DÉCEMBRE 31, 2020

Du carburant pour l'avenir

La réponse est l'hydrogène, mais sous quelle forme ?

Paul Turner, directeur général de CMB.TECH UK, présente une évaluation des options de carburant à faible et à zéro émission de carbone.

Chez CMB, un groupe diversifié de transport maritime et de logistique basé à Anvers, nous achetons déjà des crédits carbone vérifiés pour compenser notre consommation de carbone, à partir de 2020, mais notre vision est de devenir une organisation véritablement sans carbone. La division Technologies de CMB, située au Royaume-Uni, doit relever le défi de développer et d'encourager la technologie nécessaire pour atteindre cet objectif.
En tant qu'entreprise de transport maritime, nous avons examiné les options sans carbone disponibles : systèmes de batteries, gaz naturel liquide ou comprimé (GNL/GNC), biocarburants, carburants synthétiques, ammoniac et hydrogène.

Systèmes de batteries

Les batteries ont été évoquées par certains comme une solution potentielle. Cependant, la puissance nécessaire pour déplacer des navires, même relativement petits, est considérable, et la taille de la batterie et le temps de recharge nécessaire signifient que la propulsion par batterie sera limitée à des voyages relativement courts, à faible vitesse et avec de longs temps de rotation, comme les ferries RORO basés sur des îles du type déjà en service en Norvège.

GNL/GNC

Nous disposons d'un certain nombre de navires prêts à fonctionner au GNL ; toutefois, le GNL est un carburant à base de carbone. Bien que son rapport carbone/hydrogène soit inférieur à celui du diesel, il ne réduit que faiblement l'empreinte des gaz à effet de serre, dont il a été démontré qu'elle est largement compensée par les émissions et les fuites de méthane. Malgré cela, le GNL offre un excellent avantage à court terme du point de vue de la qualité de l'air, car il produit moins d'émissions de NOx et de suie, mais sa contribution aux émissions de gaz à effet de serre varie de modeste à nettement inférieure à celle du diesel. Nous ne considérons pas le GNL comme une solution à long terme au problème du réchauffement de la planète.

Biocarburants

Les biocarburants sont intéressants, ils émettent peu de carbone et sont durables, mais les problèmes liés aux matières premières et à l'utilisation des sols signifient qu'ils ne peuvent pas devenir le principal concurrent sur le marché des carburants marins, même s'ils ont le mérite d'être "prêts à l'emploi" (ils peuvent être utilisés sans aucune modification des moteurs qu'ils alimentent). Les biocarburants seront utiles, notamment dans le secteur de l'aviation, où aucune autre technologie n'est actuellement praticable, mais ils ne sont pas la solution pour le transport maritime.

Carburant synthétique

Comme les biocarburants, les carburants synthétiques sont des carburants prêts à l'emploi, dont la technologie est comprise. Cependant, le carburant synthétique nécessite deux éléments clés pour sa création : l'hydrogène et le carbone. L'hydrogène est l'élément clé porté par le carbone dans un carburant hydrocarboné tel que le méthanol ou le diesel synthétique, et il est relativement facile à produire, car il peut être séparé de l'eau. Mais le carbone doit être capturé à partir du dioxyde de carbone présent dans l'atmosphère, dont la concentration relativement faible rend difficile l'extraction à l'échelle requise. Compte tenu des besoins énergétiques élevés à toutes les étapes de la fabrication, ne devrions-nous pas simplement faire une pause et utiliser l'hydrogène produit à la première étape ?

L'Ammoniac

L'ammoniac est un vecteur d'hydrogène, comme les carburants synthétiques, mais il n'est pas aussi simple à utiliser. Il ne brûle pas tout seul ; il a besoin de diesel ou d'un autre carburant catalyseur. En outre, comme le méthanol, l'ammoniac pose des problèmes d'environnement et de sécurité et doit être manipulé avec précaution ; mais il résout le problème du stockage de l'hydrogène. Il utilise également de l'azote extrait de l'air, qui est beaucoup plus facile à produire en volume que le dioxyde de carbone.

