Université des Sciences et de la Technologie
d'Oran Mohamed Boudiaf
USTO-MB
Laboratoire des Sciences & Ingénierie Maritimes
Master I
Ingénierie des Systèmes Propulsifs
Propulsion Navale I
Cours Préparé par:
A. Ouadha, Professeur
Département de Génie Maritime
USTO-MB
Chapitre 1
Chapitre 2
Chapitre 3
Types de Navires, Terminologie et Symboles
Estimation de la Puissance Propulsive des Navires
Types et Choix des Systèmes de Propulsion
Chapitre 1
Types de Navires, Terminologie et Symboles
Chapitre 1
Types de Navires, Terminologie et Symboles
1.1 Types de Navires
Pour mener diverses activités en mer, dans les rivières et les lacs, l’homme utilise divers
types de structures marines, fixes et flottantes. Les structures doivent être conçues et
construites dans différentes tailles, formes et sophistication. Certaines d’entre elles sont
petites et simples comme un canot ou un radeau tandis que d’autres sont grandes et
compliquées comme un porte-avions ou une plate-forme de forage pétrolier semisubmersible.
Il existe différentes façons de classer les navires. Les types de navires peuvent être classés en
fonction d’un certain nombre de critères tels que le nombre de coques, les formes des coques, la
manière dont le navire est soutenu dans l’eau et sa destination.
 Nombre de coques : Les navires peuvent être classés en fonction du nombre de
coques. La plupart des navires n’ont qu’une seule coque; ce sont les monocoques.
Certains navires ont plusieurs coques comme le catamaran et le trimaran :
 Monocoque
 Multicoque (Catamaran, Trimaran, Quadramaran, Pentamaran)
 Forme de la coque : La forme de la coque est différente d’un navire à l’autre. La
plupart des grands navires lents ont une forme de coque à fond de cale tandis que les
petits bateaux plus rapides ont normalement des coques de bouchain :
 A bouchain arrondi
 A bouchain anguleux
 Comment la coque est supportée dans l’eau : Lorsqu’un navire est dans l’eau, son
poids total est soutenu par diverses forces, selon les types de coque. Les formes de
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Chapitre 1
Types de Navires, Terminologie et Symboles
coque à fond de cale sont normalement soutenues de manière hydrostatique, c’est-àdire que tout le poids du navire est soutenu par des forces de flottabilité qui sont
égales au poids total de l’eau déplacée par le navire. Celles-ci sont également appelées
coque à déplacement.
Les hydrofoils sont des exemples de navires soutenus par la portance dynamique en
raison de ses profils inférieurs plats. À des vitesses élevées, les forces de portance
fournies par les profiles sont suffisantes pour soutenir le navire, le soulevant hors de
l’eau. À ces vitesses, les forces de flottabilité hydrostatiques sont insignifiantes. En
soulevant le corps au-dessus de la surface de l’eau, la traînée d’eau sur la coque est
réduite et le navire peut voyager à grande vitesse.
Un autre type de navires sont les aéroglisseurs, qui opèrent au-dessus de la surface de
l’eau. Le coussin d’air est fourni par de grands ventilateurs qui pompent de l’air pour
soulever le navire au-dessus de la surface de l’eau. Le poids total du navire est
soutenu par le coussin d’air, parfois appelé forces de portance aéroportées.
De nombreux navires ont des combinaisons de support. Par exemple, lorsqu’un navire
à coque de bouchain est immobile, il est supporté hydrostatiquement. Cependant,
lorsqu’il commence à se déplacer et atteint une certaine vitesse, l’eau se déplaçant le
long de la coque inférieure soulèvera le navire, ce qui réduira les forces de flottabilité
hydrostatique. Dans ce cas, aux vitesses de croisière, le navire est soutenu à la fois par
une combinaison de forces hydrostatiques et hydrodynamiques. Les navires à coque
chinoise qui fonctionnent à des vitesses élevées en utilisant un support
hydrodynamique partiel sont appelés navires à coque planante.
 Hydrostatique
 Hydrodynamique
 Aéropropulsee
 Sa destination : Les navires peuvent également être classés en fonction de leurs
fonctions, c’est-à-dire de la façon dont ils sont utilisés au profit de l’humanité. Par
exemple, certains navires sont destinés aux transports tels que les pétroliers, les
vraquiers, les porte-conteneurs, les navires à passagers, les cargos généraux, les
transporteurs de gaz naturel liquéfié (GNL). Les navires utilisés dans la marine
peuvent prendre différentes tailles, dimensions et fonctions telles que porte-avions,
sous-marin, frégate, destroyer, patrouilleur et dragueur de mines. Certains navires ne
sont pas destinés à transporter du fret mais à effectuer certains services en mer. Des
exemples de navires de travail ou de service comprennent les remorqueurs, les
bateaux de ravitaillement, les bateaux de l’équipage, les poids lourds, les grues, les
bateaux de pêche et les bateaux de sauvetage. Certains autres bateaux sont utilisés à
des fins récréatives comme les yachts de luxe, les bateaux de croisière, les bateaux de
touristes.
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Chapitre 1
Types de Navires, Terminologie et Symboles




Transport (Pétrolier, Vraquier, Porte-conteneurs, Navire à passagers,
Marchandises générales, Méthaniers)
Marine militaire (Porte-avions, Sous-marin, Frégate, Destructeur,
Patrouilleur, Démineur)
Navires de servitude (Remorqueurs, Bateau de ravitaillement, Bateaux
d’équipage, Transporteur de colis lourds, Navires-grues, Navires
d’approvisionnement en carburant, Bateau de pêche, Bateaux de lutte
contre l’incendie, Bateaux de sauvetage)
Navires de loisirs (Navires de croisière, Bateaux touristiques, Gondole,
péniches)
1.2 Terminologie et Symboles
Il est indispensable de rappeler d’une manière précise les définitions des principales
caractéristiques géométriques des navires. Ces définitions constituent un langage commun
entre les architectes navals, les bureaux d’études, les chantiers navals, les administrations
maritimes, les societes de classification et les académiciens.
1.2.1 Dimensions linéaires
 Longueur entre perpendiculaires (LBP ou L PP) : La distance horizontale entre
AP et FP. Il s’agit de la mesure de la longueur la plus importante lors de la
conception des navires. La plupart des calculs tels que la stabilité, la propulsion et
la manœuvrabilité utilisent LBP.
 Longueur sur la ligne de charge nominale (LWL) : La longueur sur la ligne de
flottaison du navire lorsqu’il flotte dans l’eau calme à DWL. Dans de nombreux
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Chapitre 1






Types de Navires, Terminologie et Symboles
cas, cela est similaire à LBP et également important lors des calculs de
conception des navires.
Longueur hors tout (LOA) : La longueur mesurée à partir du point extrême vers
l’avant jusqu’au point extrême à l’arrière. Cette longueur est une mesure
importante pendant la phase opérationnelle du navire.
Largeur maximale (B) : La largeur ou la largeur maximale du navire est
généralement mesurée au milieu du navire. Certains navires ont la plus grande
largeur au milieu.
Creux (D) : La hauteur verticale du pont continu le plus haut mesurée sur le côté
au milieu du navire par rapport à la ligne de base.
Tirant d’eau (T) : La profondeur d’immersion de la ligne de base à n’importe
quelle ligne de flottaison.
Franc-bord : La hauteur du pont sur le côté au-dessus du LWL. Elle est égale à la
différence entre le creux et le tirant d’eau.
Assiette : La différence entre les tirants d’eau à AP et FP. Si le tirant d’eau vers
l’avant est supérieur au tirant d’eau arrière, il est appelé assiette vers l’avant, par
la tête ou par la proue. Si le tirant d’eau arrière est plus important, il est appelé
assiette arrière, par la poupe. Les navires sans garniture sont réputés être à quille
plate ou même à quille. L’assiette est parfois indiquée sous forme d’angles
d’assiette, θ.
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Chapitre 1
Types de Navires, Terminologie et Symboles
Figure 1.2. Dimensions lineaires des navires
1.2.2 Taille des navires
La taille des navires est normalement indiquée en termes de déplacement, de port en lourd ou
de tonne enregistrée brute (TJB). Certains navires sont mesurés en fonction de leur capacité
de charge, par exemple les TEUs (Twenty feet Equivalent Units) pour les porte-conteneurs, le
nombre de véhicules pour les transporteurs de véhicules ou le nombre de têtes pour les
transporteurs de bétail.
Dans le domaine de la conception et de l’exploitation des navires, les termes «poids» et
«masse» sont utilisés de manière interchangeable et les unités de masse (tonnes / tonnes /
livres / kilogrammes) sont normalement utilisées. Bien que cela ne soit pas strictement
correct, l’impact net est le même et tant que la cohérence est maintenue, il ne devrait pas y
avoir de problème.
 Déplacement de volume (  ) : Un navire flottant déplace l’eau. Le volume d’eau
déplacé est la quantité d’eau «repoussée» par le navire. Le volume d’eau est appelé le
déplacement volumique du navire, généralement exprimé en m3.
 Déplacement de masse (Δ) : Lorsqu’un navire flotte, il déplace le volume d’eau dont
le poids ou la masse équivaut à son propre poids ou masse. Le poids total du navire
est le même que le poids de l’eau déplacée. Le terme «déplacement de masse» est
donc le même que le poids ou la masse totale du navire dans l’eau de mer,
normalement exprimé en unités de tonnes ou de kilogrammes.
Ce poids d’eau est égal au déplacement volumique multiplié par la densité de l’eau,
En eau douce = x 1000 kg / m³
Dans l’eau de mer = x 1025 kg / m³
La plupart du temps, le terme «déplacement» fait référence au déplacement de masse.
Le déplacement de masse ou le poids du navire est égal à la somme du poids du navire
léger et du port en lourd. Le déplacement opérationnel du navire ou son poids total
variera en fait de temps à autre. Bien que le poids du bateau lège soit constant, le port
en lourd et donc le déplacement varie de temps à autre pendant le fonctionnement en
fonction des conditions de chargement du navire.
 Navire lège : Le poids du bateau lège est le poids d’un navire vide, sans cargaison,
équipage, eau, carburant et autres composants de charge utile. Il est normalement
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Chapitre 1




Types de Navires, Terminologie et Symboles
associé à un navire qui vient d’être construit et prêt à naviguer. C’est la composante
non variable du déplacement de masse.
Port en lourd (Deadweight) : La différence entre le déplacement de masse et le poids
du navire lège est appelée le port en lourd. Il s’agit de la composante variable du
déplacement et comprend le fret, le carburant, l’équipage, les passagers, les stocks,
etc., exprimé en tonnes. Les tailles des pétroliers et des vraquiers sont souvent
indiquées en termes de tonnage de port en lourd, qui est le port en lourd maximum
que le navire est conçu pour transporter. Étant donné que le poids de la cargaison
constitue la majeure partie du port en lourd, le tonnage de port en lourd est une bonne
mesure de la capacité de charge des cargos et des vraquiers.
Tonnage de déplacement : Le poids total conçu du navire est appelé tonnage de
déplacement du navire et cela est normalement indiqué dans les détails du navire. Les
tailles des navires ne transportant pas de cargaison tels que les navires appartenant à
des agences gouvernementales sont normalement indiquées en termes de tonnage de
déplacement.
Jauge brute (GRT) : Bien que les termes «tonnage» et «tonnes» soient utilisés, le
GRT n’est pas une mesure de poids. Au lieu de cela, la jauge brute est le volume total
des espaces clos d’un navire, y compris le sous-pont et l’espace clos de la
superstructure des navires. En raison de son histoire d’utilisation, bien que son unité
soit la tonne, c’est une mesure de volume, pas de poids où 1 tonne équivaut à 100 ft 3.
La taille de la plupart des navires commerciaux est indiquée en termes de jauge brute.
Tonnage net ou enregistré : GRT est le volume total des espaces fermés à bord d’un
navire, NRT est le volume net après déduction des espaces de travail autres que le
fret, tels que la salle des machines et l’hébergement de l’équipage. Le tonnage net est
utilisé lorsque des redevances sont perçues pour les services fournis pour le navire
commercial, par exemple pour les redevances de pilotage et portuaires.
1.2.3 Coefficients de forme
Lors de la comparaison de la forme d’un navire avec un autre, l’architecte naval utilise un
certain nombre de coefficients. Ces coefficients de formes sont utilisés comme terme général
pour décrire la plénitude ou la finesse des coques de navire. Ces coefficients sont importants
et utilisés dans les calculs de puissance, de stabilité, de résistance et de conception. Le
coefficient de forme est exprimé en termes de rapports entre la surface ou les volumes réels
divisés par le volume ou l’aire de la boîte de délimitation. Plus la valeur est élevée, plus la
forme du navire est complète. Cependant, les valeurs ne dépassent pas 1.
 Coefficient de bloc (Cb): il s’agit d’une mesure de la plénitude de la forme du navire.
C’est le rapport entre le volume de déplacement a une ligne de flottaison donnée, et le
volume de la boîte circonscrite ayant la même longueur, la même largeur et le même
tirant d’eau comme le navire.
C 
b

