Les innovations de la propulsion vélique dans la navigation maritime

En mars dernier, nous avons pu voir le monde s’arrêter avec le porte-conteneurs Ever-Given dans le canal de Suez. Ce blocage a pu révéler des enjeux économiques importants. Avec les milliers de porte-conteneurs qui naviguent dans les océans du monde entier, les risques ne sont pas seulement économiques mais également environnementaux. Aujourd’hui, 90% des échanges commerciaux internationaux se réalisent via la marine marchande. Le transport maritime est le deuxième secteur le plus émetteur de dioxyde de carbone dans le monde après la production d’électricité. Avec plus de 25% des émissions de CO2, le transport de fret est en constante augmentation.  De nouvelles technologies apparaissent pour réduire les émissions de CO2, notamment via la propulsion vélique.

Objectif : réduction de l’impact carbone de la marine marchande !

Ces navires utilisent énormément de carburants comme du fioul lourd qui en plus d’émettre du CO2, cela émet du souffre. Il existe un fort attrait pour la réduction de consommation d’énergie fossile. En effet, des solutions sont mises en place pour réduire et/ou remplacer l’usage de ce carburant. De nos jours, de plus en plus de cargos naviguent au GNL (gaz naturel liquéfié) et bientôt à l’hydrogène.

D’autres innovations sont en cours de développement, telles que l’usage de voiles pour limiter l’impact carbone suite aux enjeux climatiques. Ainsi, LCJ Capteurs souhaite mettre en avant plusieurs acteurs de la conception de voile pour les cargos et ainsi partager des informations liées à l’énergie vélique.

Quelles sont les différentes technologies de propulsion vélique ?

Pour respecter les enjeux climatiques, la navigation par le vent est l’une des solutions vertes pour réduire l’impact écologique. Différentes technologies ont été améliorées par la propulsion vélique. Afin de soutenir ces démarches, l’association internationale des navires à voile est née, connue sous le nom anglais » International Windship Association« . Elle regroupe plusieurs acteurs qui innovent dans le vent.

L’International Windship Association distingue les technologies de propulsion éolienne en 7 catégories différentes :

• Soft Sail – entre voiles traditionnelles et nouvelles conceptions de dynarig (forme de gréement carré), etc.
• Voile rigide – comme des voiles épaisses en forme d’ailes d’avions, des voiles fines précontraintes en 3D, etc.
• Flettner Rotor (Rotor Rotor) – Cylindres rotatifs actionnés par des moteurs de faible puissance utilisant l’effet Magnus pour générer une poussée.
• Ailes d’aspiration (Ventifoil, Turbosail) – ailes non-rotatives avec ventilations et ventilateur interne (ou autre dispositif) utilisant la succion dans la couche limite pour obtenir un effet maximal.
• Cerfs-volants et/ou voile de kite – dynamiques ou passifs à l’avant du navire pour faciliter la propulsion ou générer un mélange de poussée et d’énergie électrique.
• Turbines – utilisant des éoliennes marines adaptées pour générer de l’énergie électrique ou une combinaison d’énergie électrique et de poussée.
• Forme de coque – la refonte de la partie supérieure des coques de navire pour capturer la force du vent et générer une poussée.

Projet Oceanbird, le futur cargo de luxe ?

Le projet Oceanbird, en cours de développement dans l’université suédoise KTH et en collaboration avec la compagnie maritime Wallenius Marine, est sur le point de voir le jour.

Le prototype a été développé par dix doctorants venus du monde entier. Le projet a été, néanmoins, retardé à cause des restrictions sanitaires.

Fin d’année 2020, des tests de la maquette du futur cargo suédois ont été effectués dans l’archipel de Stockholm. L’objectif de ces tests est d’analyser le flux du vent autour des voiles rigides télécospiques et comment régler de manière optimale le cap en fonction des conditions de vent dominantes.

