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Solutions techniques globales pour ECA environnements complexes

Presentation


NAVIRES ET PROPULSION HYBRIDE

16/12/ 2009

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PROBLEMATIQUE DE L’ HYBRIDATION ET DE LA GESTION D ENERGIE


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16/12/ 2009

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SOMMAIRE / INTRODUCTION Cette présentation ECA a pour but de présenter les enjeux, les architectures et technologies permettant de construire des navires hybrides performants. Les approches décrites correspondent à des projets de navettes maritimes à passagers et au programme DEESSE Sont développés: – Propulsion et mobilité – Puissances propulsives et massiques – Architectures hybrides – Optimisations et rendements – Technologies et composants – Programme DEESSE – Hybridations / Enjeux, technologie et perspectives. ECA EN présente ses capacités et quelques illustrations de réalisations en ELECTRONIQUE DE PUISSANCE ET MOTORISATIONS ELECTRIQUES.


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PROPULSION ET MOBILITE / MANOEUVRABILITE et PILOTABILITE. MOBILITE

La est un élément important dans le design et les choix propulsifs. La disposition propulsive doit donc permettre d’assurer la pilotabilité du bateau dans tous ses modes d’utilisation !

Grande vitesse et moyenne vitesse : On doit pouvoir assurer une route. Classiquement, un propulseur + gouvernail (ou propulseur orientable ou JET) répond à ce besoin.. (Ne pas oublier le besoin propulsion de secours).

Cas particulier du positionnement dynamique: La maitrise du bateau en automatique avec courant et vent nécessite de pouvoir générer 3 paramètres de poussée (Fx ; Fy ; Cz). Pour cela il est donc nécessaire de disposer de 3 réglages de poussée à minima ! (correctement disposés) On notera qu’un JET ou un POD permettent 2 réglages : Poussée et Gisement. Le réglage de la poussée est obtenu : sur une hélice par la vitesse du moteur ou par le réglage du pas (hélice à pales orientables) sur un jet par le réglage de la pelle (et complémentairement par le régime moteur) L’inversion de poussée sur un jet ou sur une hélice est de l’ordre de 1 à 3 sec alors que pour un POD (orientable) une rotation à 90° voir 180° est > 10sec. On a donc les architectures potentielles : - 2 lignes hélice + 1 étrave (exemple Navettes DEESSE ; SIMBA ;..) - 2 JET ou 2 POD ( exemple USV DEM) - 1 JET et 1 étrave (exemple variante USV DEM) - 1 ligne hélice et 2 « propulseur de poupes obliques » - 3 « propulseurs de poupes obliques »

Fonctionnements silencieux (A moyenne ou petite vitesse ?) Une propulsion secondaire électrique (ou hydraulique ou JET ?) est pertinente pour ce besoin. Configurations possibles : -Moteurs électriques accouplés sur ligne d’arbre principale (Bien avec hélice et moins intéressant avec JET qui doit tourner rapidement). - Propulseurs secondaires de poupe (ou d’étrave). La disposition de 2,3,4 propulseurs secondaires dépendra du besoin et des aménagements coques. A noter que cette solution peut être installée sur des bateaux déjà existants. NOTA / L’évaluation des niveaux acoustiques dans les plages 30 à 3000 Hz devra être approfondie en fonction des régimes moteurs et des organes en fonctionnement pour chaque mode. On a intérêt à minimiser les puissances et les vitesses de rotation lors du fonctionnement silencieux. (Voir exemple de courbes en annexe).

Manœuvres et accostage à quai Pour les accostages (AR toute et déplacements latéraux), il faudra bien analyser la disposition , la puissance et le temps de réversibilité des propulseurs secondaires.

Le contrôle et la stabilisation dynamique de la plateforme (en attitude) peuvent demander des actionneurs spéciaux de stabilisation (par exemple barre de stabilisation ; à priori exclu sur nos projets).

