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“Bah, c’est sale” : gros plan sur la motorisation

La qualité environnementale d’une péniche ne se réduit pas à sa motorisation. Cet aspect est cependant déterminant, c’est donc sur lui que les pages qui suivent se proposent d’apporter quelques informations et pistes de réflexion.

Ces informations sont présentées de façon progressive : en partant du standard actuel (le moteur Diesel avec ses défauts et ses qualité) pour arriver à la solution la plus prometteuse envisageable à moyen terme. Au cours de ce voyage, on vise à gagner en performance environnementale, mais au prix bien sûr du degré de maturité de la solution.

Au-delà de la motorisation, les autres aspects à prendre en compte sont par exemple :

  • l’énergie destinée à d’autres fins que la propulsion (à quai en particulier)
  • les exigences différentes pour des usages autres que le transport de marchandise au gabarit Freycinet (plus de 400 tonnes de frêt, transport de passagers ou bateau de tourisme…)
  • si la motorisation d’une péniche peut partager à première vue certains éléments de solution avec les autres modes de transport (maritime, routier, ferré et aérien), ceux-ci ont bien sûr des contraintes différentes

  • notre moteur entraîne un arbre de propulsion, mais il existe des variantes pour ce qu’on trouve au bout de cet arbre : hélice avec ou sans tuyère, pourquoi pas une roue à aube… certaines motorisations hybrides se partagent cependant le même arbre de propulsion
  • l’avitaillement : comment le carburant, l’électricité ou l’hydrogène sont-ils produits, transportés et distribués jusqu’au navire ?
  • enfin la logistique aval pour la distribution des marchandises doit être réfléchie au même titre que la motorisation (cf le projet FLUDIS)

Commençons donc par le commencement (on a fait l’impasse sur la voile, les rames et le charbon).

Aujourd’hui, le Diesel

Le principe du moteur Diesel est le suivant : du gazole est brûlé avec de l’air, la production des gaz chauds entraîne la rotation d’un arbre moteur.

De nombreux industriels, artisans et utilisateurs savent comment s’y prendre avec un moteur Diesel, c’est évidemment son principal atout : la place est occupée.

À l’échelle de la France, il s’agit d’une flotte de l’ordre de 1000 unités, à l’échelle Européenne, on peut parler de 8000 unités. Sur cette flotte, le taux de renouvellement est très faible, une unité est prévue pour être exploitée plusieurs dizaines d’années. Quand bien même la motorisation sera changée une ou plusieurs fois pendant la vie de l’unité, il sera difficile de changer de concept. Des solutions de migration du 100 % Diesel vers l’hybride voire le tout électrique sont cependant possibles, mais il est préférable que l’architecture du navire soit dès le départ ouverte à l’évolution de la motorisation.

L’évolution de la réglementation Européenne semble être le facteur le plus déterminant dans les réflexions concrètes et décisions effectives d’abandon du moteur Diesel. Cette réglementation des émissions des Engins Mobiles Non Routiers (EMNR) se décline en étapes successives, de plus en plus contraignantes. Ainsi, l’étape EMNR 5, applicable aux moteurs installés à partir de 2019, fixe les limites suivantes (pour une péniche de moins de 75 kW) :

  • CO < 5 g/kW.h
  • HC + NOx < 4.7 g/kW.h
  • PM < 0.3 g/kW.h

En pratique, il semble difficile (voire impossible?) de trouver aujourd’hui sur le marché des moteurs Diesel conformes à ces objectifs. Des projets d’adaptation de moteur de camion existent. Les moteurs destinés aux camions sont des produits qui doivent se conformer à une réglementation dite EURO 6. La difficulté semble être la réticence des constructeurs à prendre en compte le marché fluvial, qui est étroit, dans la définition de produits destinés à être diffusés en grand nombre sur le marché routier (plusieurs centaines d’unités par jour). Exemple de difficulté exprimée : shunter les sécurités routières standards invalide les caractéristiques du produit.

EURO 6 (extraits – attention, ces limites ne correspondent pas exactement aux limites EMNR, ces chiffres permettent juste d’envisager qu’un moteur conforme aux exigences EURO 6 pourrait satisfaire aux exigences EMNR 5):

  • CO < 0.5 g/km < 5 g/kW.h
  • NOx < 0.4 g/kW.h
  • PM < 0.1 et 0.01 g/kW.h en régime permanent et transitoire

Les carburants alternatifs

Certains carburants alternatifs peuvent être considérés comme une solution de transition vers une solution globale satisfaisante. Le développement de ces carburants peut en effet permettre de démarrer la mise en place d’unités de production et de canaux de distribution réutilisables par d’autres porteurs d’énergie (Hydrogène…).

Ces carburants peuvent être d’origine plus ou moins naturelle ou synthétique, compatibles ou non avec le moteur Diesel, issus de l’agriculture, de déchets ou de l’extraction d’hydrocarbures fossiles, disponibles en plus ou moins grande quantités plus ou moins renouvelables, et enfin disposer d’un bilan environnemental plus ou moins vertueux. Ils en existe de nombreuses familles:

  • biocarburants de première ou de deuxième génération, carburants de synthèse (type GTL Gas To Liquid, ou encore du méthane de synthèse ou des carburants liquides de synthèse produits à partir d’hydrogène et de dioxyde de carbone)
  • GNV : Gaz Naturel pour Véhicules
  • GNL : Gaz Naturel Liquéfié
  • etc…

En général, ces carburants affichent de meilleures performances environnementales que le gazole en terme d’émissions à la combustion. Cependant le bilan environnemental du cycle complet n’est pas nécessairement meilleur que le gazole (exemple le rendement négatif des carburants bio de première génération).

Les incitations de l’état (fiscalité, primes…) sont un facteur important d’adoption de tels carburants.

