 Retour au menu La propulsion diesel électrique des méthaniers Gaz de France Par M. Roger COURTAY, Ingénieur Projets, CHANTIERS de l'ATLANTIQUE 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
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 : Ces alternatives ont été largement décrites dans diverses publications depuis 1990. Elles se classent en deux catégories principales : 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 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 : 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 principe retenu est, une fois de plus, d'utiliser des équipements individuellement éprouvés en marine ou à terre et de les combiner harmonieusement : 
Son entraînement se fait au travers d'un réducteur à 2 entrées et sortie unique. L'utilisation d'un réducteur mécanique a été retenue (contrairement aux navires à passagers qui ont des moteurs électriques "lents" à attaque directe) pour deux raisons : Les convertisseurs de fréquence de type synchro convertisseurs sont classiques et largement éprouvés. La production électrique est assurée par quatre groupes électrogènes identiques avec moteurs en ligne de type 6L 50 DF fournis par WARTSILA et dont le fonctionnement très particulier est décrit au paragraphe 6. Ces moteurs sont alimentés en gaz à basse pression (5,5 bars relatifs) à partir du gaz prélevé sur la cargaison de GNL : Pour pouvoir introduire des moteurs thermiques dont le rendement thermique est très supérieur à celui des cycles vapeur, nous avons volontairement rompu avec les errements du passé qui consistaient à vouloir brûler du HFO en complément du gaz d'évaporation. Ne brûlant que du gaz, les problèmes de qualité d'huile disparaissent, il n'y a plus de stockage de HFO ni d'installation de traitement. Plus de soutages car le combustible est la cargaison. Ceci conduit à des gains de poids importants car le GNL a un pouvoir calorifique (calories / tonne) élevé. Ce choix conduit à une augmentation du volume de cargaison livrée même si une faible partie (de l'ordre de 1 %) est consommée en plus de la vaporisation naturelle. Ce choix est aussi justifié économiquement par une comparaison des dépenses de combustible annuelles. Contrairement aux idées reçues, le prix de la calorie gaz est tout à fait comparable à celui de la calorie HFO et parfois inférieur. Des économies importantes résultent alors de la réduction drastique des calories consommées. Nous donnons au paragraphe 10 le résultat de ces comparaisons basées sur plusieurs comparaisons de navires de différentes puissances et tailles. Les moteurs utilisés sont des moteurs semi rapides 4 temps de type WARTSILA 50 DF (Dual Fuel). Ces moteurs sont dérivés du moteur 46 dont l'alésage a été porté de 46 à 50 cm pour réduire à 10 % le niveau de convertisseurs par rapport au moteur fioul. Les moteurs peuvent fonctionner en mode diesel avec du combustible liquide (diesel oil). Ils sont donc pourvus de tous les équipements classiques correspondants (injecteurs, pompes à injection) pour une marche à 100 % de leur puissance au D.O. Ils peuvent aussi fonctionner selon un cycle d'OTTO en mode carburé avec gaz pauvre. Dans ce cas, le mélange air / gaz est comprimé et l'allumage en fin de compression se fait par une petite injection dite pilote de D.O représentant environ 1 % de la consommation d'énergie du moteur. Le transfert d'un mode de fonctionnement à l'autre se fait sans réduction de puissance. En mode gaz pauvre, on obtient de bonnes caractéristiques de rendement et de pollution. Cependant, aux plus fortes charges, la fenêtre de richesse air / gaz entre les limites de cognement (allumage anticipé non contrôlé) et de non allumage est très étroite. En conséquence, on doit utiliser un contrôle électronique du débit de gaz et de l'injection pilote pour réguler la combustion cylindre par cylindre. Ce contrôle électronique optimise la combustion et les performances de chaque cylindre quelle que soit la qualité du gaz et les conditions ambiantes (pression, température ..). Le méthane est un excellent combustible pour les moteurs DF. La principale variation de qualité gaz en cours de voyage est la teneur en azote qui réduit le pouvoir calorifique. Cette teneur peut