Innovations maritimes : Stockage d'énergie et logistique des batteries

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La navigation électrifiée gagne du terrain dans le monde. D'ici 2030, les ferries, remorqueurs et cargos électrifiés devraient être évalués à 14,2 milliards de dollars. À condition que la propulsion électrique gagne en popularité, l'importance du stockage de l'énergie et de la logistique des batteries est une priorité pour les entreprises de production d'énergie.

Selon une étude de 2022 axée sur le stockage d'énergie, diverses chimies de batteries lithium-ion sont disponibles, avec des sources pointant vers l'oxyde de lithium manganèse cobalt comme la solution la plus réalisable pour les navires. Alors que la demande de navires électrifiés continue de croître, le besoin d'un approvisionnement durable et fiable en lithium augmente également.

Le premier cargo autonome entièrement électrique au monde a été lancé en Norvège en 2021. Le navire de 80 mètres (262,4 pieds) et 3200 tonnes est alimenté par huit batteries lithium-ion d'une capacité de 6,8 MWh, tirées presque exclusivement par la production d'énergie hydroélectrique.

Un problème clé de la propulsion électrique est le manque d'infrastructure de recharge. Bien que les sociétés de stockage d'énergie aimentTechnique de Stemmann se penchent sur la question, les installations de recharge à quai sont encore rares dans les ports. Mais cet obstacle fait place à une nouvelle méthode de recharge : les bouées motorisées.

Les bouées motorisées qui sont prévues pour être chargées sur des sites éoliens offshore pourraient également être adaptées aux applications d'ancrage. L'option pourrait fournir une alimentation à quai pendant que les navires attendent un poste d'amarrage disponible ou les prochaines instructions de voyage.

Les supercondensateurs et les supraconducteurs sont des technologies de stockage d'énergie qui sont à des degrés divers de développement et de déploiement commercial dans le maritime.

Bien que ces technologies ne soient pas encore utilisées sur les navires, elles sont recherchées comme source alternative de stockage d'énergie pour une utilisation spécialisée en fonction des caractéristiques qui les différencient des batteries. Le stockage d'énergie par supercondensateur n'est pas bien adapté au stockage d'énergie primaire sur un navire, bien qu'il puisse être utile comme complément de demande de pointe, démarrage de moteur ou complément de positionnement dynamique.

HYBRIDE

Les systèmes hybrides peuvent être séparés en deux configurations : hybride série ou hybride parallèle. Les transmissions en série et en parallèle permettent au moteur thermique et au moteur électrique de fournir de la puissance indépendamment ou en conjonction l'un avec l'autre.

Les systèmes hybrides de série ressemblent à la propulsion diesel-hybride, mais ils sont associés à un stockage d'énergie. Les hélices sont entièrement entraînées par des moteurs électriques tandis que les générateurs diesel fournissent à la fois la propulsion et la puissance auxiliaire. Le groupe de batteries peut être chargé par un générateur diesel, une alimentation à quai ou d'autres sources d'énergie naturelles telles que l'éolien, le solaire et l'hydroélectricité. Ces batteries sont chargées pendant les périodes de faible demande de puissance et déchargées pendant les pics de demande de puissance.

Les systèmes hybrides parallèles sont un croisement entre la propulsion conventionnelle et un système diesel-électrique. Les systèmes hybrides parallèles conviennent mieux aux navires utilisant une gamme de demandes de puissance de propulsion. Les candidats idéaux sont les remorqueurs d'assistance portuaire et d'escorte qui nécessitent généralement des moteurs diesel de grande puissance entraînant des hélices de grand diamètre. Tout en aidant au mouvement ou à la rupture des navires océaniques, la puissance de pointe n'est nécessaire que pendant un petit pourcentage du temps de fonctionnement du navire tandis que les opérations restantes sont passées au ralenti ou à faible puissance.

Les systèmes hybrides mécaniques-électriques gagnent en popularité dans le monde entier. En 2018, la Norvège a livré un catamaran hybride diesel-électrique, Vision of the Fjords, qui peut fonctionner à 100% sur batterie.

Washington State Ferries (WSF), le plus grand réseau de ferries des États-Unis, convertit actuellement 16 ferries en systèmes hybrides mécaniques-électriques. Le programme a reçu 1,33 milliard de dollars de subventions et de financements étatiques et fédéraux à ce jour, bien qu'il ait encore besoin de 2,37 milliards de dollars supplémentaires pour être entièrement financé.

Maersk pilote un système de batterie marine de 600 kW à bord du Maersk Cape Town, un porte-conteneurs de 250 mètres (820 pieds) d'une capacité de charge de 4 500 EVP, afin d'améliorer les performances et la fiabilité du navire. Ce navire comprend également un système de récupération de la chaleur perdue, permettant de recharger la batterie à partir de la chaleur perdue.

BATTERIE (TOUT ÉLECTRIQUE)

Les batteries au lithium-ion sont la source d'alimentation la plus populaire des navires tout électriques. Leur haute densité d'énergie et de puissance associée à leur cycle de vie relativement long en font des candidats idéaux pour le transport maritime.

Il existe trois principales chimies de batterie lithium-ion, chacune avec son propre ensemble de caractéristiques préférées. Il s'agit du nickel-manganèse-cobalt (NMC), du lithium-fer-phosphate (LFP) et du lithium-titanate-oxyde (LTO).

La chimie de la batterie NMC comprend la majorité du parc électrique actuel et contient l'énergie spécifique la plus élevée des trois compositions. Les caractéristiques souhaitables des deux chimies supplémentaires sont un cycle de vie prolongé et une stabilité accrue, bien que chacune ait des énergies spécifiques plus faibles.

