reliquéfiée reste relativement faible et, paradoxalement, à limites
dimensionnelles identiques (déplacement en particulier), le volume initial de la cargaison
est plus faible. Le volume livré est aussi plus faible que dans des solutions où le gaz est
le seul combustible utilisé.
- Moteurs diesel bicombustibles
Il s'agit de moteurs fonctionnant en mode diesel c'est à dire avec une injection de HFO et de
gaz. Ceci nécessite que le gaz soit comprimé à 350 bars par des compresseurs adaptés. Cette centrale
de compression est importante et consommatrice d'énergie. Les moteurs (lents ou semi rapides)
reçoivent du HFO et du gaz, combustibles de natures très différentes exigeant des qualités d'huile
différentes. Comme dans le cas de la reliquéfaction, l'utilisation de HFO est une complication.
- Moteurs différents pour le gaz et le fioul
On utilise des moteurs dédiés au HFO, d'autres (moteurs ou turbines à gaz) au gaz. Les problèmes de
qualités d'huile sont résolus. Cependant, compte tenu des variations de quantités de gaz disponibles
entre les voyages en charge et ceux sur ballast, la puissance totale à installer est très supérieure
aux besoins d'où un coût très élevé et les complications liées à l'utilisation de HFO.
- Solutions utilisant principalement du gaz.
Le gaz évaporé naturellement est utilisé pour la propulsion comme dans les installations à vapeur. Le
complément de combustible est apporté en puisant dans la cargaison de GNL pour faire de la vaporisation
forcée.
Le seul combustible est alors le gaz de la cargaison. Un secours par du diesel oil (DO) est assuré, ce
combustible propre pouvant cohabiter (huile de graissage en particulier) avec le gaz dans les mêmes moteurs.
On peut avoir une transmission directe, les "moteurs" (diesel ou turbines à gaz) étant attelés mécaniquement
à la ligne d'arbres ou indirecte au travers d'une liaison électrique comprenant des alternateurs,
convertisseurs et moteurs électriques. Nous avons privilégié la transmission électrique parce qu'elle
présente de multiples avantages aujourd'hui reconnus et décrits dans la présentation ATMA de 1987. En
particulier, elle offre la possibilité d'utiliser des générateurs (turbines à gaz ou moteurs thermiques) à
vitesse constante, ce qui simplifie la marche au gaz.
- Les turbines à gaz et le cycle COGES
Les turbines à gaz utilisées en mode COGES (Co-Gaz-Electric Steam) sont adaptées au problème mais leur
utilisation pour les niveaux de puissance nécessaires sur les méthaniers actuels présente de nombreux
inconvénients :
-
Le rendement doit être amélioré par l'addition d'une récupération avec cycle vapeur et
condenseur sous vide, ce qui nécessite des installations vapeur importantes et essentielles
pour atteindre un rendement comparable à celui des moteurs thermiques qui s'en passent (voir
ci-après).
-
Coût élevé : la puissance nécessaire pourrait être fournie par une seule TAG avec sa
récupération. Or, il est nécessaire d'assurer une redondance par au minimum deux machines
(2x100%).
Une autre solution serait d'avoir 2 x 50 % avec des machines plus petites mais de plus mauvais
rendement propre d'où nécessité d'une récupération plus poussée.
Nous n'avons pas retenu cette solution qui reste un candidat possible pour les très gros
méthaniers.
- Le diesel électrique et les moteurs au gaz.
C'est la solution que nous avons retenue pour les nouveaux méthaniers et que nous présentons de façon
détaillée ci-après.
- POURQUOI DU DIESEL - ELECTRIQUE ?
Les méthaniers sont restés jusqu'à ce jour, des navires propulsés par des turbines à
vapeur. Ce n'est pas faute d'avoir vu fleurir des alternatives nombreuses et variées allant de la reliquéfaction avec
moteur lent aux moteurs diesel avec injection de gaz comprimé à 350 bars. A cela il y avait plusieurs raisons :
- qualités de durée, fiabilité reconnues aux installations à turbines aptitude à consommer à la fois du gaz et du
fioul lourd,
- absence d'expérience avec des alternatives capables de répondre à l'ensemble des critères des méthaniers.
Alors pourquoi le diesel-électrique sur des méthaniers ?
Nous avons proposé cette solution depuis plus de 10 ans parce qu'il s'agit de l'alternative qui offre le plus d'avantages et
fait courir le moins de risques au client.
- Le plus d'avantages :
- consommation énergétique réduite de 30% avec une conception simple (absence de récupération sur gaz
d'échappement),
- adaptation à tous les profils de vitesse,
- ouverture vers les marchés spot,
- redondance supérieure à la vapeur (4 moteurs au lieu de 2 chaudières),
- technologie moderne adaptée aux nouveaux équipages et dont le marché est en pleine expansion,
- pollution divisée au moins par deux,
- ouverture vers des méthaniers à pods,
- etc.
- Le moins de risques :
Le principe retenu est, une fois de plus, d'utiliser des équipements individuellement éprouvés en marine ou à terre
et de les combiner harmonieusement :
- la partie transmission électrique (alternateurs, convertisseurs, moteurs électriques) bénéficie d'une
quinzaine d'années d'expérience marine avec des schémas identiques, elle n'est donc pas nouvelle,
- la génération de puissance qui constitue un point crucial pour cette installation utilise des moteurs
carbures dont le principe a été largement éprouvé à terre. Ces moteurs bénéficient aujourd'hui des résultats
de programmes de recherches tant européens (THERMIE) que nationaux (CEPM) et des technologies les plus
avancées de contrôle : rampe commune Gaz et DO pilote, contrôle individuel de la combustion de chaque
cylindre qui en font des moteurs efficaces, propres et souples d'utilisation. Ils ont été mis au point en
coopération avec WARTSILA, nº1 mondial dans le domaine.
- SCHEMA DE PRINCIPE DE LA PROPULSION