Le transport maritime solaire pourrait supplanter le moteur à combustion

D’après pv magazine Etats-Unis.

Des chercheurs de l’University of California, à Berkeley, et du Lawrence Berkeley National Laboratory ont publié une étude qui se penche sur « the technical outlook, economic feasibility, and environmental impact of battery-electric containerships » (les perspectives techniques, la faisabilité économique et l’impact environnemental de porte-conteneurs électriques à batterie).

Se démarquant des études antérieures sur le sujet, les chercheurs ont classé l’espace occupé par les batteries dans la catégorie des coûts d’opportunité, au lieu de la considérer comme une contrainte technique fixe. Après avoir modélisé un vaste assortiment de tailles de porte-conteneurs ainsi que 13 itinéraires majeurs du commerce mondial, l’étude tend à démontrer que plus de 40 % de la flotte mondiale de porte-conteneurs pourrait être électrifiée « de manière rentable et à l’aide de la technologie existante » d’ici la fin de la décennie.

CTP (Coût total de la propulsion) par type de bateau, longueur de l’itinéraire, prix de la batterie actuel (a) et futur (b) :

Sur le graphique « a » (à gauche), les auteurs montrent la viabilité actuelle de l’électrification des porte-conteneurs, en se fondant sur la taille du bateau et la longueur du voyage. Les zones grises et blanches sur le graphique représentent les itinéraires où l’électrification des porte-conteneurs ferait immédiatement baisser les coûts du transport maritime.

À l’aide des seules technologies disponibles à l’achat aujourd’hui, il est économiquement avantageux d’électrifier presque tous les navires suivant des itinéraires inférieurs à 2 000 km, et l’électrification des bateaux empruntant des itinéraires allant jusqu’à 3 000 km reste viable sur le plan économique.

Le graphique « b » (à droite) prévoit que les baisses de prix « dans un proche avenir » des technologies de batteries devraient environ doubler la viabilité et la distance économiques des porte-conteneurs électriques.

Surtout, ces travaux de recherche démontrent que les porte-conteneurs électriques disposent d’un avantage économique sur le moteur à combustion interne (MCI), même en excluant les coûts environnementaux et les dégâts en termes de santé humaine.

Les différences de CTP sont mises en évidence dans le graphique « a » (MCI) vs. graphique « b » (électrifié) :

Les auteurs y présentent des estimations concernant les dégâts en termes de pollution de l’air et de coûts sociaux des émissions de carbone pour le MCI (à gauche) par rapport aux porte-conteneurs électrifiés (à droite). Les barres grises situées au-dessus dans chaque graphique indiquent que les coûts des dommages engendrés par les porte-conteneurs à MCI sont au moins trois fois plus importants que les coûts du navire.

Si un porte-conteneur électrifié cause lui aussi des dégâts environnementaux, on estime toutefois que la pollution atmosphérique et le coût social liés aux émissions de carbone engendrées par un navire électrique sont 12 fois moins importants que pour un navire à MCI.

Dans un futur où les coûts des grands porte-conteneurs à MCI continueront à augmenter tandis que les porte-conteneurs électriques seront de plus en plus rentables, les auteurs partent du principe que les bateaux à MCI (ci-dessous, à gauche) seront considérablement plus coûteux que les porte-conteneurs électrifiés (ci-dessous, à droite).

Les chercheurs montrent que, au prix actuel des batteries, l’électrification des itinéraires commerciaux inférieurs à 1 500 km est économique et a un impact minime sur la capacité de transport des navires. Et lorsqu’ils intègrent les coûts environnementaux, la distance économique explose pour atteindre 5 000 km.

Pour parcourir 5 000 km de distance, un porte-conteneur nécessiterait environ 6,5 GWh de batteries LFP.

Le coût moyen des batteries lithium-ion a chuté de 89 % depuis 2010, et il devrait atteindre 50 € par kWh dans un futur proche. Avec un prix de batteries de 100 €/kWh, le CTP pour un porte-conteneur électrique à batteries est déjà inférieur à celui d’un bateau équivalent à MCI, pour des itinéraires de moins de 1 000 km. Et lorsque le prix des batteries atteindra 50 €/kWh, ce qui est prévu pour un futur proche, les bateaux électrifiés seront rentables sur des voyages allant jusqu’à 5 000 km.