L  B T
Cb varie selon les navires. Les navires plus minces et plus rapides, tels que les frégates et
les patrouilleurs, ont un Cb entre 0.5 et 0.65, tandis que les navires plus lents, tels que les
pétroliers et les vraquiers, ont Cb autour de 0.7 a 0.85.
 Coefficient de surface de section médiane (Cm) : Il s’agit du rapport entre la zone de la
section médiane et la zone du rectangle circonscrit ayant une largeur égale à la largeur du
navire et une profondeur égale au tirant d’eau.
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Chapitre 1
C 
m
Types de Navires, Terminologie et Symboles
A
B T
m
 Coefficient de surface du plan d’eau (CWP) : Il s’agit du rapport entre l’aire du plan
d’eau et l’aire du rectangle circonscrit ayant une longueur égale a LPP et une largeur
égale à B.
C 
WP
A
B L
W
 Coefficient prismatique (CP) : Le rapport entre le volume de déplacement du navire
et le volume de la boîte circonscrite ayant une section constante égale à la zone de
section immergée au milieu du navire AM, et une longueur égale à la LwL.
C 
P

A L
M
Ce qui précède est le coefficient prismatique le plus typique, parfois appelé coefficient
prismatique longitudinal, car il s’agit d’une mesure de la distribution longitudinale du
déplacement du navire.
Dans certains cas, le coefficient prismatique vertical CPV est calculé :
C 
PV

A L
WP
Tonnes par centimètre (TPC): Il s’agit de la masse requise pour augmenter ou
diminuer le tirant d’eau moyen d’un navire de 1 cm. Cette valeur ne varie qu’en
fonction de la surface de flottaison (Aw) et cette surface peut varier en fonction du
tirant d’eau du navire. Par conséquent, le TPC peut varier en fonction du tirant d’eau
du navire.
TPC 
A 
100
w
1.3 Exercices Résolus
Exercice 1
Trouver la masse et le poids d’une pièce en bois ayant une masse volumique de 720 kg/m3 et
les dimensions suivantes : une longueur de 25 cm, une largeur de 10 cm et une hauteur de 5
cm.
Volume de la pièce en bois = longueur × largeur × hauteur = 0.25 × 0.10 × 0.05 = 0.00125
m3
Mass de la piece en bois = Volume × Masse volumique = 0.00125 × 720 = 0.9 kg
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Chapitre 1
Types de Navires, Terminologie et Symboles
Poids de la piece en bois = Masse × Accélération de la pesanteur = 720 × 9.81 = 8.83 N
Exercice 2
Un réservoir rectangulaire à double fond de 20 m de long, 10 m de large et 1 m de haut est
rempli de carburant d’une densité de 0.95. Quelle est la masse du carburant dans le réservoir?
Volume du carburant dans le réservoir = longueur × largeur × hauteur = 20 × 10 × 1 = 200
m3
Mass volumique du carburant = Densité du carburant × Masse volumique de l’eau pure =
0.95 × 1000 = 950 kg/m3
Mass du carburant = Volume × Masse volumique = 200 × 950 = 190 tonnes
Exercice 3
Un navire transporte 150 tonnes de carburant (densité = 0.987) qui doivent être stockées dans
un réservoir rectangulaire aux dimensions suivantes: Longueur de 17.5 m, largeur de 7 m et
hauteur de 1.25 m. Quel sera le niveau de carburant dans le réservoir?
Volume de carburant = Masse du carburant / Masse volumique = 150000/987 = 152 m3
152 m3 = longueur × largeur × hauteur du liquide
152 m3 = 17,5 m × 5 m × hauteur du liquide en mètres
Hauteur du liquide dans le réservoir = Volume / (longuer × largeur) = 152 ÷ (17.5 × 7) = 1.24
m
Exercice 4
Un navire a une longueur de 100 m et une largeur de 20 m. Le coefficient de finesse de la
zone du plan d’eau (Cw) est de 0.85. Trouver la surface à la ligne de flottaison du navire.
Cw = Surface du plan d’eau ÷ (L × B) = Surface du plan d’eau ÷ (100 m × 20 m) = 0.85
Surface du plan d’eau = 0.85 × 100 m × 20 m = 1700 m2
Exercice 5
Un navire d une longueur de 200 m et d’une largeur de 22 m a un tirant d’eau de 8 m. Si le
coefficient de remplissage du navire à ce tirant d’eau est de 0.75, trouver le volume de la
carène (  ).
Cb = ÷ (L × B × d) = 0.75 = ÷ (200 × 22 × 8)
 = 0.75 × (200 × 22 × 8) = 26 400 m3
Exercice 6
Une barge rectangulaire d’une longueur de 20 m et d’une largeur de 12 m flotte dans l’eau
salée (ρ = 1 025 kg/m3).
Quelle est sa surface à la ligne de flottaison ?
Quel est son TPC?
Aw = (longueur × largeur) à la ligne de flottaison = 20 m × 12 m = 240 m2
TPC = (Aw × ρ) ÷ 100 = (240 m2 × 1.025) ÷ 100 = 2.46 tonnes
Cela signifie que le chargement de 2.46 tonnes sur le navire augmentera le tirant d’eau de 1
cm. De même, le déchargement de 2.46 tonnes du navire réduira le tirant d’eau de 1 cm.
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Chapitre 1
Types de Navires, Terminologie et Symboles
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Chapitre 2
Estimation de la Puissance Propulsive des Navires
Chapitre 2
Estimation de la Puissance Propulsive des Navires
2.1 Resistance Totale à l’Avancement
La résistance d’avancement (ou traînée hydrodynamique) d’un navire est une force qui
s’oppose à son mouvement. La résistance à l’avancement résulte du frottement relatif fluidesolide qui transforme l’énergie cinétique du mouvement en chaleur et entraîne une
consommation d’énergie ce qui provoque une perte de la puissance fournie par l’hélice.
La résistance totale à l’avancement d’un navire est formée de différentes composantes qui
sont causées par différents facteurs et qui s’inter-actent entre elles d’une manière très
complexe.
2.1.1 Analyse dimensionnelle et similitude
L’analyse dimensionnelle est fondée sur un principe fondamental très simple selon lequel une
relation entre grandeurs physiques doit être dimensionnellement homogène, c’est à dire
indépendante du système d’unités de mesure choisi.
Si on considère un navire se déplaçant sur une surface libre, les variables à considérer pour
décrire son mouvement sont sa longueur (la longueur de flottaison), la vitesse d’avance,
l’accélération de la pesanteur (formation des vagues), la masse volumique de l’eau, la
viscosité cinématique de l’eau, et la surface mouillée. Il n’est pas nécessaire d’avoir une
référence de pression car en l’absence de cavitation, la pression n’apparaît dans les équations
hydrodynamiques (Navier-Stokes) que par son gradient, ni les caractéristiques de l’air car la
résistance aérodynamique est en général négligeable devant la résistance hydrodynamique.
Si on considère que la résistance totale R prend la forme d’une loi de puissance des termes
cités ci-dessus, on a :
R   V L g
a
b
c
d
e
Cette équation est dimensionnelle si :
ML  M   L   L   L 
    L    
T
 L  T   T  T 
a
b
2
d
e
c
2
3
2
Ce qui permet d’écrire:
a  1

3a  b  c  2d  e  1
b  d  2e  2

ou
a  1

b  2  d  2e
c  2  d  e

L’équation de la résistance totale devient :
d
 VL   gL 
R  V L    
   V 
2
e
2
2
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Propulsion Navale I
Cours Préparé par : A. Ouadha 9
Chapitre 2
Estimation de la Puissance Propulsive des Navires
Il est noté que nous avons commencé avec des corps géométriquement similaires, L2 est
proportionnelle à la surface S, et l’équation peut être écrite :
R
 VL gL 
 f , 
1 2 V S
 V 
2
2
où le coté de droite de cette équation est le coefficient de résistance totale CT.
Remarque : Le ½ découle de la définition de la pression dynamique.
De l’équation de mouvement suivant x :
du
dp

dx
dx
dp d   u
 
dx dx  2
u
2
dp
du
 u
dx
dx
d 
u
 p
dx 
2


0 

Après intégration :
u
p 
 Cons tan te  p
2
0
2

0

2
s
t
u
la pression dynamique et p la pression totale.
2
2
où p est la pression statique,
s
t
Donc, la résistance totale du navire est :
R  1 2 V SC
2
T
où le coefficient de résistance totale :
C  f  Re, Fn 
T
est une fonction du nombre de Reynolds, Re  VL  , et le nombre de Froude, Fn  V
Lg .
Il est constaté de l’analyse dimensionnelle exposée que les deux paramètres les plus
importants de la résistance d’un navire sont:
(i)
le nombre de Reynolds qui représente physiquement le rapport des forces d’inertie
aux forces visqueuses dans le fluide ; et
(ii)
le nombre de Froude qui exprime le rapport des forces d’inertie aux forces de gravité.
Deux corps similaires avec les mêmes Re et Fn auront le même coefficient CT. Cependant
c’est une condition impossible à satisfaire.
2.1.2 Essais de Remorquage sur Modèles de Navires
Les essais de remorquage sur modèles sont largement utilisés dans la conception et l’étude
dans la construction navale. Un modèle d’un navire est géométriquement similaire à son
prototype. Les dimensions du modèle sont beaucoup plus petites que celles du navire. Les
essais sur modèle sont utilisés pour prédire la résistance, l’interaction hélice coque, la tenue
en mer d’un navire, etc.… Par conséquent ces essais sont très importants dans la conception
et l’étude de la construction des navires. Dans la section suivante une attention particulière
est réservée aux essais permettant de prédire la résistance d’un navire.
Les essais sont effectués dans des bassins équipés de systèmes de remorquage et de mesure
de résistance. Le modèle est remorqué à une vitesse constante à l’aide du système de
remorquage. La résistance totale du modèle est indiquée sur l’instrument de mesure. Souvent,
la résistance est mesurée pour différentes vitesses et une courbe sera tracée.
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Propulsion Navale I
Cours Préparé par : A. Ouadha 10
Chapitre 2
Estimation de la Puissance Propulsive des Navires
Figure 2.1. Schéma d’un essai de remorquage en bassin des carènes
Figure 2.2. Courbe typique de résistance montrant les effets d’interférences
2.1.3 Détermination de la résistance d’un navire à l’aide d’essais de remorquage sur
modèle
Si un navire et son modèle sont géométriquement similaires (toutes les caractéristiques et les
dimensions sont dans le même rapport) (  Fn m   Fn s ) et dynamiquement similaires (
 Re
  Re  ), on peut utiliser l’équation suivante pour déterminer la résistance du
m
s
navire sur la base des mesures effectuées sur le modèle :
C 
T
 C
T
m

s


 

R
R

 

 1 2  SV   1 2  SV 
T
T
2
2
m
s
L’échelle du modèle est donnée par:

L
L
s
m
L’égalité des nombres de Froude et des nombres de Reynolds exige :
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Propulsion Navale I
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Chapitre 2
V

V
Estimation de la Puissance Propulsive des Navires
L
 
L
s
m
V
L 
1


V
L 

et
s
m
s
m
s
m
s
m
Si le navire et son modèle sont supposés dans un milieu à la même densité et la même
température :
 
m
s
Etant donné que la valeur de λ est supérieure a 1, il pratiquement impossible de satisfaire les
deux conditions:
 Fn
  Fn 
m
 Re
et
s
m
  Re 
s
Dans le but de surmonter cette difficulté de satisfaire les lois de similitude, Froude a supposé
que les résistances de frottement et la résistance de vagues sont indépendantes. Le coefficient
de résistance de frottement dépend uniquement du nombre de Reynolds et le coefficient de
résistance des vagues dépend uniquement du nombre de Froude.
 V 
V  L 
C C C  f 
f 

 g  L 
1





  S V
2
R
T
T
F
w
1
2
2
Le coefficient de résistance de frottement est :
C 
F
V  L 
 f

1
  
  S V
2
R
F
1
2
Le coefficient de résistance des vagues :
C 
w
 V 
 f 
 g  L 
1


  S V
2
R
w
2
2
Il est également supposé que le coefficient de résistance de frottement du navire (ou son
modèle) est égal à celui d’une plaque plane de longueur équivalente. Par conséquent, le
frottement peut être calculé pour une longueur donnée à l’aide de formules semi analytiques
et semi empiriques.
Sur la base de ces deux hypothèses, la résistance du navire à une vitesse donnée peut être
déterminée à partir des essais sur modèle. Les étapes de calcul sont détaillées comme suit :
 A une vitesse Vm, la résistance totale du modèle, RTm, est mesurée. Donc :
C 
Tm
R
Tm
1
  S V
2
m
2
m
où Sm est la surface mouillée du modèle
 Le coefficient de résistance de frottement du modèle, CFm, peut être calculé par une
formule empirique connaissant la longueur du modèle.
 Calculer le coefficient de résistance des vagues du modèle par :
C  C C
wm
Tm
Fm
Si (Fn)m = (Fn)s, on peut écrire :
C C C
wm
ws
w
__________________________________________________________________________________
Propulsion Navale I
Cours Préparé par : A. Ouadha 12
Chapitre 2
Estimation de la Puissance Propulsive des Navires
Ce qui permettra de calculer la résistance des vagues du navire.
 La deuxième étape est répétée pour le navire, CFs.
 Le coefficient de résistance totale du navire est donné par :
C C C
Ts
Fs
w
 Et finalement la résistance totale du navire (en absence d’appendices) est calculée
par :
1
RTs  CTs    S s Vs2
2
Pour le passage de la résistance du modèle à la résistance du navire, plusieurs méthodes
peuvent être utilisées :
 Méthode ITTC 1957
 Méthode de Hughes-Prohaska
 Méthode ITTC 1978
 Autres méthodes
2.1.3.1 Méthode ITTC 1957
La résistance de la coque est décomposée en :
RT  RF  RR
RF est la résistance de frottement, RR la résistance résiduaire. Les forces de résistance sont
souvent exprimées en formes de coefficients adimensionnels :
Ri
Ci 
1
  S V 2
2
où S est la surface mouillée en eau calme, V la vitesse d’avance.
Le coefficient de résistance du navire est donc déterminé par :
CTs  CFs  CR  CA  CFs  CTm  CFm   CA
L’indice s dénote les valeurs du navire, l’indice m celles de son modèle. CR est supposé
indépendant de l’échelle du modèle, c’est-à-dire CR est le même pour le modèle et le navire.
Les tests sur modèle permettent essentiellement la détermination de CR. La procédure est la
suivante:
1. déterminer le coefficient de résistance totale à partir des essais sur modèle:
RTm
CTm 
1
 m Vm2  Sm
2
2. déterminer le coefficient de résistance résiduaire, identique pour le modèle et le
navire :
CR  CTm  CFm
3. déterminer le coefficient de résistance totale du navire :
CTs  CR  CFs  CA
4. déterminer la résistance totale du navire :
1
RTs  CTs   s  S s Vs2
2
__________________________________________________________________________________
Propulsion Navale I
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Chapitre 2
Estimation de la Puissance Propulsive des Navires
Les coefficients de résistance de frottement CF sont déterminés à l’aide de la formule ITTC
1957 :
0.075
CF 
2
 log10  Re   2
Cette formule contient un effet de forme qui permet d’augmenter le CF de 12% par rapport à
celui d’une plaque plane.
CA est un coefficient qui tient compte de la rugosité de la surface de la carène du navire. Les
valeurs de CA sont obtenues des statistiques à partir des essais sur plusieurs types de navire :
C A  0.35 103  2 Lpp 106