À Gee's Bend, en Alabama, le ferry de Gee's Bend a été rééquipé d'une batterie lithium-ion à 100 %. Le ferry fonctionne sur deux bancs de batteries de 135 kWh et de nouveaux moteurs à induction de 480 VAC pour la propulsion.

Lorsque les navires opèrent sur de longues distances, les principaux défis liés à l'utilisation de la propulsion électrique par batterie sont le temps sous tension et la capacité de recharge. Par conséquent, la quantité d'énergie pouvant être stockée par les batteries embarquées est limitée. Quelques entreprises s'attaquent à ce problème pour les navires de transport long.

Asea Brown Boveri,EST-FloattechetFleetzeroont chacun développé des systèmes de batterie conteneurisés qui sont renforcés pour l'inversion, les chocs et les forces g rencontrées à bord d'un navire.

L'année dernière,FleetZero a obtenu 15,5 millions de dollars et est à la recherche d'un navire à convertir pour fonctionner sur ses batteries de conteneurs. Le plan de la société est de segmenter les routes maritimes en trajets plus courts, en se concentrant sur les ports plus petits et en utilisant un système de partage de batterie.

BORNES DE RECHARGE

Les navires opérant sur des itinéraires fixes plus courts, tels que les ferries et les remorqueurs, sont optimaux pour un fonctionnement électrique. Ces itinéraires peuvent simplifier les besoins en infrastructure de recharge par rapport aux plus grands cargos. Les batteries peuvent alimenter entièrement les ferries pendant toute la durée de leur voyage, et des itinéraires prévisibles permettent un déploiement efficace de l'infrastructure de recharge à terre.

basé en AllemagneTechnique de Stemmann est une société de stockage d'énergie qui conçoit des systèmes d'alimentation électrique à terre pour les porte-conteneurs et les ferries. Les systèmes sont conçus pour résister aux changements de marée et aux mouvements des navires.

Une autre option de tarification qui vise à faciliter la congestion du trafic dans les ports est les bouées de tarification offshore. Maersk Supply Service et Ørsted ont uni leurs forces pour tester une bouée pilote de charge en 2023. L'essai aura lieu dans l'un des parcs éoliens d'Ørsted en mer du Nord, le prototype de bouée Stillstrom alimentant les navires d'exploitation de services (SOV) et l'équipage. navires de transfert (CTV) opérant à la ferme.

Les bouées de chargement permettent le repassage à froid au mouillage. La réduction globale des émissions dépend de la question de savoir si l'énergie fournie par la bouée provient d'intrants renouvelables tels que le vent ou l'hydroélectricité.

TECHNOLOGIES ÉMERGENTES DE STOCKAGE D'ÉNERGIE

Une technologie émergente de stockage d'énergie non encore déployée commercialement est le stockage d'énergie magnétique supraconducteur (SMES). Initialement envisagé pour les systèmes de nivellement de charge et à terre, à l'échelle du réseau, le SMES est maintenant envisagé pour la puissance pulsée et l'écrêtage des pointes à bord des navires.

Le SMES est constitué d'une bobine supraconductrice qui est refroidie à une température cryogénique lui permettant d'atteindre un état supraconducteur. Le fonctionnement du SMES est basé sur la notion qu'un courant électrique continuera un flux indéfini à travers un système en boucle fermée conduisant l'électricité dans n'importe quel état de charge.

Lors de la charge, le courant circule dans une seule direction et le système de conditionnement de puissance génère une tension positive à travers la bobine pour stocker l'énergie. Pendant la décharge, le système de conditionnement de puissance est modifié pour imiter le système en tant que charge à travers la bobine en générant une tension inverse.

Les systèmes SMES sont capables de réagir rapidement. En quelques secondes, ils peuvent changer de mode de charge à décharge et vice versa, ce qui en fait d'excellents candidats pour la puissance pulsée et l'écrêtage à bord des navires.

Les supercondensateurs contiennent le même niveau de rapidité lors de la commutation entre les phases de charge et de décharge et ils sont sur le point d'arriver sur le marché maritime. Les supercondensateurs stockent l'électricité sous forme d'énergie électrostatique, contrairement aux batteries qui stockent l'énergie par le biais de réactions électrochimiques associées.

Un avantage supplémentaire des supercondensateurs est leur cycle de vie plus long par rapport aux batteries lithium-ion.

Nidec Solutions Industrielles (NIS) travaille avec des concepteurs et des architectes navals pour mettre en œuvre des supercondensateurs à charge rapide pour un ferry tout électrique en France. Le système de Nidec reposera sur 128 supercondensateurs qui seront répartis dans chaque coque du catamaran. Au lieu du système de recharge de batterie traditionnel qui prend plus de 30 minutes à charger, il est prévu que les supercondensateurs de Nidec permettront au ferry de se recharger en seulement 4 minutes.

basé en AllemagneTechnologies du squelettedéveloppe un module de supercondensateur qui a subi des tests de refroidissement par air et par liquide et fait l'objet d'un processus de certification marine.

Il existe cependant des limites à la quantité totale d'énergie que les supercondensateurs peuvent stocker. Cette énergie stockée s'autodécharge également lorsqu'elle est stockée pendant de longues périodes.

Dans l'ensemble, les besoins opérationnels d'un navire dicteront son système de stockage d'énergie spécialisé. Au fur et à mesure que l'électrification et les systèmes de propulsion alternatifs établissent leur présence dans l'industrie maritime, on peut s'attendre à ce que les systèmes de stockage d'énergie continuent de progresser catégoriquement en fonction du type de navire.

Ben Hayden est un résident du Maine qui a grandi dans les chantiers navals du nord du Massachusetts. Sa passion pour la narration est née d'un film indépendant qui mettait en lumière des entreprises, des agriculteurs et des pêcheurs durables tout en remontant la côte du Maine.