« La contrainte technique majeure pour le transport maritime électrique à batterie est le volume du dispositif de batterie et du moteur électrique par rapport au volume occupé par les moteurs existants sur le bateau, le stockage du carburant et les machines. Le poids supplémentaire du système SEB, en revanche, n’est pas négligeable pour déterminer les besoins en puissance d’un navire. »

La composition chimique des batteries constitue un autre facteur clé pour la configuration électrique des cargos. Les bateaux qui effectuent des voyages courts et fréquents ont des besoins inférieurs en termes de puissance, mais devront être rechargés rapidement. Ces navires pourraient bénéficier des taux de charge élevés ainsi que des cycles de vie longs des batteries lithium-fer-phosphate (LFP). Quant aux bateaux longs courriers, ils passent déjà plus de temps amarrés dans chaque port, en général bien plus de 24 heures, et pourraient tirer profit du cycle de vie relativement court ainsi que de la densité énergétique élevée des batteries à oxyde de nickel-manganèse-cobalt.

Le Yara Birkeland est un porte-conteneur électrifié autonome de 80 m de long et de 7 MWh pouvant transporter 120 unités équivalent vingt pieds (TEU), qui effectue des voyages de 12 miles nautiques.

Pour les porte-conteneurs « néo-Panamax » (dont les dimensions leur permettent de traverser le canal de Panama), les itinéraires inférieurs à 3 000 km nécessitent actuellement MOINS d’espace pour les batteries et moteurs que le volume actuellement occupé par les moteurs à combustion et les cuves de carburant.

Si ce type de bateau devait parcourir 20 000 km avec une seule charge, les batteries et le moteur nécessiteraient 32 % de la capacité de transport du bateau, soit 2 500 TEU.

« Nous avons conclu que, à mesure que la capacité de transport augmente, le pourcentage total du volume de la capacité de transport occupé par les batteries décroît, car les gros bateaux ont généralement des besoins énergétiques inférieurs par unité de capacité de transport. »

L’infrastructure de charge pour un porte-conteneur effectuant moins de 10 000 km peut être réalisée avec moins de 300 MW. Les porte-conteneurs de 1 000 à 3 000 TEU passent en moyenne 31 heures à faire la queue ou à rester amarrés. Pour les plus gros bateaux, totalisant 10 000 à 20 000 TEU, cela représente en moyenne 97 heures.

Les infrastructures nécessaires pour assurer des capacités de transport aussi considérables sont étonnamment abordables, essentiellement en raison de l’efficacité logistique des ports, dont les postes d’amarrage sont généralement occupés plus de 50 % du temps. À un taux d’utilisation de 50 %, les modélisations montrent que le coût moyen actualisé d’une station de recharge de 300 MW revient à peine à 0,03 €/kWh.

Cette viabilité technique ne serait pas possible sans les améliorations, récentes et en cours, constatées au niveau des batteries, des onduleurs et des moteurs électriques. Ainsi, dans leurs modèles, les scientifiques ont tablé sur un « rendement du réservoir au sillage » du MCI de 50 %, et un rendement du moteur électrique et de l’onduleur de 95 % chacun. Les porte-conteneurs électrifiés sont 80 % plus efficaces que leur équivalent MCI, et utilisent 30 % d’énergie en moins dans l’ensemble.

Pour aller plus loin : 1 gallon (soit env. 3,78 l) de fioul lourd représente environ 150 000 btu, soit environ 44 kWh. Mais étant donné que même le plus efficace des moteurs de navires à combustion interne n’atteint pas un rendement supérieur à 50 %, 1 gallon de fioul lourd ne produit pas plus de 22 kWh de propulsion réelle. La plupart des moteurs électriques modernes, en revanche, affichent désormais un rendement énergétique supérieur à 90 %, et les prototypes les plus avancés approchent un rendement de 99 %.