2
C A  0.11 Rn103  2.1  a  a  0.62
Lpp (m)
50-150
150-210
210-260
260-300
300-350
350-400
a  max  0.6, min  CB , 0.8  
CA
0.00035-0.00004
0.0002
0.0001
0
-0.0001
-0.00025
2.1.3.2 Méthode de Hughes-Prohaska
Cette approche décompose la résistance totale (coefficient) comme suit:
CT  1  k  CF 0  Cw
Le facteur de forme (1+k) et le coefficient de résistance des vagues Cw sont supposés
identiques pour le navire et son modèle, i.e. indépendant de Re. Les essais sur modèle servent
à déterminer le coefficient de résistance des vagues selon la procédure suivante :
1. déterminer le coefficient de résistance totale du modèle de la même manière que pour
la méthode ITTC 1957 :
RTm
CTm 
1
 m Vm2  Sm
2
2. déterminer le coefficient de résistance résiduaire, identique pour le modèle et le
navire :
Cw  CTm  CF 0m  1  k 
3. déterminer le coefficient de résistance totale du navire :
CTs  Cw  CF 0s  1  k   CA
4. déterminer la résistance totale du navire :
1
RTs  CTs   s  S s Vs2
2
Les coefficients de résistance de frottement CF0 sont déterminés à l’aide de la formule de
Hughes :
__________________________________________________________________________________
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Chapitre 2
CF 0 
Estimation de la Puissance Propulsive des Navires
0.067
 log  Re   2
2
10
Le coefficient de corrélation CA diffère fondamentalement de celui de la méthode ITTC 1957.
Ici CA permet de compenser les erreurs dues à l’effet d’échelle de la résistance visqueuse de
pression. ITTC recommande une valeur universelle CA = 0.0004.
La méthode de Hughes-Prohaska est une méthode à facteur de forme. Le facteur de forme
(1+k) est supposé indépendant de Fn et Re et il est identique pour le navire et son modèle. Le
facteur de forme est déterminé en considérant :
CT
Fn4
 1  k   
CF 0
CF 0
Figure 2.3. Extrapolation du facteur de forme
Les essais sur modèle pour différents nombres de Froude (par exemple, entre 0.12 et 0.84)
permettent de déterminer (1+k) par une analyse de régression.
2.1.3.3 Méthode ITTC 1978
Cette approche est une modification de la méthode de Hughes-Prohaska. Elle est
généralement plus précise et elle considère aussi la résistance de l’air. La résistance totale
(coefficient) est de nouveau écrite en approche de facteur de forme :
CTs  1  k  CFs  Cw  CA  CAA
Cw est le coefficient de résistance des vagues, supposé identique pour le navire et son modèle,
i.e. indépendant de Re. CF est le coefficient de résistance de frottement calculé à l’aide de la
formule ITTC 1957.
__________________________________________________________________________________
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Chapitre 2
Estimation de la Puissance Propulsive des Navires
CA est un coefficient de corrélation qui dépend de la rugosité de la carène :
C A 103  105  3
ks
 0.64
Loss
kn est la rugosité de la carène, Ln est la longueur maximale de la carène du navire. Pour les
nouveaux navires, une valeur typique est un ks/Loss =10-6, i.e. CA =0.00041.
CAA considère globalement la résistance de l’air comme suit :
A
C AA  0.001 T
S
AT est la surface frontale du navire au dessus de la ligne de flottaison, S la surface mouillée de
la carène.
Les essais sur modèle servent principalement à déterminer le coefficient de résistance des
vagues. La procédure est similaire à celle de Hughes-Prohaska, mais le coefficient de
résistance de frottement est déterminé à l’aide de la formule ITTC 1957 au lieu de la formule
de Hughes. Le facteur de forme est également déterminé d’une façon légèrement différente:
CT
Fn n
 1  k   
CF
CF
n et  sont déterminés par une analyse de régression.
2.1.3.4 Méthode de Fung-Leibman
La résistance totale est basée sur :
 une résistance résiduaire reposant sur une méthode développée par Fung et Leibman
en 1995,
 une estimation de la résistance de frottement en utilisant la formule ITTC 1957,
 une résistance des appendices basée sur une méthode développée par la marine
américaine,
 une méthode de calcul de la résistance de l’air développée par David W. Taylor dans
son livre : Principles of Naval Architecture.
Résistance résiduaire
La méthode de calcul de la résistance résiduaire développée par Fung et Leibman (1995) est
une extension et une amélioration de la méthode de Fung (1991).
Dans cette méthode, la résistance résiduaire est estimée sur la base de 70 coefficients et le
rapport déplacement-longueur du navire (DLR, Displacement-Length Ratio), le coefficient de
la surface du tableau arrière (TA, Transom Area Coefficient), le coefficient prismatique (Cp,
Prismatic Coefficient), le rapport de la largeur du tableau arrière (Tw, Transom Width Ratio),
le rapport largeur-tirant d’eau (B/T, Beam to Draft Ratio), le demi angle d’entrée (ie, Half
Entrance Angle), coefficient du maître-couple (Cm, Midship's Coefficient), et la surface
mouillée (WSA, Wetted Surface Area). Les coefficients utilisés ont été déterminés par une
analyse de régression multiple basée sur la résistance résiduaire de 739 modèles englobant
10672 données de résistance.
Dans cette méthode :
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Chapitre 2
CR  exp
Estimation de la Puissance Propulsive des Navires
  B   X 
Cij
i
j
où,
X 1  Fn d



X 2  cos   Fn e  exp a Fn


2

3
X 3  0.034977    L 100  


X 4  AT
X 5  C p2
X 6  TW
X7  B T
X 8  ln(90  ie )
0.5
  a1 C p  a2   L 100 
3
a  0.2000
a1  0.7500
a2  0.0350
d  0.7000
e  1.9300
X 9  Cm
Δ : Déplacement
n = 69 (nombre de termes dans le modèle de régression excluant les constantes).
 : Opérateur de la somme (i = 0, n)
 : Opérateur du produit (j = 0, 9)
Bi = Coefficients de régression.
La marge de validité de cette méthode est :
Fn entre 0.15 et 0.90
DLR entre 16.239 et 359.180
LCB entre 0.481 et 0.591
ie entre 2.600 et 31.730
L/B entre 2.520 et 17.935
B/T entre 1.696 et 10.204
Cp entre 0.526 et 0.774
Cm entre 0.556 et 0.994
Cwp entre 0.662 et 0.841
TA entre 0.00 et 0.740
TB entre 0.000 et 1.000
TT entre 0.000 et 0.770
Cws (Wetted Surface Coefficient) entre 14.324 et 23.673
Résistance de frottement
Le coefficient de frottement est calculé par la méthode ITTC 1957 :
0.075
CF 
2
 log10  Re   2
__________________________________________________________________________________
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Chapitre 2
Estimation de la Puissance Propulsive des Navires
Coefficients de régression – Méthode de Fung-Liebmann
I
Bi
X1 X2 X3 X4 X5 X6 X7 X8 X9
i
Bi
X1 X2 X3 X4 X5 X6 X7 X8 X9
0 -0.0768852 0 0 0 0 0 0 0 0 0
35 -0.6353710 2 0 0 1 0 0 0 0 0
1 -5.3817900 1 0 0 0 0 0 0 0 0
36 -0.2575700 2 0 0 0 0 1 0 0 0
2 -7.3172000 0 1 0 0 0 0 0 0 0
37 -0.0217107 2 0 0 0 0 0 1 0 0
3 4.0212100 0 0 1 0 0 0 0 0 0
38 0.5663620 1 2 0 0 0 0 0 0 0
4 -3.0154100 0 0 0 1 0 0 0 0 0
39 -0.4384070 1 1 1 0 0 0 0 0 0
5 -3.3034700 0 0 0 0 0 1 0 0 0
40 -2.1790300 1 1 0 1 0 0 0 0 0
6 -0.3560160 0 0 0 0 0 0 1 0 0
41 -0.1157800 1 1 0 0 0 0 1 0 0
7 -0.7864200 0 0 0 0 0 0 0 1 0
42 0.1795660 1 0 2 0 0 0 0 0 0
8 0.5219150 2 0 0 0 0 0 0 0 0
43 -0.4294660 1 0 1 1 0 0 0 0 0
9 3.6728900 1 1 0 0 0 0 0 0 0
44 -0.2797660 1 0 1 0 0 1 0 0 0
10 -0.5265970 1 0 1 0 0 0 0 0 0
45 0.0317788 1 0 1 0 0 0 1 0 0
11 3.6657800 1 0 0 1 0 0 0 0 0
46 -0.3435530 1 0 1 0 0 0 0 0 1
12 2.9864900 1 0 0 0 1 0 0 0 0
47 -2.2750200 1 0 0 2 0 0 0 0 0
13 2.9831400 1 0 0 0 0 1 0 0 0
48 3.6338800 1 0 0 1 0 1 0 0 0
14 0.3224910 1 0 0 0 0 0 1 0 0
49 -0.1088050 1 0 0 1 0 0 1 0 0
15 1.3066300 1 0 0 0 0 0 0 0 1
50 -2.5626000 1 0 0 0 1 1 0 0 0
16 2.1950800 0 2 0 0 0 0 0 0 0
51 -0.1188630 1 0 0 0 0 1 1 0 0
17 6.3962400 0 1 0 1 0 0 0 0 0
52 -0.1846400 1 0 0 0 0 0 1 0 1
18 3.3582200 0 1 0 0 1 0 0 0 0
53 -0.2616470 0 2 1 0 0 0 0 0 0
19 0.3036790 0 1 0 0 0 0 1 0 0
54 -3.8195800 0 2 0 0 1 0 0 0 0
20 -1.4792000 0 1 0 0 0 0 0 0 1
55 0.1225660 0 1 2 0 0 0 0 0 0
21 -0.9375770 0 0 2 0 0 0 0 0 0
56 -0.2800950 0 1 1 0 0 1 0 0 0
22 0.8657370 0 0 1 1 0 0 0 0 0
57 -0.0338132 0 1 1 0 0 0 1 0 0
23 -0.5543990 0 0 1 0 1 0 0 0 0
58 0.3287260 0 1 1 0 0 0 0 0 1
24 0.5885840 0 0 1 0 0 1 0 0 0
59 -5.6044500 0 1 0 1 1 0 0 0 0
25 -0.1395060 0 0 1 0 0 0 1 0 0
60 0.4034580 0 1 0 0 0 2 0 0 0
26 0.6936350 0 0 1 0 0 0 0 0 1
61 0.7806980 0 1 0 0 0 1 0 0 1
27 -7.4962600 0 0 0 1 0 1 0 0 0
62 0.3615190 0 0 2 1 0 0 0 0 0
28 -0.6192280 0 0 0 1 0 0 1 0 0
63 0.0332259 0 0 2 0 0 0 1 0 0
29 2.0395900 0 0 0 0 1 1 0 0 0
64 -0.9738470 0 0 1 2 0 0 0 0 0
30 0.3454600 0 0 0 0 1 0 1 0 0
65 -0.1611350 0 0 1 1 0 0 1 0 0
31 -5.4932300 0 0 0 0 1 0 0 0 1
66 4.1889600 0 0 0 2 1 0 0 0 0
32 0.2514840 0 0 0 0 0 1 1 0 0
67 0.7622500 0 0 0 2 0 0 1 0 0
33 -0.9467220 0 0 0 0 0 1 0 0 1
68 1.5920600 0 0 0 1 0 2 0 0 0
34 0.6660340 0 0 0 0 0 0 0 0 2
69 0.7761980 0 0 0 1 0 0 1 0 1
__________________________________________________________________________________
Propulsion Navale I
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Chapitre 2
Estimation de la Puissance Propulsive des Navires
Résistance des appendices
La résistance des appendices peut être estimée en utilisant les courbes des figures suivantes.
Elle est fonction du type de navire : à une hélice ou à deux hélices.
Figure 2.4. Estimation de la résistance des appendices
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Chapitre 2
Estimation de la Puissance Propulsive des Navires
Résistance de l’air
Un navire ne subit pas uniquement de la résistance de l’eau, mais aussi de l'air pour la partie
du navire située au-dessus de la ligne de flottaison.
Taylor (1943) proposa une formule pour le calcul de la résistance de l’air qui est largement
utilisée dans l’avant projet d’un navire:
1
Rair  0.783 B 2VR2
2
où B est la largeur du navire en m et VR est la vitesse apparente relative de l’air en m/s.
Cette formule présente l’avantage de ne pas contenir la surface frontale qui n’est pas souvent
connue en avant projet d’un navire.
2.2 Puissances et rendements
Il est utile de définir les principaux termes de puissance d’un navire comme le schématise la
Figure 2.5.
Figure 2.5. Schéma des puissances d’un navire
La puissance au frein (BHP, Brake HorsePower) est la puissance mesurée sur l’arbre du
moteur à l’aide d’un frein mécanique, hydraulique ou électrique. Elle est déterminée en usine
et calculée par la formule suivante :
BHP  2 nQ
où Q est le couple moteur ; n la vitesse de rotation du moteur.
La puissance de la ligne d’arbres (SHP, Shaft HorsePower) est la puissance transmise par la
ligne d’arbres. Elle est généralement mesurée à bord du navire au moyen d'un torsiomètre.
Cet instrument mesure l'angle de torsion entre deux sections de l'arbre, qui est proportionnel
au couple transmis. Habituellement, on écrit :
SHP  BHPG
où G est le rendement du réducteur (gear).
A l’aide du rendement de la ligne d’arbres s, on obtient la puissance délivrée à l’hélice DHP
(Delivered HorsePower) :
DHP  BHPGs
qui est la puissance fournie à l’hélice pour la propulsion du navire.
__________________________________________________________________________________
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Chapitre 2
Estimation de la Puissance Propulsive des Navires
Figure 2.6. Banc moteur à frein
Etant donné que l’hélice avance dans l’eau à une vitesse VA, elle délivre une poussée T, et la
puissance de poussée (THP, Thrust HorsePower) est :
THP  T VA
Les essais en bassin des carènes permettent de déterminer la résistance totale à l’avancement
du navire à une vitesse donnée, de sorte que la puissance effective (EHP, Effective
HorsePower) est :
EHP  RT Vs
Cette puissance est reliée à la puissance délivrée à l’hélice par le rendement de l’hélice
derrière la coque B par la relation :
EHP  DHPB
Le rendement de l’hélice derrière la coque B est compris entre 0.5 et 0.7 alors que les autres
rendements sont très proches de 1. Il peut être exprimé par :
B OR
où O est le rendement de l’hélice en eau libre qui est relatif au fonctionnement dans l’eau
libre, c’est-à-dire une hélice travaillant dans un champ homogène en absence de la carène. Le
rendement de l’hélice en eau libre dépend, particulièrement, de la vitesse d’avance VA, la
poussée T, la vitesse de rotation n, le diamètre D et de la géométrie de l’hélice : nombre de
pales, fraction de surface et pas réduit. Le rendement de l’hélice en eau libre varie de 0.35 à
0.75, avec la valeur la plus élevée étant attribuée aux hélices ayant une grande vitesse
d’avance.
La vitesse réelle de l’eau autour de l’hélice n’est ni constante ni perpendiculairement à la
zone du disque de l’hélice, mais elle a le caractère d’un écoulement rotationnel. Par
conséquent, comparé au travail de l’hélice en eau libre, le rendement de l’hélice est affecté
par un facteur appelé : rendement relatif de rotationR. Sur les navires à une seule hélice, le
rendement relatif de rotation est autour de 1.0 à 1.07, en d’autres termes, la rotation de l’eau à
un effet bénéfique. Il est de 0.98 pour les navires à deux hélices.
Enfin, le rapport de la puissance appliquée au navire à la puissance produite par l’hélice est
appelé rendement de coque H :
__________________________________________________________________________________
Propulsion Navale I
Cours Préparé par : A. Ouadha 21
Chapitre 2
H 
Estimation de la Puissance Propulsive des Navires
EHP RV
R /T
1 t