La prototype d’Oceanbird utilise des capteurs de vent à ultrasons CV7-E-OEM

Le prototype se compose de 4 voiles rétractables, avec des capteurs de vents à ultrasons CV7-E-OEM de LCJ Capteurs.

La compagnie maritime Wallenius Marine souhaite remettre au goût du jour l’énergie vélique dans le transport de fret. Pour cela, elle promet un passage de l’Atlantique en 12 jours au lieu de 8 jours et une réduction de 90% des émissions.

À titre de comparaison, les plus gros navires-cargo du monde transportent plus de 47.510 voitures, alors que l’Oceanbird ne pourra emporter « que » 7.000 véhicules. Il mesure 200 mètres de long, mais la longueur des plus gros cargos atteint 400 mètres. Conçu pour un chargement de 32.000 tonnes de fret, alors que le MSC Gülsün, plus gros cargo du monde, peut transporter plus de 20.000 conteneurs.

Il est possible que l’Oceanbird fonctionne également comme bateau de croisière.

Le projet final d’Oceanbird serait d’avoir quatre grandes voiles de cent mètres de haut. Ces voiles absorberont le vent et propulseront le navire vers l’avant. Les voiles seront des mâts qui pourront s’abaisser, afin de passer sous les ponts et d’adapter la voilure aux vents. Ces mâts-voiles pourront être abaissés à une hauteur de 50 mètres, ce qui représente une réelle prouesse technologique. Appelés également télescopes, ils faciliteront les manœuvres dans les ports étroits.

Du prototype à la réalisation : un véritable défi

Le passage du protoype à la construction finale est une étape cruciale. Si certains éléments sont faciles à agrandir comme la masse, la stabilité et la longueur, d’autres éléments comme les effets aérodynamiques et hydrodynamiques sont des étapes plus ardues à dimensionner correctement. En effet, en taille réelle, le navire va absorber différemment la formation des vagues, la vitesse du vent et les vagues de la mer entrantes. Les parties mécaniques, telles que les ailes et les gouvernails, qui iront plus profond dans l’eau, pourront avoir énormément de changements en termes de relief.

De nombreux défis sont encore à relever pour les ingénieurs d’OceanBird, mais ils espèrent que le premier navire à grande échelle naviguera dans quatre à cinq ans.

Airseas : la voile de kite qui économise du carburant

Le spin-off nantais d’Airbus (anciennement toulousain), Airseas, a dévoilé son innovation qui consiste à économiser 20 à 40% de carburants sur les porte-conteneurs et ainsi réduire considérablement les émissions de gaz à effet de serre. Il s’agit d’une voile de kite géante qui remorque les navires commerciaux. Cette technologie de propulsion vélique, remplie de capteurs et de radars, n’est pas seulement destinée au transport maritime mais aussi à être exploitée dans l’aéronautique d’Airbus. Cette aile innovante se nomme le Seawing et devrait être commercialisée en 2021.

Quelques chiffres pour comprendre l’ampleur du projet

Avant la crise sanitaire, plus de 150 ingénieurs travaillaient sur ce projet et 7 brevets ont été déposés pour le système de pliage et de dépliage de la voile. Cette voile de 1000 m² est hissée en haut d’un mât de 30 à 35 mètres. Elle est retenue par des câbles à 150 mètres de haut et pourra tirer avec une force allant jusqu’à 100 tonnes des navires qui font 200 000 tonnes et 300 mètres de long.

Comment fonctionne la technologie Seawing d’Airseas ?

La technologie dynamique du Seawing se pilote grâce à un système de navigation qui s’inspire de l’aéronautique. Le Seawing rétracté prend la place d’un simple conteneur de 5 mètres sur 5. Son déploiement automatique de 15 minutes se fait lorsque le logiciel d’aide à la décision indique les meilleures conditions météorologiques. Pour ce type de technologie, de nombreux capteurs ont été utilisés dont plusieurs girouette-anémomètres à ultrasons LCJ Capteurs :

• CV7-E,
• CV3F,
• CV3F-AL,
• CV7-V.

