Repenser l’économie d’énergie sur un vraquier : Les projets VraquiUS!

VraquiUS1.0 : Récupérer l’énergie des grues

L’équipe VraquiUS 1.0 a étudié les gains énergétiques issus du freinage régénératif des grues. De la même manière qu’une voiture électrique peut récupérer l’énergie du freinage, le système de VraquiUS1.0 peut récupérer l’énergie utilisée pour freiner la descente des cargaisons qui sont chargées et déchargées d’un vraquier.

La figure ci-dessous présente un exemple où la batterie se fait recharger quand la cargaison est descendue, puis déchargée lorsque la charge remonte.

L’équipe a modélisé un système de grues hybrides pour vraquier. Les moteurs de hissage assurent le freinage régénératif. Le montage comprend quatre blocs : charges auxiliaires, génératrices, batterie (65 kWh) et gestion de l’énergie.

Les résultats généraux du projet sont les suivants :

• Dépenses d’investissement (CAPEX): $350 k (équipements seulement)
• Dépenses d’opérations (OPEX) annuelles: $12 k de MDO
• Réductions : 115t CO₂e/année
• Retour sur investissement (ROI): 19 ans, mais 12 ans si la batterie est utilisée aussi pour améliorer la consommation des génératrices au diésel en mer.

Le principal frein reste l’utilisation limitée à 25 jours par an pour obtenir un bon retour sur l’investissement.

Aussi, l’intégration de technologies qui incluent des batteries devient beaucoup plus rentable lorsqu’ils sont intégrés à plusieurs systèmes, car leur investissement peut être réparti sur plusieurs projets. Par exemple, une batterie permet le freinage régénératif des grues, mais elle permettrait aussi d’optimiser le point d’opération des génératrices, de connecter des panneaux solaires et autres sources d’énergie renouvelable, etc.

C’est ce qui a initié le projet VraquiUS2.0, afin de poursuivre les travaux à partir des résultats de VraquiUS1.0 et étudier les options de micro-réseau pour un vraquier.

VraquiUS2.0 : Améliorer l’efficacité énergétique d’un vraquier avec des solutions micro-réseau

VraquiUS2.0 avait pour objectif de conseiller Fednav sur les avantages et contraintes des solutions hybrides et micro-réseau pour des vraquiers.

Qu’est-ce qu’un micro-réseau? C’est un groupe de charges interconnectées (par exemple les lumières, la cuisine, les appareils électroniques, les moteurs électriques, etc.) qui sont alimentées par plusieurs sources d’énergie dans un réseau qui fonctionne de manière indépendante au réseau électrique national.

La figure ci-dessous présente un schéma des différentes sources d’énergies micro-réseau additionnelles considéré par VraquiUS2.0 : des panneaux solaires, une batterie, et une génératrice d’arbre.

Une solution conteneurisée pouvant être déployée et rangée rapidement a été retenue pour donner de la flexibilité au système. Bien que petit par rapport aux panneaux de cales, le toit de l’accommodation est un endroit clé ou l’intégration des panneaux est facile et prioritaire. Cet espace peut comporter jusqu’à 17 panneaux de 420 W alors que les toits des cales peuvent en contenir environ 160.

La génératrice d’arbre quant à elle permet de convertir l’énergie du moteur principal en électricité au lieu d’utiliser les génératrices au diésel qui sont moins efficaces. Cependant, elle ne peut fonctionner que lorsque le navire est en déplacement.

Les résultats généraux du projet sont les suivants :

• Panneaux solaires : Moyenne de 40% d’efficacité
• Génératrice d’arbre: 667 kW (incluant les onduleurs)
• Batterie : 1 MWh
• CAPEX total: $670 k

Les figures ci-dessous aident à visualiser les avantages des différents scénarios étudiés par VraquiUS2.0. La première figure présente les émissions sauvées (en bleu) et l’investissement requis (en orange). La seconde image présente le ratio de réduction d’émissions par millions de dollars (en vert).

Bien qu’un grand nombre de panneaux solaires présente la solution qui permet la plus grande réduction d’émissions de gaz à effet de serre (GES), l’installation seule de la génératrice d’arbre présente la solution avec le meilleur ratio d’investissement (ROI), suivie de la batterie et des panneaux solaires sur le toit de l’accommodation. L’installation de la batterie permet aussi d’éliminer complètement l’utilisation d’une génératrice, rendant le projet plus intéressant d’un point de vue économique.

Conclusion sur les projets passés

Tous les pourcentages de réduction comptent! Pour arriver à réussir la transition énergétique, plusieurs solutions devront être progressivement intégrées et maîtrisées. Les projets VraquiUS1.0 et VraquiUS2.0 illustrent bien le potentiel important des technologies micro-réseau pour dans le milieu maritime pour faire des économies d’énergie et réduire les GES.

Les projets démontrent aussi que l’intégration de certaines composantes de base dans un vraquier (batterie et onduleurs) est une porte d’entrée d’une série de technologies micro-réseau comme le freinage régénératif ou le solaire. Puisqu’ils partagent le même système de base, l’augmentation des coûts est répartie sur les différents systèmes, ce qui les rend plus abordables.

Projets en cours et à venir

Les projets en cours avec les étudiants en génie électrique à l’Université de Sherbrooke incluent l’analyse technico-économique d’un système d’alimentation à quai pour vraquier au Port de Montréal ainsi que la conception d’un vraquier zéro-émission pour atteindre les objectifs de décarbonation du secteur maritime. Nous vous tiendrons au courant des prochains développements dans une publication future!

Hugo poursuit actuellement son doctorat en génie électrique à l'Université de Sherbrooke, au Canada. . Il est également membre du groupe de travail sur l'alimentation à quai de la Commission électrotechnique internationale (CEI) depuis 2022. Son projet de doctorat est réalisé en partenariat avec Fednav et ses recherches portent sur l'électrification maritime, l'alimentation à quai, les navires à zéro émission, les systèmes hybrides et la résolution multi-objectifs.

Pour plus de détails

*Note : ces documents et vidéos ont été entièrement réalisés par les équipes étudiantes au baccalauréat en génie électrique à l’Université de Sherbrooke VraquiUS1.0 et VraquiUS2.0.

^{i : Les montants sont en CAD}

Présentation de l’équipe VraquiUS1.0 (en anglais)

Article scientifique de l’équipe VraquiUS1.0 

Vidéo de l’équipe VraquiUS1.0

Présentation résumée de l’équipe VraquiUS2.0 (en anglais)

Présentation détaillée de l’équipe VraquiUS2.0

Vidéo de l’équipe VraquiUS2.0