THP T VA VA / V 1  w
où t = 1-RT/T est le coefficient de succion (poussée) et w = 1-VA/Vs est le coefficient de
sillage.
Pour un navire à une hélice, le rendement de coque est habituellement dans la marge de 1.1 à
1.4, avec la valeur la plus élevée pour des navires ayant des coefficients de remplissage
élevés. Pour les navires à deux hélices avec un étambot conventionnel, le rendement de coque
varie de 0.95 à 1.05, encore avec la valeur la plus élevée pour les navires ayant un coefficient
de remplissage élevé.
2.3 Essai d’autopropulsion
Les essais d’autopropulsion sont effectués pour déterminer la puissance nécessaire, mais
également pour avoir des informations sur les phénomènes de sillage et de succion pour le
calcul de l’hélice qui sera choisie après ces essais.
Le modèle est équipé d’un système propulsif composé d’un moteur électrique (Figure 2.7).
Figure 2.7. Essai d’autopropulsion
Les essais sont de nouveau réalisés pour la similitude de Froude. Le coefficient de résistance
totale est alors plus élevé pour le navire, puisque le coefficient de résistance de frottement
diminue avec l'augmentation du nombre de Reynolds. Cet effet est compensé par
l’application d’une force de déduction de frottement. Cette force est déterminée comme suit :
1
FD   Vm2  S m  1  k  cFm  cFs   c A  c AA 
2
L’hélice doit alors produire une poussée pour vaincre la résistance totale moins la force
compensatrice. L’essai d’autopropulsion est effectué à une vitesse constante. La vitesse de
rotation de l’hélice est ajustée de façon à que le modèle soit en équilibre d’autopropulsion.
Habituellement la vitesse du chariot de remorquage est gardée constante et la vitesse de
rotation de l’hélice est variée jusqu'à ce que l’équilibre soit atteint. Puis un dynamomètre de
l’hélice mesure sa poussée et son couple en fonction de la vitesse. Les mesures peuvent être
extrapolées au navire à l’aide des lois de similitude :
Vitesse :
Vs   Vm
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Chapitre 2
Estimation de la Puissance Propulsive des Navires
Vitesse de rotation :
ns  nm / 
Poussée :
Ts  Tm   s m    3
Couple :
Qs  Qm   s m    4
Il est à noter que l’écoulement autour de l’hélice du modèle n’est pas géométriquement
similaire à celui du navire en raison de la différence dans le nombre de Reynolds. Ainsi le
coefficient de sillage est également différent. La vitesse de rotation de l’hélice doit être
également corrigée pour correspondre au nombre de Reynolds du navire.
Les effets d’échelle sur le coefficient de sillage sont compensés par la formule empirique :
ws  wm 
 c 
cFs
  t  0.04  1  Fs 
cFm
 cFm 
t est le coefficient de poussée, il est supposé le même pour le modèle et le navire.
L’évaluation de l’essai d’autopropulsion nécessite les caractéristiques de résistance et les
caractéristiques de l’hélice en eau libre de l’hélice. Il y a deux approches :
- Approche de poussée identique : L’hélice produit la même poussée dans un sillage de
coefficient que dans l’eau libre avec une vitesse Vs(1-w) pour la même vitesse de rotation,
propriétés de l’eau, etc.…
- Approche du couple identique : L’hélice produit le même couple dans un sillage de
coefficient que dans l’eau libre avec une vitesse Vs(1-w) pour la même vitesse de rotation,
propriétés de l’eau, etc.…
La méthode ITTC utilise l’approche de la poussée identique. Les résultats des essais
d’autopropulsion sont généralement donnés par des diagrammes, tels que ceux de la Figure
2.8. La puissance délivrée et la vitesse de rotation sont tracées en fonction de la vitesse.
Figure 2.8. Résultats des essais d’autopropulsion
__________________________________________________________________________________
Propulsion Navale I
Cours Préparé par : A. Ouadha 23
Chapitre 2
Estimation de la Puissance Propulsive des Navires
Ces résultats sont validés pour le navire en apportant certaines corrections qui tiennent en
compte du vent, de l’état de mer et de la profondeur. Les résultats englobent les conditions de
pleine charge et les conditions de ballast et celles de vitesse de service. Les conditions de
service donnent une résistance plus élevée reflétant la réalité après des années de service :
augmentation de la rugosité due à la corrosion et aux dépôts de plantes et algues marines sur
la coque, résistance supplémentaire dans des mers houleuses et dans les vents.
Méthode ITTC 1978 de prédiction des performances
La méthode ITTC 1978 de prédiction des performances est largement adoptée dans
l’évaluation des essais sur modèles. Cette méthode suppose que les essais suivants ont été
réalisés :
Essais de remorquage :
RTm  f Vm 
Essais de l’hélice en eau libre :
Tm  f VAm , nm  ; Qm  f VAm , nm 
Essais d’autopropulsion :
Tm  f Vm , nm  ; Qm  f Vm , nm 
RT est la résistance totale, V est la vitesse du navire, VA est la vitesse moyenne d’arrivée d’eau
à l’hélice et n est la vitesse de rotation de l’hélice.
La résistance est calculée en utilisant la méthode ITTC1978 :
- déterminer le coefficient de résistance totale du modèle :
RTm
cTm 
1
 m  S m Vm2
2
- déterminer le coefficient de résistance de frottement du modèle (ITTC1957) :
0.075
cFm 
2

 Vm  Los  
 log10 
  2 
 m  

- Déterminer le coefficient de résistance des vagues :
Cw  CTm  1  k  CFm
- Déterminer le coefficient de résistance totale du navire :
CTs  Cw  1  k  CFs  CA  CAA
- Déterminer la résistance totale du navire :
1
RTs  CTs    s  S s  Vs2
2
Le facteur de forme k est déterminé par lissage de  et n par la méthode des moindres carrée
dans la fonction :
cTm
Fn n
 1  k    
cFm
cFm
Les essais de l’hélice en eau libre donnent le coefficient de poussée KT et le coefficient de
couple KQ en fonction du coefficient d’avance J :
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Propulsion Navale I
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Chapitre 2
KTm 
K Qm 
J
Estimation de la Puissance Propulsive des Navires
Tm
 m  nm2  Dm4
Qm
 m  nm2  Dm5
VAm
nm  Dm
Les caractéristiques de l’hélice du modèle sont extrapolées au navire par :
c ps
KTs  KTm  0.3 Z
 CD
Ds Ds
K Qs  K Qm  0.25 Z
c ps
 CD
Ds Ds
Z est le nombre de pales de l’hélice, ps/Ds est le pas réduit et c la corde à 0.7D.
CD  CDm  CDs
Qui exprime la variation du profile du coefficient de résistance des pales de l’hélice. Ils sont
calculés par :

t  0.044
5 
CDm  2 1  2 m  1 6  2 3 
cm  Reco Reco 

t est l’épaisseur maximale de la pale, c la corde maximale. Le nombre de Reynolds
2
Reco  Vco cm  m à 0.7 Dm , i.e. Vco  VAm
  0.7  nm Dm 
2
2.5

t 
c 
CDs  2 1  2 s  1.89  1.62 log10 s 
cs  
k p 

kp est la rugosité de la pale de l’hélice, prise égale à 3x10 -5 m si elle n’est pas connue.
Les caractéristiques de l’hélice en eau libre sont désignées par l’indice fv. Les résultats des
essais d’autopropulsion sont désignés par l’indice pv :
Tm
KTm , pv 
 m  nm2  Dm4
K Qm , pv 
Qm
 m  nm2  Dm5
L’approche de la poussée identique est adoptée, i.e. KTm,pv = KTm,fv. Le diagramme des essais
en eau libre peut être utilisé pour déterminer le coefficient d’avance Jm. Ce qui permet de
déterminer le coefficient du sillage du modèle :
J D n
wm  1  m m m
Vm
Le coefficient de poussée est donné par :
F  RTm
t  1 D
Tm
FD est la force compensatrice de la différence entre la résistance du modèle et celle du
navire :
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Chapitre 2
Estimation de la Puissance Propulsive des Navires
1
 Vm2  Sm  1  k  cFm  cFs   c A  c AA 
2
En connaissant Jm, le coefficient de couple KQm,fv peut être aussi déterminé. Le rendement de
l’hélice derrière la coque est alors :
K
J
bm  Tm, pv  m
K Qm , pv 2
FD 
Le rendement de l’hélice en eau libre est :
K
J
om  Tm, fv  m
K Qm , fv 2
Le rendement relatif de rotation peut être déterminée donc par :
K

 R  bm  Qm , fv
om K Qm , pv
Alors que t et R sont supposés identiques pour le navire et le modèle, le coefficient de sillage
w doit être corrigé :
ws  wm
 C 
CFs
  t  0.04  1  Fs 
CFm
 CFm 
Une courbe du paramètre KT/J2 en fonction de J est introduite dans le diagramme des essais
en eau libre pour le navire. Le point de conception est défini par :
Ts
S
CTs
 KT 
 s2 
 2 
2
2
2
 J s s  Ds VAs 2Ds 1  t 1  ws 
La courbe KT/J2 peut être ensuite utilisée pour déterminer le Js correspondant. Ce qui donnera
le coefficient de couple de l’hélice derrière le navire KQs=f(Js) et le rendement de l’hélice en
eau libre os=f(Js). La vitesse de rotation de l’hélice du navire est alors :
1  ws  Vs
ns 
J s Ds
Le couple de l’hélice du navire sera :
KQs
Qs 
 s  ns2  Ds2
R
La poussée de l’hélice du navire :
K 
Ts   T2   J s2  s  ns2  Ds4
 J s
La puissance délivrée à l’hélice est calculée par :
PDs  Qs  2  ns
Le rendement propulsif est donné par :
Ds  o R Hs
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Chapitre 2
Estimation de la Puissance Propulsive des Navires
2.4 Exercices Résolus
Exercice 1
Un modèle de 6 m d’un navire de 180 m est remorqué en basin des carènes à une vitesse de
1.61 m/s. L’instrument de mesure de la résistance indique 20 N. La surface mouillée du
modèle est égale à 4 m2. Estimer la vitesse correspondante du navire en nœuds et la puissance
effective.