L’ensemble des capteurs et des logiciels vont permettre au système de prévoir la tempête et de replier automatiquement la voile. La voile Seawing pourra naviguer sous des vents jusqu’à 40 nœuds (environ 75 km/h) et s’active à partir de 8 nœuds (soit 15 km/h).

La technologie Seawing déjà testée en mer ?

Plusieurs tests ont été effectués, dont un en 2018 sur le navire « Ciudad de Cadiz ». Ce roulier français assure la logistique maritime d’Airbus. Le « Ville de Bordeaux » s’équipe également d’une voile de 500m² du spin-off d’Airbus. Il devrait traverser l’Atlantique entre la France et les Etats-Unis en novembre prochain.

Zéphyr et Borée : le premier cargo à voile moderne !

L’entreprise nantaise Zéphyr & Borée, membre du réseau Atlanpole, a déjà fait ses preuves avec Jifmar sur le Projet Canopée proposé par Ariane Groupe, pour le transport de la fusée Ariane 6.

En 2020, toujours en quête d’innovation, Zéphyr & Borée souhaite développer le premier porte-conteneurs à voiles rigides au monde. Le projet, nommé Meltem, serait un porte-conteneurs de 185 mètres de long et 31 mètres de large, équipé de 8 ailes rigides. Leur ambition est de réduire le bilan carbone de 80% sur un trajet transatlantique.

Le projet Meltem : un projet irréaliste ?

Cependant, ce projet fait face à de nombreuses complexités techniques. En effet, l’ajout de voiles représente un problème en terme de logistique, pour les opérations de chargement, mais également de visibilité sur l’avant. Mais Zéphyr & Borée répond à un besoin du marché : accompagner les entreprises engagées dans la décarbonation de leur chaîne logistique en transportant leurs produits par conteneur.

La mise en place de voiles sur des navires de charge a souvent été jugée comme irréaliste. Mais suite à la création de leur roulier, Zéphyr & Borée rend de plus en plus crédible l’énergie vélique sur les cargos.

Towt : l’entreprise bretonne et son voilier cargo

TOWT est une abbréviation de « Transoceanic Wind Transport ». Cette entreprise, créée en Bretagne par le Brestois Guillaume Le Grand et la Bogotéenne Diana Mesa en 2009, est une société de transport à la voile basée sur une démarche écoresponsable et zéro-carbone.

Depuis 2009, TOWT effectue des transports de marchandises sur des distances entre la France et la Grande-Bretagne, les Pays-Bas ou encore la Scandinavie. Les problèmes environnementaux sont une réelle préoccupation dans ces pays, tout comme en France métropolitaine. La société travaille en collaboration avec plusieurs voiliers pour leur livraison.

« Phoenix », le voilier cargo prometteur dans sa démarche écoresponsable.

Cette société a pour projet de créer son propre « voilier cargo », alternative logistique aux porte-conteneurs conventionnels. Toujours dans une démarche écoresponsable, le projet « Phoenix » pourrait permettre d’économiser plus de 10 000 tonnes de CO2 par an. Phoenix pourra transporter 1 000 tonnes de marchandises avec ses 67 mètres de long. Aussi rapide qu’un porte-conteneurs actuel (11 nœuds), ce projet est optimisé en termes de fiabilité, de coûts, de transparence environnementale, d’impact commercial et marketing.

Par ce moyen, TOWT souhaite concurrencer les cargos gourmands en émission de CO2 et proposer une offre liée aux valeurs de développement durable avec des éco-voiliers.

Neoline : déjà un futur tout tracé dans la propulsion vélique !

Le Neoliner est un cargo roulier dit « ro-ro » à propulsion vélique et à propulsion auxiliaire diesel-électrique. Long de 136m, il pourra transporter l’équivalent de 280 conteneurs. Le premier navire de Neoline verra bientôt le jour puisqu’ils ont signé un accord sur la conception et la réalisation avec le groupement d’entreprises ligériennes Neopolia.