atteindre 30 % en volume en début de voyage en charge. Ceci ne constitue aucun risque pour le moteur qui, avec l'air comburant, consomme déjà ce gaz inerte en grandes quantités. La seule conséquence est une demande d'un volume supérieur du mélange gaz/azote. Des essais réalisés avec de tels mélanges ont montré que cela ne conduit à aucun convertisseur supplémentaire. Les fluctuations en teneur d'azote sont automatiquement réglées par la régulation propre du moteur qui, en fonction de l'appel de puissance, règle les quantités de calories et d'air sans que la richesse du combustible doive être mesurée. Une autre caractéristique du gaz susceptible de varier est l'indice de méthane du fait d'une concentration en gaz lourds (C2 - C3...) en fin de voyage sur ballast. Des essais ont été réalisés avec des teneurs extrêmes montrant un bon fonctionnement avec de telles qualités de gaz. Les moteurs sont pilotés et contrôlés électroniquement. Toute anomalie lors de la marche au gaz conduit automatiquement à un basculement en mode diesel au D.O sans chute de puissance. Le fonctionnement des 4 moteurs en parallèle est classique. Le démarrage et l'arrêt des moteurs et leur couplage au réseau se fait automatiquement en fonction des demandes de puissance. Le navire fonctionne essentiellement au gaz. Il faut donc adapter en permanence la production à la demande des moteurs en maintenant une pression constante dans le collecteur d'alimentation. La demande est variable en fonction de la vitesse navire, le gaz évapore naturellement de la cargaison est également très variable en fonction du chargement des cuves. L'adéquation production / demande est assurée par l'utilisation d'une vaporisation forcée à partir de GNL puisé par des pompes dédiées placées dans les cuves. Ceci doit être réalisé en respectant les pressions limites des cuves. La logique et les moyens utilisés sont différents de ceux utilisés sur les navires à vapeur. L'ensemble des dispositifs d'alimentation en gaz ainsi que plusieurs autres particularités de ce navire sont protégés par des brevets. Comme indiqué précédemment, les moteurs type DF peuvent marcher à 100% de leur puissance au gaz avec 1% de D.O. pilote ou à 100% au D.O. Cette marche au D.O. est utile pour assurer un secours en cas d'anomalies dans le fonctionnement d'un ou de plusieurs moteurs. Elle permet également la marche du navire en cas d'absence de gaz : navire au convertisseurs, avant ou après travaux sur cuves etc. Le D.O. stocké est donc limité aux besoins estimés pour ces marches en secours, les besoins permanents pour le D.O. pilote étant très faibles. Le passage au D.O. est automatique et se fait sur un cycle moteur (2 tours). Il ne concerne que le moteur en défaut. Ce passage se fait également automatiquement en cas de détection gaz dans un compartiment. A noter que les moteurs démarrent en mode diesel au D.O. avec passage automatique et progressif au gaz. En cas d'excès de production naturelle de gaz par rapport à la demande de la centrale électrique, la pression des cuves monte et déclenche la mise en route d'un incinérateur de gaz, équivalent de la déverse au condenseur sur les navires à vapeur avec cette différence qu'on évite les chaudières et le cycle vapeur. La température des gaz rejetés respecte les limites réglementaires. L'incinérateur est dimensionné pour brûler l'évaporation maximale attendue. Pour pouvoir comparer des solutions entre elles, il y a plusieurs aspects à examiner : Ce prix de revient dépend de la taille du navire et des puissances installées. Les solutions modernes ne sont pas nécessairement plus coûteuses que les solutions traditionnelles car : Pour le projet considéré avec une puissance limitée, nous n'avons pas constaté de surcoût. Ceci restera à vérifier sur des plus grosses puissances. L'expérience seule permettra de faire des comparaisons. L'installation électrique est à entretien réduit compte tenu de l'expérience acquise. Seuls les moteurs au gaz pourraient à priori entraîner des surcoûts d'entretien s'ils fonctionnaient au HFO. Or, l'expérience en centrale thermique de moteurs au gaz est bonne et l'utilisation du gaz comme combustible unique devrait conduire à une réduction des usures et de l'entretien. 