L'hydrogène - l'élément central de tous les carburants

Cet élément est le plus abondant sur notre planète et celui que nous ne pourrons jamais détruire. Lorsque nous utilisons l'hydrogène, nous changeons simplement la façon dont il est stocké. Si nous brûlons de l'hydrogène avec de l'oxygène, nous obtenons de l'eau, H2O, qui peut ensuite être reconvertie en hydrogène par électrolyse. L'énergie est perdue à chaque changement d'état, il n'y a donc pas d'option magique ici, et nous aurons besoin d'une source d'alimentation électrique pour la production d'hydrogène. Le principal et probablement unique inconvénient de l'hydrogène est son stockage : il nécessite beaucoup d'espace par rapport à tout autre combustible, et l'espace peut être précieux.

Comme les trois options de carburant les plus prometteuses découlent de l'hydrogène, c'est l'hydrogène que nous devons produire comme matière première. L'hydrogène est donc la solution. Comment l'utiliser ?

Il est important pour CMB de s'assurer que nous développons les technologies selon une approche progressive et que la bonne technologie est utilisée au bon endroit.

Nous avons commencé le voyage vers l'absence d'émissions en développant des moteurs bicarburants à hydrogène : un moteur diesel fonctionnant à l'hydrogène chaque fois qu'il est disponible, et repassant en mode diesel lorsque l'approvisionnement en hydrogène est rare. Cette technologie a d'abord été appliquée à une série de véhicules routiers allant de la petite camionnette au grand train routier de 60 tonnes. Une fois la technologie arrivée à maturité, nous l'avons appliquée à notre premier navire, l'Hydroville. Le défi pour l'Hydroville n'était pas le moteur, mais le stockage de l'hydrogène. Là encore, il a été relativement facile de développer la capacité de stockage pour que le navire puisse fonctionner pendant une journée de travail complète sans avoir à se ravitailler. Le véritable défi a été de convaincre une industrie sceptique des mérites de l'hydrogène, notamment de ses propriétés inhérentes en matière de sécurité, malgré les inquiétudes à cet égard.

Hydroville, Hydrobingo, Hydrotug

Hydrocat 01 motionblur

L'Hydroville nous a permis de défier l'industrie et de fixer de nouvelles références pour l'hydrogène. L'industrie nous a mis au défi en retour et, grâce à ce processus, nous avons mieux compris comment utiliser les propriétés inhérentes du gaz pour en faire l'un des carburants les plus sûrs qui puissent être utilisés en mer. En matière de sécurité, les trois points sur lesquels il faut se concentrer avec l'hydrogène sont : ventilation, ventilation et ventilation. La flottabilité naturelle du gaz fait le reste.


À partir de l'Hydroville, nous développons maintenant l'Hydrocat, l'HydroBingo (un ferry de passagers pour le Japon) et l'Hydrotug.
Ces projets font évoluer le concept en fonction de la taille des moteurs, pour aboutir à des moteurs capables de produire 2,7 MW.

Ces navires utilisent des systèmes d'hydrogène gazeux avec des pressions de stockage de 350 bars (700 bars, une norme disponible dans le secteur automobile, est actuellement hors de prix pour les navires). Toutefois, ces navires ont également besoin de diesel et ne sont donc pas exempts de carbone. La réduction du carbone est basée sur le ratio hydrogène/diesel, qui peut varier de 50 à 80 %, selon l'application. Cette solution est excellente en attendant de créer une demande de consommation qui permette de développer l'infrastructure de ravitaillement et d'avitaillement.