Ses 4 200 m² de voiles lui permettront de naviguer à une vitesse commerciale de 11 nœuds, là où un navire à moteur navigue à 15 nœuds. Cela permettra d’économiser 80% à 90% de carburants.

Le cargo disposera d’un moteur diesel électrique pour effectuer les manœuvres dans le port. Il pourra passer sous des ponts de 41 mètres de hauteur grâce à un système de mâts repliables. Un équipage de quatorze hommes suffira pour piloter le Neoliner. Le trajet est déjà calculé pour que le Neoliner fasse deux rotations par mois entre Saint-Nazaire, Bilbao et les États-Unis (Charleston et Baltimore). Pour son retour, le Neoliner passera par Saint Pierre-et-Miquelon.

Neoline, une aide à la décision pour les financeurs

Ce nouveau style de cargo-voilier est en cours de négociation avec les financeurs et le chantier naval. L’annonce de nouveaux clients est une aide à la prise de décision pour les financeurs. En effet, ce sont des sociétés de renom qui bénéficieront des services du Neoliner telles que :

• Clarins,
• le groupe Bénéteau,
• le groupe Renault,
• Manitou Group,
• Jas Hennessy & Co.

Norsepower, des rotor sails pour tous !

Crédit : Norsepower

Contrairement à ses confrères, Norsepower ne propose pas la conception d’un navire entier dédié à la propulsion vélique. Leur solution est de proposer des rotor sails sur les navires existants. Les rotors, technologie développée par Anton Flettner en 1924, sont des cylindres rotatifs avec des petits moteurs pour générer une poussée (selon la définition d‘Energie de la Mer). Pour cela, l’effet Magnus est utilisé, c’est-à-dire la différence de pression d’air sur les différents côtés d’un objet en rotation.

La voile à rotor de Norsepower est une amélioration de la technologie d’Anton Flettner. Produit avec des matériaux composites légers, son fonctionnement est entièrement automatisé tel qu’un équipement de contrôle qui détecte l’effet du vent sur l’économie de carburant. L’équipage peut contrôler totalement le rotor qui démarre tout seul.

Cette solution est recommandée aux navires à forte utilisation, aux ponts ouverts et aux routes commerciales dans les zones de vent favorables.

Tradewinds 2500 : des mât-ailes performants

Selon le média Jeune Marine, le Trade Wings 2500 est un porte-conteneurs innovant d’une longueur de 197m et une largeur de 32m. Le navire pourra transporter jusqu’à 32 500 tonnes, avec une capacité de 2500Evp (Equivalent Vingt Pieds).

Ce projet de porte-conteneurs est conçu en coopération par VPLP Design (France), Alwena Shipping (France), SDARI (China) et AYRO (France).

Il regroupe deux technologies différentes pour sa propulsion, l’une est destinée à l’hybridation avec les ailes Oceanwings et l’autre avec un moteur GNL-diesel électrique avec des pods. Les mât-ailes possèdent un mécanisme de rétractation. Un concept créé par VPLP Design qui fait ses preuves en 2009 lorsque Oracle gagne les Coupes de l’America avec cette innovation. Pour le Tradewinds 2500, la technologie s’adapte afin que ces mât-ailes puissent être enlevés partiellement au port, pour faciliter les opérations commerciales. Aujourd’hui, la CNIM industrialise cette solution pour les navires de transport maritime comme pour le Tradewinds 2500.

Ces moteurs permettent de réduire les émissions de CO2 de 35% par rapport à un navire classique, dont 57% dû aux Oceanwings.

Crédit : AYRO

Skysails, le cerf-volant qui fonctionne comme une éolienne.

Le groupe allemand Skysails n’est pas à ses premiers essais en termes de développement d’une technologie pour l’énergie vélique. En effet, née en 2001, l’entreprise a créé une aile de kite géante pour le porte-conteneurs MS Beluga SkySails. Néanmoins, l’armateur a fait faillite en 2008.