Les modes de pilotage (manuel ; télé opéré ; assisté semi auto ; automatique ;..) doivent bien être identifiés. Les niveaux de commandabilité doivent bien être hiérarchisés et bien interfacée avec le réseau ou bus. NOTA/ Pour chaque technologie mise en œuvre, on devra disposer des modèles mathématiques associés.


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CARACTERISATION PUISSANCE PROPULSIVE / TAILLE ET VITESSE NAVIRE ECA GF 27,04,09 NAVIRES et MOTORISATIONS / DONNEES GENERALES INDICATIVES (DEESSE. USV. SIMBA;,,,)

Propulsion à 15 nds kW Propulsion à 12 nds kW Propulsion à 7 nds kW Electrique Propulsion à 5 nds kWElectrique

USV ECA 8 200 100 40 20

15 300 150 30 10

DEESSE 20 450 240 40 18

25 880 460 100 34

3000 2800 2600 2400 2200 2000 1800 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0

Propulsion à 15 nds kW Propulsion à 12 nds kW Propulsion à 7 nds kW Electrique Propulsion à 5 nds kWElectrique 1D BAUDOUIN

PUISSANCE EN KW

NAVIRE ET MOTORISATIONS

0

5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 LONGUEUR EN M

SIMBA 50 3000 1500 300 120

70


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PUISSANCE MASSIQUE DIESELS A CONSOLIDER !


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PUISSANCE MASSIQUE / MOTEURS ELECTRIQUES STANDARDS CaractĂŠristiques des moteurs standards:

Masse kg

Moteur elec asyn Puissance massique

Puissance en KW

Masse

Pmax/Masse

650

112

4

74

600 550

132

7,5

116

160

15

204

500

200

30

435

450 400

250

55

600

54 65 74 69 92

280

75

EN

Hauteur d'axe

Masse Pmax/Masse

350 300 250 200 150 100 50 0 0

10

20

30

40

50

Puissance en kW

60

70

80


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Architecture A1.a / HYBRIDE RAPIDE DETAILLEE Source énergie Extérieure

CV

Stockage/ Accumulateurs +

Gestion Energies

Diesel

Autres utilisateurs

Groupe Générateur Auxiliaires

Sources énergie renouvelable

Diesel

Alterno Démarreur

Alterno Démarreur

Embrayage

Embrayage Moteur Prop. Electrique

Réducteur

CV

CV

Moteur Prop. Electrique

Réducteur

Prop étrave


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Autres architectures / HYBRIDE LENTE Source énergie Extérieure

Autres utilisateurs

Groupe Générateur Auxiliaires

Sources énergie renouvelable

Stockage/ Accumulateurs +

Gestion Energies

Diesel

;…… CV

Diesel

Alterno Démarreur Embrayage-(Inverseur) Réducteur Butée

Embrayage-(Inverseur) Réducteur Butée Moteur Prop. Electrique

CV

CV

Moteur Prop. Electrique

Prop étrave


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OPTIMISATIONS ET RENDEMENTS Exemple:


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EXEMPLE REDUCTEUR INVERSEUR (BAUDOUIN)


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EXEMPLE MOTEUR DIESEL HYBRIDE (STEYR)


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ENERGIE ET STOCKAGE •Energies / Tensions / Gestion énergie - A titre indicatif, on donne la capacité énergétique de quelques techno connues ; ainsi que la masse associée pour une mission de 100 kWh (200 kW pendant 0.5 h ou 50 kW pendant 2 h.)

•NOTA/ Energie solaire et panneaux photo voltaïques : Actuellement la puissance des panneaux photovoltaïques est de l’ordre de 100 W/m2. En conséquence pour fournir 10 kW, il faut 100 m2 (par exemple 20m*5m) ; on récupère par jour une moyenne de 80 kWh (soit l’équivalent de 18 l de gasoil /jour).