Hydro Bingo 2020 03

Nous travaillons déjà sur la prochaine génération de moteurs, qui fonctionneront uniquement à l'hydrogène, mais ceux-ci ne pourront être déployés que lorsque l'infrastructure sera mature. Une approche progressive est nécessaire. Encore une fois, ces développements sont menés par des applications terrestres : principalement la production d'énergie mobile, avec laquelle nous pouvons développer la technologie avant de la mettre en mer. Nos premiers travaux ont montré que les moteurs à hydrogène pur peuvent fonctionner à presque n'importe quelle taille, sans aucune émission. En utilisant les propriétés inhérentes de l'hydrogène, nous pouvons développer des moteurs sans émissions de NOx ou de carbone, ce qui permet d'éviter complètement les technologies de réduction catalytique sélective ou de filtre à particules diesel.

Navigation en haute mer

Cependant, même avec ces deux grandes avancées dans la propulsion à l'hydrogène, le stockage reste le facteur qui limite son utilisation. La navigation à courte distance et les voies navigables intérieures sont des contextes idéaux pour l'hydrogène gazeux, la forme la plus simple et la plus sûre de propulsion à l'hydrogène. La navigation en haute mer, en revanche, aura besoin d'autre chose, toujours à base d'hydrogène mais avec un support différent. Le principal candidat est l'ammoniac - certes, il présente des difficultés, mais il peut être produit à un coût réaliste et, en tant qu'industrie maritime, nous savons comment le manipuler. Le candidat suivant, juste derrière, est l'hydrogène cryogénique.

Examinons d'abord l'ammoniac. L'ammoniac doit être maintenu en dessous de -10°C pour rester liquide. Aucun problème ; nous le faisons déjà avec le GNL, et des systèmes de sécurité appropriés ont déjà été mis au point par les flottes chimiques. Mais l'ammoniac a besoin d'une autre source d'énergie pour créer la combustion et, comme pour les solutions à l'hydrogène pour le transport maritime à courte distance, nous pouvons utiliser le diesel comme catalyseur. Nous pouvons également perfectionner les systèmes pour permettre le craquage de l'ammoniac en hydrogène, afin de générer suffisamment d'hydrogène pour former le carburant catalyseur. Ainsi, des moteurs à l'ammoniac pur sont également possibles.

L'hydrogène liquide est également une possibilité. Il a déjà été essayé dans des applications routières, mais le phénomène d'ébullition a conduit à son abandon. Les moteurs de navires, en revanche, ne s'arrêtent presque jamais, et nous pouvons gérer le boil-off pour fournir le gaz nécessaire à la combustion. Là encore, il est relativement facile de mettre au point des moteurs à hydrogène bicarburant ou monocarburant à partir des moteurs à deux temps actuels. La nature cryogénique extrême de l'hydrogène liquide pose toutefois des problèmes de conception, de stockage, d'avitaillement et de sécurité, qui peuvent limiter ses applications.

Nous disposons de la technologie nécessaire pour franchir les étapes de la transition vers le zéro carbone et, s'il en a la volonté, le Royaume-Uni peut et doit passer le plus rapidement possible à un transport maritime sans émissions. Pour atteindre l'objectif fixé par l'OMI pour 2050, une grande partie de notre flotte doit réduire ses émissions de carbone de 50 % d'ici 2030, et tous les nouveaux navires devront être exempts de carbone d'ici 2040.

En tant qu'industrie, nous disposons de la technologie nécessaire. Alors n'attendons pas - l'hydrogène est la solution !

Paul Turner, ingénieur en développement ayant plus de 35 ans d'expérience dans le secteur automobile avant de se lancer dans le transport maritime, est un chef de file du développement de l'hydrogène en tant que carburant à faible teneur en carbone, tant dans les piles à combustible que dans la combustion de l'hydrogène.

Vous pouvez lire l'article original, présenté dans la publication 2020 du magazine The Maritime Foundation, ici.
La Maritime Foundation sensibilise le public à la dépendance du Royaume-Uni à l'égard de la mer et des gens de mer, en suscitant l'intérêt pour les questions maritimes et en apportant aux jeunes des connaissances et des compétences dans ce domaine.