Techniques

Carburants alternatifs

DUAL FUEL (GNL – GNC – Méthanol)

La technologie dual-fuel consiste à faire fonctionner un moteur thermique avec deux carburants, dont les propriétés physico-chimiques sont différentes en vue de mettre à profit leurs atouts énergétiques et environnementaux respectifs. Elle permet de réduire la consommation ainsi que les émissions polluantes et de CO2.

Le principe consiste à enflammer un carburant à fort indice d’octane (GNL, GNC,…) par un carburant plus réactif comme le diesel. La combustion du carburant principal n’est donc plus initiée par l’étincelle d’une bougie, mais par l’énergie libérée lors de la combustion du carburant réactif, le diesel, utilisé uniquement en phase de démarrage (5 à 10% de la consommation).  Ce mode de combustion permet de faire fonctionner un moteur diesel avec du gaz naturel, sans modification profonde de son architecture. Il faut bien sûr ajouter un système d’injection de gaz en amont du moteur, mais les composants du moteur lui-même (culasse, piston, etc.) peuvent rester inchangés. Il est possible d’obtenir des rendements moteur équivalents à ceux des moteurs diesel tout en respectant les limites d’émissions avec des systèmes de post-traitement largement simplifiés, le gaz naturel étant le carburant principal.

Des systèmes similaires existent pour les combustibles liquides comme le méthanol qui, en dépit d’une température d’auto-inflammation (>455° C) elle aussi trop élevée, présentent des avantages évidents pour le climat ou l’environnement local.

L’acronyme GNL signifie « gaz naturel liquide ». Afin de le rendre liquide pour le transport, le gaz doit être stocké à une température de -162° C. Sous forme liquide, le gaz occupe jusqu’à 600 fois moins de place qu’à son état naturel.

Les évaporateurs gazéifient le GNL et créent les condtions de pression pour que le gaz puisse être utilisé comme carburant dans un moteur.

L’acronyme GNC signifie « gaz naturel comprimé ». Le transport de ce gaz s’effectue à une pression de 200 bar. Le composant reste à l’état gazeux. Le volume du GNC est environ trois fois plus élevé que celui du GNL.

Il doit par ailleurs être pourvu de réservoirs et de tuyauteries spécifiques étant donné que le gaz doit être maintenu à une pression de 200 bar (GNC) ou refroidi à -162 °C (GNL). Ceci implique un investissement supplémentaire significatif et l’évaluation de l’espace disponible sur le navire.

Le prix du GNL et du GNC étant inférieurs à celui du diesel, cela réduit sensiblement les coûts d’exploitation. En fonction de la consommation annuelle en carburant et de la différence de prix entre le diesel et le GNL/GNC, un retour sur investissement est envisageable au terme d’une dizaine d’années.

L’utilisation de méthanol dans un système bicarburant diminue considérablement le montant de l’investissement, mais n’a pas d’effet positif sur le coût du carburant.

Investissement €€€ GAIN OPérationnel €€€
QUALITÉ DE L’AIR + + + Climat En cas d’utilisation de GNL/GNC bio + + +

Hydrogène

Dans le secteur de la navigation, l’hydrogène est utilisé comme stockage d’énergie, au même titre que des batteries, pour alimenter un moteur électrique. C’est dans la pile à combustible, en amont du moteur électrique, que l’hydrogène est recombiné à l’oxygène de l’air pour produire de l’électricité et de la chaleur, ne rejetant que de l’eau.. Il s’agit donc d’un système à zéro émission. Comme dans le cas du GNC ou du GNL, l’hydrogène doit être soit comprimé (200/350/750 bar), soit refroidi (-252 °C) pour être transporté ou stocké. Cela implique un coût d’investissement supplémentaire et la prise en considération de l’espace disponible à bord. Contrairement au GNC et au GNL, qui sont des gaz naturels, l’hydrogène doit être produit. Il s’agit d’un processus très énergivore qui influence également le prix de l’hydrogène. Le degré d’utilisation d’énergie verte dans ce processus détermine l’impact final du système sur le climat.

Investissement €€ GAIN OPÉRATIONNEL Ο 
QUALITÉ DE L’AIR +++ Climat Ο En cas d’utilisation d’énergie verte +++

Carburant de synthèse

Les carburants GTL (Gas to Liquid) sont le résultat d’un procédé synthétique qui transforme le gaz en diesel liquide. Ce procédé peut également être effectué avec du charbon (CTL). Dans les deux cas, la matière première est un combustible fossile. Le même procédé peut par ailleurs être réalisé avec de la biomasse (BTL), auquel cas le cycle du carbone est totalement neutre. Le principal avantage de ces carburants liquides provient du fait qu’ils peuvent être utilisés pour alimenter les moteurs diesel et  être distribués via le réseau de distribution existant. Le prix de ce type de carburant est toutefois légèrement supérieur à celui du diesel traditionnel. Outre le fait qu’ils produisent indéniablement moins d’émissions nocives, le gain principal de ces carburants réside dans leur méthode de production, c’est-à-dire le recours à du gaz naturel ou même du biogaz.