Mais Skysails ne s’arrête pas là et continue de travailler sur la propulsion vélique. C’est donc 10 ans plus tard qu’il s’oriente dans la conception d’un cerf-volant de remorquage. Le but de cette technologie est d’exploiter les vents puissants à plus de 400 mètres d’altitude et de produire plus d’énergie qu’avec des turbines classiques.

Cette éolienne volante fonctionne sur le principe d’un cerf-volant comme un « yoyo » inversé. Liée par un câble à un treuil, l’aile s’envole à une altitude entre 200 et 800 mètres. Lors de cet envol, le cerf-volant va établir un circuit en forme de huit dans le ciel. Cette résistance crée une traction sur le treuil placée au sommet du mât de décollage. Cette force exercée par l’aile va générer de l’électricité via un alternateur au bout. Lorsque l’aile arrive à son altitude maximale, celle-ci est ramenée au sol par le treuil.

Lors de la descente de l’aile qui est positionnée pour un minimum de prise de vent, le générateur fait office de moteur et consomme du courant. Mais seulement une petite part de l’ énergie produite lors de la première phase est utilisée. La durée de chaque cycle est variable entre deux et trois minutes. L’ensemble est automatisé, ce qui ne requiert pas d’intervention de l’équipage.

La technologie de Skysails utilise les capteurs de vent à ultrasons CV7-E-OEM de LCJ Capteurs. Cette girouette-anémomètre ultrasonique à haute vitesse est parfaite pour les intégrateurs. Les données sont exploitées par un PC ou par un des kits de développement de type Arduino, Raspberry, etc. Ce capteur est facilement programmable et configurable pour l’alignement, la constante de temps de lissage, les unités de mesures et le format d’interface.

L’entreprise britannique Anemoi est un concurrent direct à Norsepower, précédemment cité. Leur technologie de propulsion vélique se base également sur celle de l’allemand Flettner dans les années 20. Les rotor sails d’Anemoi verront le jour mi-2022 sur le vraquier TR Lady en Chine. Le navire a une longueur de 229m de long et 32m de large. La construction du TR Lady a été réalisée en Chine en 2017.

Contrairement à Norsepower où les rotor sails seront partiellement effacés, Anemoi mettra les rotors sur rail pour faciliter les chargements portuaires.

Le navire Afros de Blue Planet Shipping équipé des Rotor Sails d’Anemoi

Anemoi n’est pas à son premier coup d’essai avec le TR Lady, puisqu’ils avaient équipé le navire Afros en 2018. Le navire du Blue Planet Shipping est un vraquier de 199 mètres sur lequel les rotor sails sont inclinables. Les retours de cette technologie permettent à l’Afros de réduire sa consommation et ses émissions entre 5 à 30%.

En 2018, Blue Planet Shipping était en avance sur son temps en proposant le premier vraquier avec une partie du navire en propulsion vélique. Ce système a permis au navire d’être efficace en termes de rapidité, de coûts et de consommation de carburants. La société Lloyd’s list a élu l’Afros comme « navire de l’année » en 2018.

Née à Morlaix en 2010, l’entreprise Grain de Sail voit le jour avec une idée audacieuse : importer du café et du chocolat à l’autre bout du monde en limitant les émissions de CO2 au maximum.

En commençant par la commercialisation de ces produits, à l’ouverture d’un premier atelier de torréfaction de café en 2013 et d’une chocolaterie en 2016, Grain de Sail touche du bout du doigt leur objectif final : la construction de leur premier voilier cargo.

Après 2 ans de construction, c’est en 2020 que Grain de Sail voit leur navire sortir du chantier naval. En novembre 2020, c’est leur première aventure transatlantique pour développer leur activité de vente de chocolats et de cafés bio et fabriqués en Bretagne.

Pour éviter les traversées à vide, ils ont commencé en 2016 à exporter du vin d’exception français bio vers les Etats-Unis, notamment New-York. Pour ensuite continuer sur l’Amérique Latine, le voilier cargo de 24 mètres est chargé en matières premières de graine de cacao et de café pour une capacité maximale climatisée de 50 tonnes. Le voilier termine son périple de 3-4 mois en Bretagne en passant par les Açores.

