Fichier technique : Générateurs d'arbres 101

May 16, 2023

2 juin 2023

Yaskawa Environmental Energy / The Switch met en lumière la manière de produire efficacement de l'électricité sur les navires.

Un navire est comme une ville flottante qui a besoin d'électricité pour alimenter ses opérations et ses commodités à bord. Alors comment générer cette électricité tout en étant mobile ? Cette question pose un défi à l'industrie du transport maritime depuis plus de 150 ans, lorsque de nouvelles technologies passionnantes ont été mises au point à l'avant-garde de la nouvelle ère de l'électricité. Avance rapide jusqu'à aujourd'hui, et les défis entourant la production d'électricité à bord des navires ont de nouveau été stimulés. Les nouvelles réglementations de l'Organisation maritime internationale, entre autres nouveaux protocoles, signifient que les armateurs et les opérateurs doivent trouver des moyens de réduire les émissions et de rendre leurs navires plus efficaces.

La propulsion est un domaine évident à examiner pour des améliorations, et les carburants qui l'alimentent. Les générateurs d'arbres jouent également un rôle clé dans le système de propulsion moderne et nécessitent donc également un examen minutieux.

Force motrice

Tout le monde peut visualiser à quoi ressemble un arbre d'hélice et ce qu'il fait, mais qu'est-ce qu'un générateur d'arbre exactement et comment contribue-t-il à réduire la consommation de carburant et les émissions ? Nous sommes de retour à la production d'électricité, mais ces unités, cachées à l'intérieur de la coque, ne sont pas aussi mystérieuses qu'elles peuvent paraître. Les groupes électrogènes autonomes (groupes électrogènes) ont besoin d'une source de carburant externe pour fonctionner et produire de l'électricité, et cela se fait généralement par un moteur diesel auxiliaire séparé du moteur principal du navire.

Les générateurs d'arbre éliminent le besoin de groupes électrogènes et de leurs moteurs auxiliaires car ils se connectent directement à l'arbre d'hélice et produisent de l'électricité en utilisant l'entraînement de propulsion déjà fourni par le moteur principal. C'est pourquoi ils sont appelés générateurs attelés. Les groupes électrogènes peuvent alors être éteints, ce qui permet d'économiser du carburant et de réduire les émissions.

De plus, l'utilisation du plus gros moteur principal à 2 temps de cette manière est beaucoup plus efficace que les moteurs à 4 temps qui alimentent généralement les groupes électrogènes. La société finlandaise Yaskawa Environmental Energy / The Switch a développé un système qui, selon elle, peut réduire la consommation de carburant de 2 à 4 % supplémentaires par rapport aux générateurs à arbre conventionnels.

Le Large Drive Test Center où ils testent toutes les machines PM avant leur livraison aux chantiers navals. Image reproduite avec l'aimable autorisation de Yaskawa Environmental Energy / The Switch

Un peu d'histoire

Les premiers générateurs attelés ont été développés dans les années 1960 et ont pris place à côté des groupes électrogènes qui assumaient la tâche de produire de l'électricité à bord des navires pendant les décennies précédentes.

Ces premiers générateurs attelés constituaient un grand pas en avant et réduisaient le besoin d'utiliser des groupes électrogènes. Mais il y avait toujours un inconvénient majeur - ils étaient directement connectés à la fois à l'arbre de propulsion du navire et au réseau, mais sans convertisseur de fréquence entre les deux.

Cela signifiait que le générateur d'arbre était limité car il ne pouvait faire face qu'à une vitesse constante de la propulsion du navire. Lorsque la vitesse du navire changerait, la fréquence du courant électrique produit fluctuerait, le rendant inutilisable. Et donc le générateur attelé a dû être déconnecté, laissant la place au groupe électrogène pour prendre le relais.

Ce problème de fréquence a été résolu dans les années 1980 lorsque les convertisseurs de fréquence ont été introduits. Le générateur d'arbre a alors pris tout son sens car il pouvait faire face à n'importe quelle vitesse de zéro jusqu'à la vitesse nominale du navire et alimenter une fréquence constante au réseau du navire.

La combinaison conventionnelle d'alternateur attelé et de convertisseur de fréquence peut être utilisée comme seule source de production d'électricité à bord d'un navire ou en complément des groupes électrogènes, réduisant ainsi le besoin de brûler du carburant.

Les générateurs d'arbre peuvent également être utilisés comme source d'énergie pour entraîner l'hélice à très basse vitesse, ce qui est utile lors de l'entrée au port pour économiser sur les émissions. De plus, le système peut être utilisé pour des augmentations occasionnelles de puissance de propulsion jusqu'à 15 % si nécessaire pour percer la glace ou contre de forts vents contraires.

Cependant, malgré ces avantages, il existe des domaines clés où les générateurs attelés conventionnels ne sont pas à la hauteur. C'est là que le générateur d'arbre à aimant permanent The Switch va encore plus loin, apportant des économies qui deviennent de plus en plus puissantes à mesure que les réductions d'émissions se resserrent. Les générateurs d'arbre conventionnels nécessitent toujours un courant pour circuler dans un enroulement de rotor pour créer le champ magnétique, donc il y a toujours une perte d'énergie par la chaleur. Cette perte de chaleur signifie une efficacité de conversion de puissance inférieure, ce qui entraîne une consommation de carburant plus élevée dans le moteur principal.

Attraction permanente

Le générateur d'arbre à aimant permanent utilise des aimants en néodyme. Cela signifie que le champ magnétique peut être créé plus simplement et plus efficacement, sans avoir besoin d'une alimentation externe fournissant un courant au rotor, et ainsi économiser immédiatement sur la quantité de carburant qui doit être utilisée.

Le mécanisme simple signifie également qu'il n'y a presque pas de pièces d'usure, ce qui augmente la fiabilité. Le premier générateur à arbre à aimant permanent a été installé par The Switch en 2014 et, avec plus de 100 en fonctionnement aujourd'hui, pas une seule panne ne s'est produite, selon la société.

Les aimants permanents de ces machines sont également si puissants que l'ensemble de l'unité peut être réduit en taille, pesant généralement jusqu'à 30 à 50 % de moins que les machines conventionnelles.

Les rendements de la génératrice à arbre à aimant permanent sont à l'origine des réductions supplémentaires de 2 à 4 % des économies de carburant, en plus des économies observées dans les génératrices à arbre conventionnelles. Cette réduction s'applique également aux émissions. Sur une durée de vie typique de 20 à 25 ans d'un grand navire, ces économies peuvent entraîner une réduction de 2 millions de dollars des coûts de carburant et éliminer 5 000 tonnes d'émissions de dioxyde de carbone.

Le premier générateur a pris vie en 1831 pour illuminer le sourire de l'inventeur Michael Faraday. Si seulement il pouvait voir jusqu'où cet attrait pour les aimants est venu, car la nécessité de réduire les émissions pousse les ingénieurs à proposer à nouveau de nouvelles technologies passionnantes.

La gamme de générateurs attelés PM fabriqués par The Switch. Image reproduite avec l'aimable autorisation de Yaskawa Environmental Energy / The Switch

Image reproduite avec l'aimable autorisation de Yaskawa Environmental Energy / The Switch

Image reproduite avec l'aimable autorisation de Yaskawa Environmental Energy / The Switch