Ls 180

 30
Lm
6
S s  2  S m  302  4  3600 m2
Vm
1.61
Fn 

 0.21
g  Lm
9.81  6
Vs  Fn  g  Ls  0.21  9.81  180  8.824 m/s
8.824
Vs 
 17.15 kn
0.5144
Une loi d'échelle simple suppose que les coefficients de résistance restent constants. Les
méthodes de prédiction plus précises ont une légère dépendance à la vitesse du coefficient de
résistance au frottement et introduisent un coefficient de corrélation. Donc:
RT , m
20
cT  1
1
 541 kN
2
  Vm  Sm 2  1000  1.612  3600
2
PE  RT , s  Vs  541  8.824  4771 kW
Exercice 2
Un modèle d’un voilier a été testé en bassin des carènes. Le voilier possède les
caractéristiques suivantes : Lpp = 9.00 m, S = 24.0 m2,  = 5.150 m3. Le voilier devrait
naviguer en mer avec  = 1025 kg/m3,  = 1.19106 m2/s. Le modèle est testé à une échelle 
= 7.5 en eau douce avec  = 1000 kg/m3,  = 1.145106 m2/s. Les essais sur le modèle ont
donné :
Vm [m/s] 0.5
0.6
0.75 0.85
1.0
1.1
1.2
RT,m [N] 0.402 0.564 0.867 1.114 1.584 2.054 2.751
a. Déterminer le facteur de forme en utilisant la méthode de Hughes-Prohaska.
b. Déterminer le facteur de forme en utilisant la méthode ITTC78 en supposant
l’exposant n pour Fn égal à 4.
Les données du modèle sont:
Lm = Ls/ = 9/7.5 = 1.2 m
Sm = Ss/2 = 24/7.52 = 0.427 m2
Nous ne considérons que les 4 vitesses les plus faibles, car pour les autres, une influence
significative des vagues est à prévoir.
a)
Nous calculons le coefficient de résistance totale du modèle, en
utilisant Fn  V / gL , Rn  V  L / , cF ,0  0.067 /(log 10 Rn  2)2
__________________________________________________________________________________
Propulsion Navale I
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Chapitre 2
Estimation de la Puissance Propulsive des Navires
Vm
0.50 m/s
0.60 m/s
0.75 m/s
0.85 m/s
RT,m
0.402
0.564
0.867
1.114
Fn
Rn105 cF0 103 cT 103
0.146 5.24
4.843
7.532
0.175 6.29
4.643
7.338
0.219 7.86
4.415
7.219
0.248 8.91
4.295
7.222
cT/cF0 Fn4/cF0
1.555 0.091
1.580 0.197
1.635 0.507
1.681 0.859
Ensuite, l'analyse de régression (par exemple en utilisant Excel) donne  = 0.165 et k
= 0.545.
(Si seuls les 3 derniers points sont utilisés,  = 0.190, k = 0.540.)
b) Nous calculons maintenant: cF  0.075 /(log 10 Rn  2) 2
Vm
RT,m
Fn
Rn105 cF 103 cT 103
0.50 0.402 0.146 5.24
5.422 7.532
0.60 0.564 0.175 6.29
5.198 7.338
0.75 0.867 0.219 7.86
4.943 7.219
0.85 1.114 0.248 8.91
4.807 7.222
cT/cF Fn4/cF
1.389 0.082
1.412 0.176
1.461 0.453
1.502 0.768
L'expression pour n = 4 est :
cT
Fn4
 (1  k )   
cF
cF
L'analyse de régression donne  = 0.189 et k = 0.376. Le facteur de forme diffère de
Hughes-Prohaska, car l’approche ITTC'57 considère déjà dans une certaine mesure
une influence de forme.
Exercice 3
Un navire de 140 m de longueur avance à 15 nœuds. La résistance totale de son modèle de
4.9 m mesurée en bassin des carènes est égale à 19 N. En utilisant l’approche ITTC57,
calculer la résistance totale du navire.
La surface mouillée du navire est égale à 3300 m2. La masse volumique de l’est de mer est
1025 kg/m3, celle de l’eau douce 1000 kg/m3. m = 1.14106 m2/s , pour l’eau douce, s =
1.19106 m2/s l’eau de mer. Utiliser un coefficient de corrélation cA =0.0004.
Vm  Vs 
Lm
4.9
 15  0.5144 
 1.44 m/s
Ls
140
S m L2m
L2m
4.9 2
 2  S m  S s  2  3300 
 4.043 m2
2
Ss
Ls
Ls
140
V L
1.44  4.9
Rn,m  m m 
 6.189  10 6
6
m
1.14  10
V L
(15  0.5144)  140
Rn,s  s s 
 9.078  108
6
s
1.19  10
0.075
0.075
c F ,m 

 3.267  10 3
2
2
6
log 10 Rn  2 log 10 6.189  10  2
__________________________________________________________________________________
Propulsion Navale I
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Chapitre 2
Estimation de la Puissance Propulsive des Navires
0.075
0.075

 1.549  10 3
2
2
8
log 10 Rn  2 log 10 9.078  10  2
RT ,m
19
 1
 1
 4.533  10 3
2
2

V
S

1000

1
.
44

4
.
053
m m m
2
2
c F ,s 
cT ,m


cw  cT ,m  cF ,m  4.533  10 3  3.267  10 3  1.266  10 3
cT ,s  cF ,s  cw  c A  (1.549  1.266  0.4)  10 3  3.215  10 3
RT ,s  cT ,s 
s
2
 Vs2  S s  3.215  10 3 
1025
 7.716 2  3300  323.7 kN
2
Exercice 4
Dans les essais en eau libre sur un modèle d’une hélice d’un diamètre de 200 mm, une
poussée de 252 N et un couple de 9.25 N.m ont été mesurés à une vitesse de rotation de 2400
trs/min et une vitesse d’avance égale à 5.6 m/s.
Les réductions de la poussée et du couple (valeurs qui vont être déduites des valeurs
mesurées) sont égales respectivement à -4 N et 0.034 N.m.
Déterminer les coefficients de poussée, de couple et d’avance de cette hélice ainsi que son
rendement en au libre.
L’hélice du navire a quatre pales, un diamètre de 5 m et un pas réduit de 0.8. La section de la
pale à 0.75R a une épaisseur de 0.0675 m et une corde de 1.375 m. Si la rugosité de la surface
des pales de l’hélice est de 30 microns, déterminer les coefficients de poussée et de couple de
l’hélice du navire et son rendement en eau libre.
Dm= 200 mm = 0.2 m
Tm=252 - (-4.0) = 256 N
nm=2400 tr/min= 40 tr/s
Qm =9.250 - 0.034=9.216 N.m
VAm=5.6 m/s
ρM=1000 kg/m3
νM=1.139*10-6 m2/s
Ds=5 m
P/D=0.8
Cs=1.375 m
ts=0.0675 m
-6
kp = 30 µm = 30x10 m
Détermination des coefficients KT, KQ, J du modèle de l’hélice ainsi que le rendement en eau
libre :
J
VAM
5.6

 0.7
nM .DM 40  0.2
KTM 
TM
256

 0.1
2
4
M .nM DM 1000  40  0.24
KQM 
QM
9.216

 0.018
2
5
M .nM DM 1000  402  0.25
OM 
kTM J
0.1 0.7

 0.6189
kQM 2 0.18 2
cM  cs
DM
0.2
 1.375
 0.055 m
Ds
5.0
2
2
VRM
 VAM
  0.75 nM DM   5.62   0.75  40  0.2   386.6658 m 2 /s
2
2
VRM  19.6638 m/s
RnCM 
VRM  CM
M

19.6638  0.055
 0.9495  106
1.139 106
t 0.0675

 0.04909
c 1.375
__________________________________________________________________________________
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Cours Préparé par : A. Ouadha 29
Chapitre 2

5
 t    0.044
CDM  2 1  2     1 6  2 3
c
R
R
    nCM

nCM
CDS
Estimation de la Puissance Propulsive des Navires



0.044
5
  8.6110 10 3

  2 1  2  0.04909  
1
6
2
3
6
6

 0.9495 10  
  0.9495 10 
C 

 t  
 2 1  2    1.89  1.62 log s 
k p 
 c   

2.5
1.375 

 2 1  2  0.04909 1.89  1.62 log
30  106 

2.5
 8.0195  103
CD  CDM  CDS  0.5915  103
pC
1.375
Z  0.3  0.5915 103  0.8 
 4  0.1562 10 3
DD
5.0
C
1.375
K Q  0.25 CD Z  0.25  0.5915  103
 4  0.1627 10 3
D
5.0
KT  0.3 CD
KTS  KTM  KT  0.1   0.1562  103   0.1002
K QS  K QM  K Q  0.018   0.1627 103   0.01784
OS 
KTS J
0.1002 0.7

 0.6256
K QS 2 0.01784 2
Exercice 5
La puissance effective d’un navire à une seule hélice de 100 m de longueur avançant à une
vitesse de 15 nœuds est égale à 2150 kW. La résistance totale de son modèle réalisé à une
longueur de 4 m est égale à 25.4 N à la vitesse correspondante.
Déterminer la force de remorquage qui sera appliquée au modèle dans l’essai
d’autopropulsion à cette vitesse pour obtenir le point d’autopropulsion du navire.
L’hélice du modèle de diamètre de 0.2 m tourne à une vitesse de 534 tr/min pour cette force
de remorquage demandée, et la poussée et le couple de cette hélice sont, respectivement,
21.75 N et 0.682 N.m.
Les données de l’hélice du modèle en eau libre sont :
J
KT
10 KQ
0.6
0.199
0.311
0.7
0.144
0.249
0.8
0.088
0.186
Analyser ces données et déterminer la vitesse de rotation de l’hélice du navire et la puissance
délivrée à l’hélice si on tient compte des facteurs de corrections de 1.02 et 1 sur la vitesse de
rotation et la puissance délivrée à l’hélice du navire.
Ls = 100 m
Lm = 4 m
Dm = 0.2 m

LS 100

 25
LM
4
DS  DM    0.2  25  5.0m
Vs = 15 nœuds = 7.716 m/s
nm = 534 tr/min = 8.9 tr/s
Qm = 0.682 N.m
PE = 2150 kW
RTm = 25.4 N
Tm = 21.75 N
VM  VS   0.5 
RTS 
7.716
 1.5432 m/s
5
PE 2150

 278.6418kN
VS 7.716
 M RTS
1.0 278.6418 1000
 25.4 
 8.0019 N
S  3
1.025
253
1.0 278.6418 1000
 R
 
253
t  1
 1  1.025
 0.2001
TM
21.75
F  1
M
S
TS
3
__________________________________________________________________________________
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Chapitre 2
KTBM 
KQBM 
Estimation de la Puissance Propulsive des Navires
TM
21.75

 0.1716
2
4
 M  nM  DM 1000  8.92  0.24
QM
M  nM2  DM5

0.682
 0.02691
1000  8.92  0.25
Poussée Identique
KT  KTBM  0.1716
J  0.6500
O 
KQM  0.02801
KTM J
0.1716 0.65

 0.6338
K QM 2 0.02801 2
wT  1 
Couple Identique
KQ  KQBM  0.02691
J  nM  DM
0.65  8.9  0.2
 1
 0.2503
VM
1.5432
1  t 0.7999

 1.0670
1  w 0.7497
K
0.02801
R  QM 
 1.0409
KQBM 0.02891
J  0.6678
O 
KTM  0.1618
0.1618 0.6678
 0.6390
0.02691 2
wQ  1 
0.6678  8.9  0.2
 0.2297
1.5432
0.7999
 1.0384
0.7703
K
0.1716
 R  TBM 
 1.0606
KTM
0.1618
H 
H 
D  H 0 R  1.0670  0.6338 1.0409  0.7039
D  1.0384  0.6390 1.0606  0.7037
1
nS  nM   0.5  8.9   1.78 tr / s  106.8 tr/min
5
3
5
PD  2  S S  DS KQBM  2 1.025 1.783  5.05  0.02691 3054.41kW
D 
PE
2150