Une belle activité en pleine expansion où les valeurs du goût, de l’aventure et du développement durable sont bien au rendez-vous !

Le chantier de l’Atlantique de Saint-Nazaire dévoile aussi son projet de navire en 2018 lors du salon international : Silenseas.

Ce concept est un mix entre un yacht et un navire de croisière. Avec des dimensions respectées, le Silenseas naviguera dans les zones les plus exclusives dans le monde. Les voiles apporteront un confort pour les passagers :

• pas de bruit de moteur,
• pas de vibration,
• satisfaction de voyager dans une croisière proche du « zéro émission ».

Silenseas : on n’arrête pas l’innovation de la propulsion vélique !

Le Silenseas aura une taille de 190m de long avec des voiles robustes et durables composées de matériau composite. Via son innovation Solid Sail, le navire fonctionne avec la plupart des conditions de vent. La voile restera déployée même quand les moteurs sont en marche afin de maintenir la vitesse souhaitée. Le chantier de l’Atlantique propose une activité R&D florissante avec son innovation Solid Sail, mais aussi sa technologie Aeol Drive qui comprend un balestron orientable à 360°. L’ensemble de ces innovations permet de réduire significativement les émissions et les coûts de fonctionnement.

Avec les voiles, le navire s’équipe des moteurs à bicarburation afin de respecter son planning de croisière. Ses moteurs, associés aux voiles, respecteront les prochaines exigences de la réglementation en termes d’émission de gaz à effet de serre de l’European Green Deal

En 2021, de nombreux tests sont en cours, dont une maquette à l’échelle de 1/5. Ces tests confirmeront ou non la maturité du projet et à la possibilité de déploiement sur d’autres applications.

Michelin Group dévoile son projet WISAMO : des voiles gonflables.

Spécialiste international dans les pneumatiques et soucieux de la mobilité durable, le groupe Michelin  dévoile son intérêt pour le transport de fret en juin 2021. En effet, Michelin innove avec leur projet Wisamo, une contraction de « wings sails » et « mobility ».

Wisamo est une voile gonflable qui permettrait d’économiser entre 10 à 20% de fuel sur les cargos. L’installation de ces voiles pourra se faire sur de nouveaux navires mais aussi ceux en activité. L’objectif est de réduire les émissions CO2 du transport maritime.

Le début d’un changement massif dans la navigation maritime ?

L’industrie du transport maritime subit de multiples pressions de la part d’un marché croissant et très compétitif. D’autre part, les acteurs du marché sont incités à adhérer aux exigences environnementales toujours plus élevées.

Ces acteurs proposent des solutions intégrées ou intégrables aux anciens navires. L’objectif est de pouvoir réduire les dépenses en énergies fossiles afin de rester compétitif et avoir une navigation plus verte.

Sur le long terme, nous pouvons désormais espérer voir plus de navires circulants seulement avec des énergies vertes grâce à la propulsion vélique. Pour le moment, la propulsion 100% vélique dans le transport maritime n’est pas envisageable car la navigation par la voile est trop approximative pour l’organisation logistique des grands ports d’échange.

La démarche pour réduire l’impact environnemental reste l’objectif de chaque acteurs qui ont créé des solutions.

Les différents cargos à voiles représentent une technologie à propulsion vélique en plein développement. D’autres innovations voient le jour en rapport avec le vent tel que SeawitLab qui proposent des ailes textile 3D. Cette nouvelle technologie n’est pas encore intégrée dans les cargos à voile.  Mais nous avons hâte de voir le développement de nouvelles technologies dans les prochaines années. Découvrez en détails d’autres projets sur le site de Wind Ship.

Sources

Informations générales

France24
Agence France Électricité

Journal Marine Marchande
Mer et Marine

Wind Ship
Econowind

Statistiques développement durable
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