•Tensions : Le choix de la tension d’utilisation est très dimensionnant ! pour les moteurs, variateurs et batteries surtout pour les moyennes puissances et la sécurité ! . On peut : .classiquement utiliser du 48 à 72 V cc avec des courants élevés. .pour les moyennes puissances : 400/500 Vcc (à partir du 380 Vac redressé) .versions exotiques : 100/140 Vcc ( engins ECA) ; 270 V ferroviaire ;…. •Module « GESTION ENERGIE » Le module gestion énergie qui assure la régulation de tous ces organes (moteur ; Alternateur ; Sources renouvelables ; Batteries ; Super condensateurs ;..) constitue un module essentiel de l’hybridation à développer et industrialiser.


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LE PROGRAMME DEESSE / NAVETTES MARITIMES “Diesel Electro Engine Ship System Eco-compatible” Eléments clés du projet • •

Optimisation des chaînes propulsives diesel et électriques Nouveaux moteurs/générateurs et variateurs associes (avec optimisation des rendements, silence, souplesse d'utilisation, fiabilité, etc.) • Contrôle commande moderne avec aide au pilotage et diagnostics • Techniques de recharge rapide pour les batteries de stockage • Eco-conception en prenant compte de tout le cycle de vie de la navette Finalités : 1. Assurer une sécurité et tenue de mer adéquate dans des conditions météorologiques caractéristiques du transport maritime (sur chacun de ses sous segments). 2. Permettre aux navettes d’avoir une bonne manœuvrabilité. 3. Respecter le système écologique proche du navire. 4. Minimiser les vagues générées au déplacement des navettes.


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DEESSE / OBJECTIFS DEESSE repose sur la conception d’un prototype d’une capacité passagère comprise de l’ordre d’une centaine de personnes. Ensuite une gamme complète de navettes destinées à différents environnements et possédant des capacités passagères déterminées pourra être déclinée. La plage de vitesses d’utilisation du concept se situera entre 5 et 15 nœuds marins (9 à 28 km/h) et disposera d’une accélération « acceptable » pour les besoins de réduction des temps de trajet. Un prototype sera conçu avec : •une motorisation hybride (diesel / électrique) qui réduira de 20 à 30% la consommation de carburant et d’émissions gazeuses (CO2). •une carène optimisée au niveau de sa forme (pour répondre aux besoins de réduction du jeu de vagues et sécurité) et de ses matériaux (réduction du poids et gestion facilité des réparations en cas de choc). •des systèmes propulsifs spécialement conçus et dimensionnés au plus juste. Le projet DEESSE analysera (sur « papier ») la pertinence de coupler le système de stockage électrique avec des panneaux photovoltaïques afin d’utiliser l’énergie solaire comme source d’énergie additionnelle. Compte tenue des objectifs du programme et des études effectuées, on réalisera un « DEMONSTRATEUR/MAQUETTE NAVIGANTE » permettant de démontrer et évaluer la pertinence des technologies développées. Cette maquette permettra d’intégrer tous les éléments propulsifs en se limitant à 1 seule ligne d’arbre.


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CYCLE D UTILISATION TYPE


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DEESSE / CONSORTIUM

Mettle ECA Baudouin SupMéca


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GAINS EN RENDEMENT ET CONSOMMATION

Réservé


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HYBRIDATIONS

/ ENJEUX, TECHNOLOGIES ET PERSPECTIVES

Pour aboutir à des navires hybrides performants, cette brève présentation a essayé de montrer à la fois: – les enjeux – et l’implication de chaque technologie. Il parait fondamental d’avoir un consortium et des partenariats permettant d’optimiser et développer les outils et les produits . L’expression du besoin est déterminante. Le travail des architectes (naval; propulsion; motorisations; gestion énergie;..) est essentiel. La technologie des motorisations, aujourd’hui mature, doit s’adapter à ces nouveaux concepts. Les sources d’énergie et de stockage ainsi que la recharge associée restent toujours un point névralgique. Les règlementations et certifications devront intégrer ces nouvelles technologies.

A SUIVRE……..

PwP de présentation de l'hybridation  

Présentation d'ECA partenaire du projet Déesse