Ces comparaisons ont porté sur plusieurs tailles de navires et sur plusieurs distances. Nous en avons déduit des relations simples pour des navires à membranes à épaisseur d'isolation standard. Ces relations sont peu dépendantes de la taille et de la puissance du navire. Le coefficient K en annexe 2 donne le rapport des dépenses totales combustible annuelles entre les propulsions vapeur et diesels-électriques pour le même navire (même capacité, vitesse, niveau d'isolation). Ce coefficient dépend des coûts des combustibles gaz et HFO exprimés respectivement en $ / Mill Btu et en $ / tonne. Par exemple : pour les prix actuels : GNL CIF à 3 $ / Mill Btu HFO à l30$/t K=l,34 Pour un prix FOB de 2 $ / Mill Btu K= 1,71 Avec des propulsions efficaces du type diesel électrique, des économies considérables peuvent être attendues allant de 30 à 70 %. Pour connaître le gain effectif, il faut calculer la dépense annuelle dans l'un ou l'autre des modes de propulsion. Ces gains peuvent aller de 1 Mill $ pour un navire de taille moyenne type G.D.F. (74 000 M3) à 3 Mill de $ / an pour un gros navire de 145 000 M3. Ce résultat est obtenu en utilisant uniquement du gaz injustement considéré comme un combustible "cher" faute d'avoir fait des comparaisons complètes. Habituellement, les navires sont définis à partir de certaines limites imposées par l'armateur : longueur, largeur, tirant d'eau, déplacement etc. Ce fut le cas pour le navire étudié pour GDF qui avait des limitations strictes, compte tenu des terminaux desservis. Une des retombées du diesel électrique est qu'on évite du stockage de HFO, ce qui conduit à des réductions de poids "morts" importantes. Sur des gros navires, le poids de HFO peut atteindre 3 000 t. Potentiellement, un navire à propulsion électrique peut donc recevoir une cargaison supplémentaire équivalente soit environ + 7000 m3 si le poids machine n'est pas accru, ce qui est vérifié avec des installations étudiées correctement. Bien entendu, une partie de cette cargaison servira à la propulsion et le solde dépendra de la durée du trajet. Il sera d'autant plus élevé que le trajet sera court. Il reste positif même sur des trajets longs. On peut donc affirmer que, paradoxalement, on consomme uniquement du gaz et on en livre plus. Ceci apporte à l'armateur des revenus additionnels qu'il est possible de valoriser pour chacun des projets, le principal paramètre étant la distance entre terminaux. Dans le cas des méthaniers GDP, nous avons gagné environ 3 % de capacité du fait de l'adoption du diesel électrique. D'autres gains comparables ont été obtenus par le choix de l'isolation type CS1. Les rejets atmosphériques des gaz de combustion polluent sous trois formes : On peut donc dire qu'il s'agit d'une installation propulsive écologiquement propre. Ce navire est innovant et il a fallu adapter les règlements existants tout en respectant les grandes règles de sécurité en matière de gaz. Ces adaptations ont été faites par un travail en commun du BUREAU VERITAS, des CHANTIERS et du motoriste WARTSILA. Comme pour les navires à turbines, le gaz combustible chemine vers la machine dans des collecteurs à double enveloppe avec ambiance surveillée. Les moteurs sont dans deux compartiments séparés, étanches. Toute détection de gaz entraîne le basculement des moteurs en mode DO et, si le taux est trop élevé, un arrêt total des moteurs concernés. Les moteurs sont conçus avec des moyens de surveillance propres et des sécurités qui ont été approuvées. Les principes de la propulsion électrique sont très généraux et s'appliquent à tous types de navires. Le méthanier est une application particulière avec des moteurs adaptés au gaz. Il est également particulier du fait de la présence d'un réducteur et de la production continue de gaz ainsi que de l'incinération directe du gaz en excès. Le schéma de principe retenu est totalement transposable à d'autres puissances en jouant sur le dimensionnement de la centrale de production et de la transmission électrique. Nous avons les dimensionnements correspondants jusqu'à 30 MW. Ils seront du type membranes et à propulsion électrique qui remplacera progressivement la vapeur quand les armateurs auront pris conscience des avantages à en tirer et que la démonstration sera complète. En fonction des puissances et de la taille des navires, il pourra être fait appel à des turbines à gaz moyennant le retour de la vapeur et des complications qui en résultent (COGES). Cette solution devrait être marginale. Pour les très gros navires actuellement envisagés, deux lignes d'arbres pourraient être retenues pour une redondance totale de la propulsion et aussi parce que cela permettra un gain d'échelle avec des navires plus rapides et plus gros, donc moins de navires pour une chaîne donnée et des économies sur le coût du transport. Enfin, les pods devraient faire leur apparition. La propulsion électrique est un excellent compromis entre les diverses exigences des navires méthaniers. Elle apporte un bond considérable dans les domaines des rendements donc des dépenses combustible et de la pollution. Cette solution est appelée à connaître un grand développement très rapidement. Retour au menu |