 0.7039
PD 3054.41
Prédictions pour le navire :
nS  ns k1  106.8 1.02  108.9 tr/min
PD  PD  k2  3054.411.00  3054.41kW
Cette analyse suppose que la différence entre les caractéristiques en eau libre de l’hélice du
modèle et celle du navire est négligée.
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Propulsion Navale I
Cours Préparé par : A. Ouadha 31
Chapitre 3
Types et Choix des Systèmes de Propulsion
Chapitre 3
Types et Choix des Systèmes de Propulsion
La propulsion mécanique a commencé au cours du 18ème siècle avec la machine à vapeur qui,
à l'époque, comprenait des chaudières élémentaires alimentant des moteurs alternatifs. La
technologie de propulsion à vapeur a progressé pour embrasser les avancées techniques
développées par James Watt qui ont conduit à la Savannah en 1819 à être propulsée par un
moteur à vapeur entraînant des roues à aubes. Vers la fin du 19 ème siècle, la turbine à vapeur a
été adoptée. Cet événement unique allait changer totalement la propulsion des navires car il
annonçait la fin des machines marines à mouvement alternatif à vapeur au profit de la turbine
à vapeur.
Parallèlement à l'arrivée de la turbine à vapeur, Rudolf Diesel, en 1892, a déposé un brevet et
a fait fonctionner son premier moteur alternatif un an plus tard. Cette ligne de développement
a ouvert la voie à un petit pétrolier, le Vulcanus, pour devenir le premier navire propulsé par
un moteur diesel. Il a été suivi par un cargo océanique beaucoup plus grand, le Selandia en
1912. Cependant, l’évolution de l’utilisation de la propulsion diesel était si lente telle qu'en
54, seulement 19% de la flotte était propulsée par des moteurs diesel.
Les turbines à gaz ont fait leur apparition dans les navires de guerre comme méthode de
propulsion marine, en particulier pour les modes de fonctionnement à grande vitesse et en
accélération. Pour la propulsion navale, les turbines à gaz étaient des versions marinisées de
moteurs d'avion. Par la suite, la turbine à gaz industrielle a trouvé la faveur de certains
secteurs de l'industrie en raison de sa robustesse en termes de fonctionnement et d'utilisation
de carburant.
Aujourd'hui, la turbine à vapeur a très largement cédé la place au moteur diesel. Cette
transition s'est produite relativement rapidement et a coïncidé avec la percée de la
turbocompression et de la combustion de carburant lourd dans les moteurs diesel lents, ce qui
a donné à ces moteurs à la fois la puissance et l'économie de carburant pour devenir plus
efficaces que la propulsion basée sur les turbines à vapeur. Par conséquent, les turbines à
vapeur ne se trouvent normalement aujourd'hui que dans les navires et sous-marins à
propulsion nucléaire ainsi que dans certains navires au GNL; bien que dans ce dernier cas, ils
cèdent également la place aux moteurs diesel.
Chaque type de navire a développé des formes de coque et de machines spécialisées qui sont
adaptées à leurs besoins commerciaux. Par conséquent, les technologies innovantes sont
rarement adaptées à une application générale à tous les navires et une sélection rigoureuse
doit être effectuée en fonction des caractéristiques du navire, des compétences disponibles de
l'équipage et du profil opérationnel souhaité du navire.
3.1 Réglementation Internationale
La communauté maritime internationale opère dans les eaux territoriales et internationales à
travers le monde et a besoin d'un régime réglementaire qui puisse convenablement répondre à
ce niveau de complexité internationale. L'Organisation Maritime Internationale (OMI/IMO,
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Propulsion Navale I
Cours Préparé par : A. Ouadha 32
Chapitre 3
Types et Choix des Systèmes de Propulsion
International Maritime Organization), basée à Londres, est une institution des Nations Unies
et fournit ce forum avec un secrétariat pour les gouvernements des États du pavillon. Dans ce
forum, observé par d'autres parties intéressées, des ensembles de réglementations sont
convenus, révisés et publiés en tant que conventions et une fois ratifiés, mis en œuvre par les
États dans les lois nationales qui s'appliquent ensuite aux navires battant leur pavillon.
Souvent, les règles de l'OMI sont établies rétrospectivement à un incident et la conclusion
d'un accord international peut impliquer des délais de mise en œuvre prolongés afin de
répondre aux préoccupations des nations.
Les conventions de l'OMI les plus pertinentes en relation avec la propulsion des navires sont:
 La Convention sur la sécurité de la vie humaine en mer (SOLAS, Safety of Life at
Sea) a une large couverture depuis les aspects de sécurité de la construction des
navires, la stabilité et la protection contre les incendies jusqu'aux règles de gestion de
la sécurité et de navigation. SOLAS est la pierre angulaire des exigences
internationales en matière de sécurité maritime, ayant été initiée à la suite de la
catastrophe du Titanic et développée au fil du temps de sorte qu'aujourd'hui, elle est
devenue un document de sécurité complet.
 La Convention sur la prévention de la pollution marine (MARPOL, Prevention of
Marine Pollution Convention) s'applique principalement à la protection du milieu
marin et englobe la contamination par le pétrole, les déversements de produits
chimiques, les eaux usées, les espèces marines, les déchets et la pollution de l'air par
les gaz d'échappement des moteurs. Les exigences sont strictes et les sanctions
nationales en cas de non-respect sont souvent sévères. Récemment, l'accent a été mis
sur les préoccupations de la communauté internationale concernant le changement
climatique et la contribution de la navigation commerciale aux niveaux de pollution.
 Les Normes de formation, de certification et de veille (STCW, Standards of
Training, Certification and Watchkeeping) établissent des normes pour la formation
aux compétences et qualifications des gens de mer. Cela se reflète dans les certificats
de compétence acquis par les officiers de la marine marchande au fur et à mesure
qu'ils progressent dans l'échelle promotionnelle vers le capitaine et le mécanicien en
chef.
Outre ces conventions, le Code international de gestion de la sécurité (ISM, International
Safety Management) de l’OMI fournit une norme internationale pour la gestion et
l’exploitation en toute sécurité des navires et pour la prévention de la pollution.
Au cours des années 1990, l'attention portée à la pollution de l'air et au réchauffement
climatique a conduit à une réglementation limitant les émissions d'oxydes d'azote (NOx) et de
soufre (SOx): polluants produits lors de la combustion dans les cylindres des moteurs diesel.
Les modifications ultérieures ont inclus des restrictions sur les émissions d'ozone, de
particules et de gaz à effet de serre.
Les normes d'émission de NOx de l'annexe VI de la MARPOL sont organisées en trois
niveaux: Tier I, II et III. Les normes de Tier I ont été définies dans la version de 1997 de
l'annexe, tandis que les normes des Tier II / III ont été introduites par des amendements
adoptés en 2008, comme suit:
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Propulsion Navale I
Cours Préparé par : A. Ouadha 33
Chapitre 3