La propulsion électrique

Jusque-là, le couple mécanique qui actionne l’hélice est produit par un moteur thermique.

On franchit une étape importante en entraînant l’arbre moteur par un moteur électrique dont les principaux avantages sont :

  • la suppression totale des émissions (au niveau du moteur)
  • le gain en manoeuvrabilité (mise en route et arrêt, changement de régime)
  • le confort (silence, élimination d’odeurs et de points chauds, télécommande)

L’adoption d’une motorisation électrique plutôt que thermique est un élément de solution clé, mais n’est pas la solution complète. Le complément indispensable à une solution complètement satisfaisante est la réponse au problème du renouvellement et du stockage de l’énergie à bord.

Il n’y a pas de raison pour que l’électrification croissante de la plupart des secteurs de l’économie ne touche pas également le transport fluvial.

Les batteries d’accumulateurs

Le principe des batteries électriques est connu : en charge, de l’énergie électrique est fournie à un accumulateur qui stocke celle-ci sous forme chimique ; en décharge, l’accumulateur restitue cette énergie chimique sous forme d’électricité pour alimenter un moteur électrique.

Les batteries d’accumulateurs sont utilisées depuis longtemps pour le stockage de petites quantités d’énergie. L’extension du principe à des flottes nombreuses et énergivores n’est pas totalement satisfaisant pour différentes raisons :

  • impact environnemental de la chimie et des matériaux nécessaires à grande échelle
  • cycle de vie relativement court avant dégradation significative des performances
  • durée du rechargement
  • poids par unité d’énergie stockée

Toute solution de motorisation électrique inclut a priori des batteries d’accumulateurs. Cependant, la fonction de ces batteries ne sera pas nécessairement d’assurer le stockage de toute l’énergie nécessaire à un trajet en autonomie. La fonction sera plus souvent d’assurer un tampon, une réserve temporaire, afin d’assurer la continuité de l’alimentation du moteur électrique lors des différents transitoires. En régime permanent, l’énergie électrique est fournie au moteur à partir d’une réserve plus grande et basée sur une autre solution que les batteries.

De telles solutions dites hybrides sont opérationnelles. On associe un moteur thermique (Diesel ou autre) avec un moteur électrique, la réserve principale d’énergie étant le carburant du moteur thermique. Les moteurs thermiques peuvent actionner directement l’arbre moteur ou bien constituer des groupes électrogènes.

On peut considérer une telle solution hybride de plusieurs façons :

  • comme une solution pérenne avec son propre équilibre
  • comme une solution qui se suffirait des accumulateurs d’un point de vue technique, mais est associée à un moteur thermique afin de rassurer l’investisseur ou l’exploitant
  • comme une solution de transition en conservant la propulsion électrique, mais couplée à terme à une source d’énergie autre que le carburant avec son moteur thermique

H: hydrogène et piles à combustible

En anglais : fuel cell.

En langage des sigles : PAC.

L’hydrogène comme source d’énergie d’un véhicule allie en théorie les avantages du moteur thermique à combustible classique avec ceux de la propulsion électrique ! Et sans les inconvénients, c’est formidable, non ?

Il n’y a pas que des doux rêveurs : l’alliance Power-to-X investit 1.1 milliard Euro pour faciliter la production d’hydrogène vert et de méthane synthétique.

Une première filière s’appuie sur le principe du moteur thermique. L’hydrogène est le combustible. Cette filière, après des tentatives de développement dans les années 2000, est confrontée à différents problèmes (produit des oxydes d’azote…) et semble aujourd’hui en voie d’abandon au profit de la filière PAC.

La seconde filière (PAC – Pile A Combustible) consiste à oxyder l’hydrogène avec l’oxygène de l’air au sein d’une pile composée de deux électrodes et d’un électrolyte. La pile produit de l’eau et de l’énergie électrique.

Pour tout savoir, perdez-vous sur le site de référence en France (AFHYPAC Association française pour l’hydrogène et les piles à combustible) et suivez l’actualité ici (Association Mission Hydrogène).

La mise en place d’une infrastructure de production, transport et distribution nécessaire à l’avitaillement des navires en hydrogène ne part pas de zéro. La production de l’hydrogène par électrolyse est développées par les compagnies de gaz, car l’hydrogène peut être stocké et transporté via les réseaux de gaz naturel existants. Un très petit investissement est suffisant pour adapter une infrastructure de gaz naturel au transport de l’hydrogène : les pipelines existants peuvent accepter 10 à 20 % d’hydrogène sans aucune modification (ARENA, 2018). Exemples : en septembre 2017, le transporteur de gaz hollandais Gasunie a rejoint le consortium North Sea Wind Power Hub (système électrique en mer du Nord) pour son activité de conversion d’électricité en hydrogène ; voir aussi le projet GRHYD d’un consortium dirigé par Engie.

Pour en savoir plus sur l’électrification croissante de tous les secteurs économiques et sur les perspectives à moyen terme de l’hydrogène :

Allez, un extrait pour refroidir un peu les impatients : pour l’instant, le stockage d’énergie sous forme d’hydrogène n’est pas économique. On espère des économies d’échelle à l’horizon 2030. L’hydrogène doit trouver sa place dans le système énergétique décarboné que vise l’Europe pour 2050.

Quelques liens vers des projets en cours:

  • Surf’n’turf (surtout écoutez la vidéo pour réviser votre accent écossais)
  • Hystock (de l’hydrogène flamand vert)
  • H2future (de l’hydrogène vert à peine plus loin)
  • HyBalance (une béquille de plus pour équilibrer les réseaux électriques)
  • Refhyne (du lourd)

Et des exemples de bus à hydrogène en France: Pas-de-Calais et Pau.

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