Investissement Ο GAIN OPÉRATIONNEL  
QUALITÉ DE L’AIR + Climat ++ Pour le BTL +++

Biocarburants

On distingue les biocarburants conventionnels (ou de 1ère génération) issus de cultures alimentaires et les biocarburants avancés (ou de 2èmegénération) produits à partir de résidus agricoles, industriels, ménagers, … De par leur mode de production, ces biocarburants produits à partir de biomasse contribuent à la réduction des émissions de CO2. C’est la raison pour laquelle ils sont inclus dans la directive européenne sur les énergies renouvelables. Cette dernière stipule que d’ici 2020, 10 % des carburants utilisés dans les transports devront provenir de sources renouvelables. Pour y parvenir, les fabricants sont obligés d’ajouter une partie de biocarburant à l’ensemble des carburants qu’ils commercialisent. Afin d’atteindre les nouveaux objectifs climatiques (32 % d’énergies renouvelables d’ici 2030), l’UE propose de porter cette part à 14 % d’ici 2030. L’ obligation d’incorporation de biocarburant dans les carburants fossiles permet de répartir le surcout entre les différents acteurs du marché. Si on choisit de se provisionner uniquement avec des biocarburants il y a quand même toujours une surcout.

Le concept d’extensibilité joue un rôle majeur dans la production de biocarburants. L’utilisation de denrées agricoles comme matières premières implique le « sacrifice » de superficies significatives de terres arables pour la production de biocarburants. La Commission européenne restreint par conséquent l’utilisation des cultures pour la production de biocarburants. La même question se pose pour les biocarburants à base de biomasse : existe-t-il suffisamment de sources d’énergie renouvelables efficaces pour obtenir une part de marché réellement significative ?

Investissement Ο Gain opérationnel  
Qualité de l’air + Climat +++

Techniques appliquées au moteur

Dans le moteur

Des ajustements du moteur (diesel) ou une conception bien pensée de ce dernier peuvent avoir un impact majeur sur ses émissions: optimiser la forme de la chambre de combustion, un taux de compression élevé, un système d’injection de carburant optimisé et un profil d’arbre à cames adapté, un système de turbocompresseur optimisé pour un débordement d’air correct et un refroidissement interne des cylindres par fermeture anticipée des soupapes d’admission d’air (cycle Miller).

L’EGR (Exhaust Gas Recirculation) renvoie les gaz d’échappement (refroidis) vers l’entrée d’air, ce qui réduit la quantité d’oxygène dans les chambres de combustion.

La technique d’injection d’eau en émulsion au diesel se traduit par une diminution de la température dans les chambres de combustion.

Malgré tout, en utilisant ces techniques le moteur rencontre ce qu’on appelle le paradoxe des NOX : Plus la température de combustion du diesel est élevée, plus les émissions de NOX sont élevées. Une combustion plus efficace à température plus élevée génère donc plus de NOX. Une combustion moins efficace à températures plus basses génère une plus grande consommation en carburant, donc plus de CO2 et plus de particules de suie (PM).

Investissement  GAIN OPÉRATIONNEL  
QUALITÉ DE L’AIR + Climat +

Post-traitement des gaz d’échappement

La réduction catalytique sélective (RCS) est un procédé chimique qui élimine les oxydes d’azote (NOX) des gaz d’échappement. Un mélange d’urée et d’eau déminéralisée est pour ce faire injecté dans les gaz d’échappement. Le système est sélectif parce qu’il cible spécifiquement les émissions de NOX. Le catalyseur fait partie du système d’échappement qui se trouve derrière le moteur. Le dosage de l’urée assure la réduction ciblée des NOX.

Le filtre à particules diesel (Diesel Particulate Filter, DPF) capture les particules fines (= toutes les particules qui ne sont pas entièrement brûlées pendant le processus de combustion dans le moteur) dans les gaz d’échappement derrière le moteur. Plus le filtre est grand et développé sur le plan technologique, plus il capture de particules de suie; celles-ci étant effectivement piégées dans le système de filtration, ce dernier doit être nettoyé à intervalles réguliers. C’est ce que l’on appelle la « régénération » : les particules fines accumulées sont brûlées dans le filtre (oxydation). Elle peut être réalisée par le biais d’un procédé passif dans le cadre duquel l’oxydation/incinération prend la forme d’un traitement chimique à des températures plus basses. Il peut également se faire de manière active, auquel cas la température dans le filtre augmente jusqu’à > 600° pour assurer une combustion supplémentaire et totale.

La combinaison de ces deux techniques permet d’obtenir la meilleure réduction d’émissions possible pour un moteur diesel classique.

Investissement €€ GAIN OPÉRATIONNEL €€ 
QUALITÉ DE L’AIR +++ Climat +++

Configuration de système de propulsion


Un système hybride alimente le navire par la combinaison de deux sources d’énergie différentes et offre de nombreuses possibilités de configuration. La propulsion à proprement parler est assurée par un moteur électrique. Moins cher et beaucoup plus facile à entretenir qu’un moteur diesel, il ne produit en outre aucune émission localement. L’électricité nécessaire à l’alimentation du moteur électrique peut provenir de tout autre système déjà décrit. : Générateur diesel ou à gaz, avec ou sans système de post-traitement, carburants alternatifs, pile à combustible (hydrogène), batteries ou toute combinaison de ceux-ci. Les avantages et les inconvénients de ces systèmes s’appliquent alors. Quelle que soit la manière de générer l’électricité, la propulsion électrique permet d’adapter à tout moment la puissance délivrée au besoin réel, ce qui permet déjà une certaine économie d’énergie, et partant des réductions d’émissions proportionnelles.

Investissement €€ GAIN OPÉRATIONNEL
L’impact sur lA QUALITÉ DE L’AIR et le climat dépend du système utilisé pour la production d’électricité: de Ο à +++

PROMINENT Longlist

PROMINENT est un projet qui bénéficie d’un financement européen dans le cadre du programme Horizon 2020. Le projet a cartographié le besoin de développement technologique et les goulots d’étranglement en matière d’innovation et d’écologisation de la navigation intérieure.

http://www.prominent-iwt.eu/

Le projet PROMINENT a débouché sur l’élaboration d’une longue liste de technologies permettant l’écologisation de la navigation intérieure.