Types et Choix des Systèmes de Propulsion
Protocole de 1997 (Tier I) - Le protocole de 1997 de la MARPOL, qui comprend
l'annexe VI, est entré en vigueur le 18 mai 2004 lorsque l'annexe VI a été ratifiée par
les États avec 54.6% du tonnage mondial de la marine marchande. En conséquence,
l'annexe VI est entrée en vigueur le 19 mai 2005. Elle s'appliquait rétrospectivement
aux nouveaux moteurs de plus de 130 kW installés sur des navires construits le 1 er
janvier 2000 ou après cette date, ou qui avaient subi une conversion majeure après
cette date. En prévision de la ratification de l'annexe VI, la plupart des fabricants de
moteurs marins construisent des moteurs conformes aux normes ci-dessus depuis
2000.
Amendements de 2008 (Tier II / III) - Les amendements de l'annexe VI adoptés en
octobre 2008 ont introduit de nouvelles exigences de qualité du carburant qui ont
commencé en juillet 2010; Normes d'émission de NOx de Tier II et III pour les
nouveaux moteurs; et exigences NOx du Tier I pour les moteurs antérieurs à 2000.
L'annexe VI révisée est entrée en vigueur le 1 er juillet 2010. En octobre 2008, l'annexe
VI avait été ratifiée par 53 pays, dont les États-Unis, qui représentaient 81.9% du
tonnage. Les limites de NOx s'appliquent à l'échelle mondiale, alors qu'à l'heure
actuelle, les exigences en matière d'émissions de SOx de l'annexe VI varient selon
l'endroit où le navire navigue. Des niveaux d'émission plus stricts pour le SOx
s'appliquent dans certaines zones de contrôle des émissions (ECAs, Emission Control
Areas). Actuellement, il existe quatre zones situées en mer Baltique, en mer du Nord,
en Amérique du Nord et dans les Caraïbes américaines, comme le montre la Figure
3.1.
Figure 3.1. Carte des zones de contrôle des émissions de 2019 (actuelles et proposées)
3.2 Principales Options de Propulsion Marine
3.2.1 Moteurs Diesel
Aujourd'hui, les machines à propulsion diesel sont le principal moyen de propulsion marine.
Les moteurs sont généralement classés en lents à deux temps; semi-rapide et rapide à quatre
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Propulsion Navale I
Cours Préparé par : A. Ouadha 34
Chapitre 3
Types et Choix des Systèmes de Propulsion
temps. Alors que certains navires, en raison de leur conception et de leur profil opérationnel,
utilisent des moteurs diesel lent ou semi-rapide comme mode de propulsion principal, la
plupart des navires sont équipés de moteurs diesel semi-rapides ou rapides supplémentaires
pour entraîner des groupes électrogènes. De plus, tous les navires marchands disposent d'un
moyen de secours pour produire de l'énergie électrique, comme l'exige SOLAS (de l’anglais,
Safety of Life at Sea).
Il y a trois raisons principales à cela : (a) le rendement thermique élevé des moteurs Diesel
par rapport aux autres moteurs principaux de propulsion, (b) suite à l'utilisation d'huiles de
lubrification alcalines, les gros moteurs diesel peuvent brûler les fiouls lourds (HFO) et (c)
les moteurs Diesel lents peuvent être directement connectés à l'hélice sans avoir besoin de
réducteurs et ils sont réversibles. En revanche, les moteurs Diesel nécessitent une salle des
machines plus grande que les turbines à gaz, leur principal rival de nos jours. En effet, les
moteurs Diesel ont une puissance spécifique par unité de volume et de poids inférieure. Cela
peut être un problème lorsque des puissances extrêmement grandes sont requises, par
exemple pour les porte-avions ou certains grands navires à grande vitesse.
(a)
(b)
Figure 3.2. (a). Moteur diesel marin lent à 2 temps (MAN G-Type) ; (b). Moteur Diesel marin
à 4 temps (MAN 51/60DF)
Depuis les années 60 et 70, le développement des moteurs diesel marins a été motivé par le
besoin d'une meilleure économie de carburant. Le résultat a été une augmentation du rapport
course/alésage, des pics de pression et des vitesses moyennes des pistons dans les moteurs
lents à deux temps pour réduire considérablement la consommation spécifique de carburant.
Des améliorations similaires du rendement du turbocompresseur, de la technologie d'injection
de carburant, de la pression effective moyenne au frein et des pressions d’allumage ont fait
baisser la consommation de carburant dans les moteurs semi-rapide à quatre temps.
Cependant, depuis le début des années 1990, les raisons du développement des moteurs diesel
marin ont changé. Le concept de réduction des NOx et des SOx sans compromettre la
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Propulsion Navale I
Cours Préparé par : A. Ouadha 35
Chapitre 3
Types et Choix des Systèmes de Propulsion
consommation de carburant, est devenu une priorité majeure pour respecter les limites
actuelles et futures imposées dans les zones de contrôle des émissions (ECAs). Le résultat a
été un certain nombre de développements dans la technologie des moteurs diesel marins,
notamment:
 Méthodes primaires
 Combustion à faible NOx, arbres à cames réglables ;
 Commande variable de soupape d'admission;
 Conception améliorée de la chambre de combustion ;
 Pression de suralimentation plus élevée ;
 Plus grande résistance mécanique dans l'architecture du moteur ;
 Développement des turbocompresseurs à deux étages ;
 Recirculation des gaz d'échappement ;
 Technologies de récupération de la chaleur résiduelle ;
 Turbocompresseur séquentiel ;
 Géométrie variable de la turbine ;
 Humidification de l'air d'admission ou injection d'eau ;
 Emulsion des carburants.
 Méthodes secondaires
 Systèmes de réduction catalytique sélective ;
 Carburants à faible teneur en soufre pour la limitation des SOx ;
 Systèmes d'épuration des gaz d'échappement utilisant à la fois l'épuration directe à
l'eau de mer ou l'épuration en circuit fermé à l'eau douce.
Les principales méthodes de limitation de la production de NOx dans le processus de
combustion visent à optimiser les paramètres du moteur, notamment la réduction du pic de la
température et de la durée du processus, par une injection de carburant à pression beaucoup
plus élevée sur une période plus courte, un timing précis et un contrôle de l'injection,
l'utilisation du calage des soupapes d'admission Miller et de la suralimentation à haute
pression. Cela a conduit aux développements actuels de la turbocompression à deux étages
pour des pressions de fonctionnement encore plus élevées mais avec des consommations de
carburant nettement plus faibles, permettant ainsi de nouvelles améliorations du rendement
des moteurs.
Cycle Miller
Dans le cycle Miller, l'air de suralimentation est comprimé à une pression plus élevée
que celle requise pour le cycle du moteur. Un remplissage réduit des cylindres est alors
contrôlé par un calage approprié de la soupape d'admission qui permet alors à une
certaine détente de l'air de suralimentation d'avoir lieu à l'intérieur des cylindres. Ce
processus détente permet le refroidissement de la charge au début du cycle, après quoi sa
densité augmente. Il en résulte un potentiel d'augmentation de la puissance du moteur.
L'application pratique du cycle Miller, cependant, nécessite un turbocompresseur
capable d'atteindre des rapports de pression de compresseur élevés en association avec
un rendement élevé dans ces conditions. Bien qu'initialement développé dans le but
d'augmenter la densité de puissance du moteur, il a été constaté que le cycle Miller peut
être utilisé, en réduisant les températures du cycle à pression constante, pour réduire la
formation de NOx pendant la combustion.
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Propulsion Navale I
Cours Préparé par : A. Ouadha 36
Chapitre 3
Types et Choix des Systèmes de Propulsion
La recirculation des gaz d'échappement (EGR, Exhaust Gas Recirculation) est une méthode
qui peut être utilisée pour réduire les NOx dans tous les types de moteurs diesel marins. Cette
méthode consiste à remplacer une partie de l'oxygène de l'air de suralimentation par du CO 2
contenu dans les gaz d’échappement, car le dioxyde de carbone a une capacité thermique plus
élevée, ce qui réduit les pics températures dans les cylindres.
L'injection d'eau dans les cylindres au moment de la combustion et l'humidification de l'air
d'admission ont été également utilisées pour réduire la teneur en NOx des gaz d'échappement
des moteurs lents.
Comme toute technologie, les moteurs Diesel marins présentent quelques avantages et
inconvénients qui seront listés ci-dessous :
 Avantages
 La technologie des moteurs diesel est un mode bien établi et fiable de propulsion
marine et de génération d'énergie auxiliaire.
 La formation d'ingénieurs pour faire fonctionner les machines diesel est bien
maitrisée avec la disponibilité de moyens pour un enseignement pratique
approprié.
 Les fabricants de moteurs disposent de réseaux de réparation et de pièces rechange
bien établis dans le monde entier.
 Le carburant diesel sous toutes ses qualités est facilement disponible avec un
réseau de distribution mondial.
 De nombreuses méthodes primaires et secondaires de réduction des émissions
polluantes sont désormais disponibles. En outre, les constructeurs de moteurs
poursuivent un programme de recherche et de développement pour les améliorer
d’avantage.
 Les moteurs diesel sont généralement capables de s’adapter avec les charges
partielles, le comportement transitoire et dynamique dans une voie maritime.
 Inconvénients
 Les moteurs diesel produisent des émissions de CO2 ainsi que des NOx, SOx, des
composés organiques volatils et des particules. Par conséquent, ils doivent être
rendus conformes aux exigences de l'annexe VI de la MARPOL et inclus lors
d'une évaluation EEDI du navire.
 Les émissions de SOx sont fonction de la teneur en soufre du carburant utilisé
dans le moteur et pour se conformer à la réglementation, une technologie de
réduction doit être employée.
 Il y a maintenant une certaine contamination de l'approvisionnement en carburant
marin par les biocarburants de première génération qui doivent être soigneusement
gérés à bord des navires.
3.2.2 Turbines à gaz
Les turbines à gaz ont été introduites pour la première fois dans la propulsion des navires de
guerre dans les années 1950 pour faciliter les modes de fonctionnement en accélération à
grande vitesse, car leur densité de puissance était élevée. Un autre avantage opérationnel était
la facilité relative avec laquelle les turbines à gaz pouvaient être démarrées et arrêtées, ce qui
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Cours Préparé par : A. Ouadha 37
Chapitre 3
Types et Choix des Systèmes de Propulsion
permettait d'accéder rapidement à des niveaux de puissance élevés. Les turbines à gaz
peuvent être utilisées soit dans des configurations d'entraînement de propulsion purement
mécaniques, soit alternativement pour produire de l'électricité, qui est ensuite utilisée par des
entraînements électriques pour propulser le navire. Cela a donné lieu à une variété de
dispositifs d'alimentation hybrides impliquant des combinaisons de turbines à gaz avec des
turbines à vapeur (COSAG); avec des moteurs diesel (CODAG) et avec des générateurs
diesel (CODLAG) pour répondre aux besoins de puissance changeants d'un navire de guerre
moderne: généralement plus léger, déploiement de remorquage, modes croisière et
accélération.
Pour le marché des turbines à gaz de navires marchands, deux types de moteurs ont fait leur
apparition: l'aérodérivé et les turbines à gaz industrielles. Les premiers étaient capables de
fournir une puissance élevée mais nécessitaient l'utilisation de carburants de haute qualité,
tandis que les seconds donnaient généralement des niveaux de puissance plus modestes mais
utilisaient des carburants de qualité inférieure et offraient des régimes d'entretien plus faciles.
Les turbines à gaz aérodérivées modernes sont conçues pour brûler des carburants distillés
disponibles sur le marché qui satisfont à la législation actuelle sur les émissions et les fumées.
Les carburants distillés, cependant, sont considérablement plus chers que les carburants
marins conventionnels brûlés dans les moteurs diesel utilisés par les navires marchands. Pour
cette raison, ils ne sont pas actuellement favorisés dans l'industrie de la marine marchande.
Figure 3.3. Turbine à gaz marine
Quelques avantages et inconvénients potentiels de la technologie:
 Avantages
 Les turbines à gaz représentent une technologie de propulsion éprouvée à haute
densité de puissance.
 Leur faible poids offre une flexibilité considérable lors de leur localisation dans un
navire.
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Chapitre 3
Types et Choix des Systèmes de Propulsion
 Les émissions de NOx sont faibles et les émissions de SOx négligeables, car des
carburants de qualité supérieure sont brûlés.
 La maintenance se déroule normalement en fonction des heures et les turbines
peuvent être retirées du navire pour être remplacées assez facilement.
 Inconvénients
 Le carburant des turbines à gaz aérodérivées est actuellement cher par rapport aux
carburants marins conventionnels car il s'agit d'un carburant à haute teneur en
distillat.
 Toutes les turbines à gaz sont moins efficaces lorsque la température ambiante
augmente, et cela est valable pour les turbines aérodérivées.
 Les rendements thermiques sont inférieurs à ceux des moteurs diesel de puissance
similaire.
3.3 Autres Options de Propulsion
3.3.1 Nucléaire
Les systèmes de stockage et de génération d'énergie embarqués existants développent
principalement de l'énergie en brisant les liaisons chimiques entre les atomes. En revanche, la
production d'énergie nucléaire est la fission de gros noyaux lourds en produits de fission plus
petits sous des réactions en chaîne contrôlées. Cela libère une grande quantité d'énergie
thermique qui est transférée à un liquide de refroidissement pour générer de l'énergie
utilisable via un cycle thermodynamique approprié. La propulsion nucléaire représente donc
une solution potentiellement radicale en étant une source de propulsion sans CO 2 en
fonctionnement.
Figure 3.4. Générateur de vapeur avec un réacteur nucléaire pressurisée
Il existe plusieurs combustibles, modes de fission et réfrigérants de réacteurs potentiels qui
pourraient être utilisés pour la propulsion des navires marchands. Cependant, le type de
réacteur le plus courant est le réacteur à eau sous pression alimenté à l'uranium. L'uranium
naturel comprend trois isotopes: 238U, 99.3%; 235U, 0.7% et 234U, 0.005%. Le composant
fissile dans le combustible est 235U où les neutrons émis dans le processus de fission sont
ralentis (modérés) par le liquide de refroidissement (eau) avant de provoquer des fissions
dans d'autres atomes 235U. L'énergie absorbée par le liquide de refroidissement est transférée
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Chapitre 3
Types et Choix des Systèmes de Propulsion
vers un cycle de vapeur secondaire qui génère de l'électricité ou de l'énergie mécanique. Dans
les réacteurs PWR (Pressurized Water Reactor), seul un faible pourcentage d'uranium naturel
est fissile, 235U, ce qui implique que l'uranium doit être enrichi en son composant 235U. Bien
qu'il soit possible d'atteindre pratiquement n'importe quel niveau de ppm.
3.3.2 Piles à combustible
Inventée en 1838, la pile à combustible est antérieure au moteur à allumage commandé à
quatre temps et au moteur diesel. Pendant plus d'un siècle, ce n'était guère plus qu'une
curiosité d'ingénieur car il n'y avait ni le besoin ni les moyens de la développer. L'intérêt a été
ravivé dans les piles à combustible pour trois raisons: leur masse est faible, le seul produit
d'échappement est l'eau et les technologies des matériaux ont suffisamment développé pour
permettre à leur haute efficacité promise de devenir réalité.
Les piles à combustible produisent de l'énergie à partir d'un processus électrochimique plutôt
que par combustion. Les piles à combustible n'ont pas de pièces mobiles mais nécessitent une
installation de support supplémentaire comme des pompes, des ventilateurs et des
humidificateurs. Deux réactifs, généralement de l'hydrogène et de l'oxygène, se combinent
dans la pile à combustible pour produire de l'eau, libérant à la fois de l'énergie électrique et de
l'énergie thermique dans le processus. Contrairement à une batterie conventionnelle dans
laquelle les réactifs consommés dans le processus de conversion d'énergie sont stockés à
l'intérieur et finalement épuisés, les réactifs consommés par la pile à combustible sont stockés
à l'extérieur et sont fournis à la pile à combustible d'une manière analogue à un moteur diesel
conventionnel. Par conséquent, une pile à combustible a le potentiel de produire de l'énergie
tant qu'elle dispose d'un approvisionnement en réactifs.
Figure 3.5. Pile à combustible marine
De nombreuses valeurs sont citées pour l'efficacité d'une pile à combustible et toutes doivent
être traitées avec prudence et considérées dans leur contexte. Les types de combustible, les
conditions de stockage, l'inclusion d'un reformeur et le type de puissance de sortie doivent
tous être pris en compte. Une comparaison des performances des piles à combustible avec
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Propulsion Navale I
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Chapitre 3
Types et Choix des Systèmes de Propulsion
celles des moteurs diesel ne doit pas être basée sur la simple considération des moteurs euxmêmes: toute la chaîne de propulsion doit être prise en compte, en particulier car les moteurs
diesel produisent une sortie rotative et les piles à combustible une sortie électrique CC. Une
vue est de considérer le rendement maximum théorique d'un moteur thermique et d'une pile à
combustible.
Les piles à combustible à haute température ont le potentiel d'atteindre des rendements
similaires, sinon meilleurs, à ceux des gros moteurs diesel marins, en particulier s'ils sont
combinés avec une centrale à vapeur pour utiliser leur puissance thermique. Bien que les
rendements soient similaires, les moteurs diesel surpassent considérablement les piles à
combustible en termes de puissances spécifiques et de densités de puissance.
Un problème majeur pour les piles à combustible est leur combustible: l'oxygène peut être
obtenu à partir de l'air mais l'hydrogène est plus un défi. Une option est un
approvisionnement direct en hydrogène, mais à l'heure actuelle, le stockage en vrac est
problématique et l'infrastructure manque. La reformation externe du diesel est une alternative
et elle est considérée comme une alternative viable pour les applications militaires qui
utilisent un carburant à haute teneur en distillat. Cependant, il est plus difficile de réformer le
fioul lourd à faible coût couramment utilisé par la marine marchande. Un scénario à court
terme plus réaliste pour la production d'électricité à partir de piles à combustible marines
serait le fonctionnement au gaz naturel. Un certain nombre de piles à combustible à haute
température sont capables de fonctionner directement au gaz naturel en convertissant le
méthane en hydrogène dans la pile à combustible elle-même; appelé réforme interne.
L'inconvénient est que le carbone contenu dans le carburant est converti en CO 2.
3.3.3 Sources d'énergie renouvelables
3.3.3.1 Energie éolienne / Énergie solaire
Les méthodes qui utilisent le vent pour fournir de l'énergie pour propulser des navires
comprennent une variété de techniques. En règle générale, ceux-ci englobent les rotors
Flettner, les cerfs-volants ou les spis, les voiles souples, les voiles d'ailes et les éoliennes. Les
voiles molles sont historiquement les plus anciennes de ces techniques, antérieures à
l'utilisation de formes mécaniques de propulsion.
Le rotor Flettner utilise l'effet Magnus de la mécanique des fluides, où si le vent traverse un
cylindre en rotation, une force de portance est produite. Cette force a une relation linéaire
avec la vitesse du vent et, contrairement aux voiles ou aux profils aérodynamiques
conventionnels, un véritable vent transversal par rapport au navire produira une poussée utile
vers l'avant à n'importe quelle vitesse du navire, même lorsqu'elle est supérieure à la vitesse
du vent. Pour un grand navire, les rotors Flettner peuvent fournir une proportion faible mais
significative de la puissance de propulsion totale. Cependant, le tourbillon produit par un
rotor est complexe et une compréhension complète des mécanismes évolue toujours,
principalement par le biais de la dynamique des fluides numérique. Le tourbillon dans le
sillage d'un rotor soulève la question de l'interaction du vortex si plus d'un rotor est monté sur
un navire. Cela nécessite l'exploration d'une conception particulière, en particulier en ce qui
concerne toute interférence avec la superstructure ou le franc-bord élevé du navire dans
certaines conditions de vent.
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Chapitre 3
Types et Choix des Systèmes de Propulsion
Figure 3.6. Application d’un cerf-volant pour
aider à la propulsion
Figure 3.7. Un navire à rotor Flettner
Les méthodes photovoltaïques offrent une approche pour des quantités limitées de production
d'électricité à bord des navires et les essais ont démontré que certains avantages sont
disponibles pour les besoins en énergie auxiliaire. Cependant, la contribution maximale est
faible par rapport à la puissance requise pour propulser le navire. La puissance brute
moyenne du soleil est une variable en fonction de la latitude et de l'angle sous lequel la
cellule photovoltaïque est positionnée par rapport au soleil. Dans le monde entier, la variation
de la disponibilité de l'énergie sous une couverture nuageuse moyenne se situe généralement
entre 87 W/m2 à Anchorage et 273 W/m2 à Nouakchott sur la côte mauritanienne. Cependant,
l'effet de la couverture nuageuse est important en termes d'énergie qui peut être dérivée du
soleil en utilisant cette technologie. Par conséquent, les conditions météorologiques et la
position sur la planète sont des facteurs d'influence importants dans le développement du
potentiel de l'énergie solaire.
Figure 3.8. Navires équipés de panneaux solaires
Quelques avantages et inconvénients potentiels de la technologie:
 Avantages
 L'énergie dérivée du vent est exempte d’émission de polluants.
 Des avantages de propulsion partielle peuvent être obtenus grâce à des méthodes
basées sur le vent.
 Il a été démontré que l'énergie solaire augmente la puissance auxiliaire.
 Inconvénients
 Les systèmes éoliens dépendent de la force du vent pour être efficaces.
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Chapitre 3
Types et Choix des Systèmes de Propulsion
 L'utilisation de certains systèmes éoliens repose sur l'installation d'une technologie
de système de contrôle adéquate à bord du navire.
 Les applications impliquant une puissance dérivée du vent sont limitées à
l'augmentation de la propulsion, sauf si un retour complet à la voile est envisagé
pour des applications spécifiques.
 Bien qu'un retour à la propulsion à voile complète soit possible, cela peut avoir un
certain nombre d'implications commerciales et financières défavorables dans
certains cas en termes de temps de voyage, de nombre de navires requis, etc.
 La disponibilité de l'énergie solaire dépend de la position globale.
3.3.3.2 Hydrogène
L'hydrogène est un carburant alternatif potentiel pour la propulsion des navires. Il faut de
l'énergie pour produire de l'hydrogène, qui pourrait provenir de combustibles conventionnels
ou de sources non fossiles telles que l'énergie éolienne, l'hydroélectricité ou le nucléaire.
Actuellement, tout l'hydrogène utilisé dans l'industrie est fabriqué à partir de gaz naturel.
Dans le cas des sources conventionnelles, pour être efficace dans la réduction du CO 2, la
question de savoir si les émissions de gaz à effet de serre sont simplement transférées d'une
source sur la mer à une source sur terre doit être résolue de manière adéquate car la
séquestration et le stockage du carbone doivent encore être démontré à grande échelle.
L'hydrogène liquide bénéficie d'une chaleur spécifique par unité de masse beaucoup plus
élevée que les combustibles conventionnels mais nécessite un volume beaucoup plus
important pour le stockage. S'ils étaient stockés à une pression de 700 bars, les réservoirs de
stockage seraient au moins six fois plus grands que pour les carburants conventionnels. Les
nouvelles conceptions de navires nécessiteraient une augmentation des structures au-dessus
de l'eau pour tenir compte de cette capacité de stockage et, par conséquent, cela pourrait créer
des difficultés à moderniser les navires pour qu'ils utilisent de l'hydrogène liquide.
Un avantage significatif du combustible H2 liquide est qu'il ne génère aucune émission de
CO2 ou de SOx dans l'atmosphère. Les émissions de NOx peuvent être gérées comme pour
tout autre combustible, mais lorsque l'hydrogène est brûlé dans une pile à combustible, il n'y
a pas d'émissions de NOx. Cependant, il existe des problèmes de conception de la sécurité
des navires qui doivent être résolus. Celles-ci sont centrées sur l'inflammabilité du carburant
lorsqu'il est stocké; les réservoirs sous pression et les systèmes cryogéniques nécessaires. Ces
problèmes sont similaires, mais plus extrêmes que ceux déjà requis et qui ont été résolus avec
les navires GNL ou GPL.
Quelques avantages et inconvénients potentiels de la technologie:
 Avantages
 Le H2 liquide ne génère aucune émission de CO2 ou de SOx dans l'atmosphère
provenant du navire.
 Utilise des sources d'énergie terrestres pour la création.
 L'hydrogène peut être utilisé dans les piles à combustible et les moteurs à
combustion interne.
 Le brûler produit une grande charge d'alimentation en eau douce.
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Propulsion Navale I
Cours Préparé par : A. Ouadha 43
Chapitre 3

Types et Choix des Systèmes de Propulsion
Inconvénients
 Largement non testé dans l'industrie maritime à des fins de propulsion.
 L'hydrogène a des problèmes de sécurité qui doivent être résolus.
 Il a une faible densité d'énergie.
 Il faudrait une infrastructure d'approvisionnement en hydrogène pour le rendre
viable pour l'industrie maritime.
3.3.3.3 Ammoniac anhydre
L'ammoniac anhydre est un gaz toxique dangereux, mais il peut être transporté sous forme
compacte sous forme liquide dans des réservoirs sous pression à environ 30 bars ou
cryogéniquement dans des réservoirs non pressurisés. Il s'agit d'un produit industriel qui peut
être brûlé dans les moteurs diesel et les turbines à gaz. Bien qu’il n’émette pas de dioxyde de
carbone au point d’utilisation, il ne peut être considéré comme «sans carbone» que si sa
fabrication (sur terre) n’émet pas de dioxyde de carbone, ce qui n’est pas le cas actuellement.
Sa valeur calorifique est environ la moitié de celle du diesel, donc le stockage nécessite une
certaine adaptation mais beaucoup moins que le transport d'hydrogène. La froideur de
l'ammoniac peut être utilisée pour refroidir l'air d'entrée du moteur principal à 5°C. La
sensibilité à la corrosion des alliages de cuivre à l'ammoniac est bien connue, mais la
sensibilité des aciers à la fissuration par corrosion sous contrainte de l'ammoniac peut être
contrôlée en ajoutant une petite quantité d'eau (0.2%) à l'ammoniac.
Quelques avantages et inconvénients potentiels de la technologie
 Avantages
 Aucune émission de gaz à effet de serre à bord du navire.
 Aucune émission de soufre.
 Il existe une fabrication en vrac mature de 130 millions de tonnes par an.
 Inconvénients
 La manipulation nécessite de nouvelles procédures pour les gaz dangereux.
 De nouvelles installations et infrastructures de soutage requises dans le monde
entier.
 Certains additifs nécessaires pour favoriser l'allumage dans les moteurs diesel.
 Fabriqué à partir de gaz naturel, donc toujours plus cher que le GNL.
 Il existe des problèmes de corrosion qui doivent être surmontés.
3.3.3.4 Air comprimé et azote liquide
L'air comprimé et l'azote liquide sont deux autres sources alternatives de stockage d'énergie
pour la propulsion des navires. Les deux nécessitent de l'énergie pour produire ou comprimer.
Comme pour l'hydrogène, les besoins énergétiques nécessaires peuvent provenir de
combustibles conventionnels et non fossiles ou de sources renouvelables avec les mêmes
mises en garde. De plus, étant des supports de stockage d'énergie, ils présentent des
comportements de système similaires à ceux des technologies de batterie ou de condensateur
plus conventionnelles.
Une évaluation de l'utilité de ces supports de stockage dépendra de la masse de leur système
pour la quantité d'énergie requise entre les recharges. Cependant, ce sont intrinsèquement des
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Cours Préparé par : A. Ouadha 44
Chapitre 3
Types et Choix des Systèmes de Propulsion
méthodes de propulsion à faible densité d'énergie. Pour déployer avec succès ces milieux, il
faudrait inclure des réservoirs sous pression et, dans le cas de l'azote liquide, des systèmes
cryogéniques: deux technologies bien connues dans les systèmes terrestres. Dans le cas de
l'air comprimé, il y aurait un danger d'explosion en cas de rupture d'un réservoir pour une
raison quelconque. Cependant, la technologie de protection des réservoirs de gaz comprimé
contre les chocs, par exemple dans un scénario de collision, est bien connue dans les
industries des conteneurs et des chemins de fer. La corrosion des réservoirs sous pression
dans un environnement marin peut également poser un problème et des régimes d'inspection
appropriés seraient essentiels.
Sur terre, le stockage d'énergie à air comprimé est utilisé uniquement en combinaison avec
des turbines à gaz ou moteurs diesel: l'alimentation en air comprimé signifie que le précompresseur n'est pas nécessaire, et donc le moteur principal peut fonctionner avec un
rendement environ 15% plus élevé. Avec le stockage de l'air comprimé, la quantité
considérable d'énergie utilisée pour comprimer l'air n'est pas entièrement stockée à bord du
navire, car l'air chaud et comprimé peut refroidir à température ambiante. Cette énergie
thermique est perdue. Par conséquent, pour obtenir une énergie substantielle de la pure
détente de cet air comprimé stocké (sans l'utiliser dans le compresseur d'un moteur principal),
une chaleur de faible qualité doit être fournie pour fournir l'énergie nécessaire. Les
échangeurs de chaleur à eau de mer sont une source possible de cette chaleur. La même
situation se présente avec l'azote liquide: une source de chaleur de faible qualité est
nécessaire pour conduire l'évaporation et créer une pression utile. Étant des supports de
stockage d'énergie, ils ont l'avantage de ne générer aucune émission de CO 2, NOx ou SOx
dans l'atmosphère lorsqu'ils sont utilisés à bord du navire.
Quelques avantages et inconvénients potentiels de la technologie:
 Avantages
 L'air comprimé et l'azote ne génèrent aucune émission de CO2, de NOx ou de SOx
dans l'atmosphère lorsqu'ils sont utilisés à bord d'un navire.
 Utilise des sources terrestres d'énergie non fossile pour la création.
 Les technologies de stockage en cuve sont bien connues.
 Inconvénients
 Il faudrait développer une infrastructure d'approvisionnement et un réseau de
distribution.
 La taille, la pression nominale et les capacités cryogéniques, dans le cas de l'azote,
des réservoirs de stockage des navires détermineront la quantité de stockage
d'énergie et donc l'utilité du concept.
 Il y a un risque d'explosion avec les réservoirs haute pression en cas de rupture.
 La corrosion peut être un problème important dans les environnements chargés de
sel avec des réservoirs à haute pression.
 Largement non testé dans l'industrie maritime à des fins de propulsion.
 Il s'agit de méthodes de stockage d'énergie à faible densité d'énergie et, par
conséquent, ne conviennent que pour les routes à courte distance.
3.3.3.5 Propulsion hybride
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Chapitre 3
Types et Choix des Systèmes de Propulsion
Aujourd'hui, la grande majorité des moteurs principaux et auxiliaires des navires sont des
moteurs diesel. En termes de puissance des navires civils de plus de 100 tonneaux de jauge
brute, 96% sont produits par des moteurs diesel. Presque tous les gros navires sont propulsés
par des moteurs diesel lents à deux temps. Les principales raisons de cette domination sont
leur rendement élevé (également à charge partielle) et leur capacité à fonctionner au fioul
lourd (fioul résiduel fabriqué en «bas de gamme» du processus de raffinage du pétrole). Le
fioul lourd (HFO, Heavy Fuel Oil) est un carburant bon marché contenant de grandes
quantités de soufre et d'autres impuretés.
Afin de réduire les impacts de la navigation sur l'environnement et la santé humaine et de se
conformer aux réglementations actuelles et futures concernant la qualité du carburant et les
émissions de polluants, il est essentiel de trouver de nouvelles technologies qui améliorent
ces aspects. La propulsion hybride est une option où un ou plusieurs modes d'alimentation du
navire peuvent être utilisés pour optimiser les performances pour des raisons économiques,
environnementales ou opérationnelles. Aujourd'hui, le plus souvent, les différents modes
d'alimentation alimentent une barre électrique commune à partir de laquelle l'alimentation
peut être tirée à diverses fins. Cependant, cela ne doit pas nécessairement être le cas puisque
de nombreux exemples de liaisons mécaniques entre des sources d'énergie indépendantes ont
été conçus et exploités à bord de navires, passés et présents.
Un cycle combiné est un système dans lequel un cycle thermodynamique supérieur produit de
l'énergie, mais tout ou une partie de sa chaleur résiduelle sert à entrainer un cycle inférieur.
L'objectif des cycles combinés est d'obtenir un rendement plus élevé pour une alimentation en
carburant donnée. Ceci est atteint en augmentant la température moyenne de l'apport de
chaleur et/ou en diminuant la température moyenne de rejet de chaleur (par rapport à celles
des cycles simples), en approchant ainsi de plus près le meilleur système de conversion de
l’énergie basé sur le cycle Carnot. Les cycles combinés comprenant une ou plusieurs turbines
à gaz (cycle supérieur) et un cycle à vapeur (cycle inférieur) sont une option pour la
production d'énergie qui offre un rendement élevé et des niveaux intrinsèquement faibles
d'émissions de polluants (Figure 3.9). Les cycles combinés ont été rarement utilisé dans le
passé pour des applications marines, mais à la suite des mesures législatives, de la
sensibilisation accrue à l'environnement et de l'augmentation du prix du fioul lourd, ils
pourraient être une option viable pour l'avenir.
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Cours Préparé par : A. Ouadha 46
Chapitre 3
Types et Choix des Systèmes de Propulsion
Figure 3.9. Système à cycle combiné comprenant deux turbines à gaz et un cycle de vapeur à
pression unique.
Lors de l'utilisation des systèmes à cycle combiné pour les navires, les turbines peuvent
entraîner directement les arbres d'hélice (COGAS) ou une transmission turboélectrique
(COGES) peut être utilisée (Figure 3.10). COGAS (de l’anglais, COmbined Gas turbine and
Steam turbine) signifie combinaison de turbine à gaz et turbine à vapeur, tandis que COGES
(de l’anglais, COmbined Gas turbine Electric and Steam) signifie combinaison
turboélectrique et vapeur. La transmission turboélectrique implique que les générateurs
électriques convertissent l'énergie mécanique des turbines (vapeur et/ou gaz) en énergie
électrique, et un moteur électrique alimente l'arbre d'hélice. Les systèmes d'entraînement
mécanique ont des rendements de transmission élevés (98–99%). Cependant, en raison de la
liaison mécanique, ils manquent généralement de flexibilité pour rediriger ou partager la
puissance entre les arbres dans les navires à plusieurs arbres. De plus, dans ce système, le
moteur de propulsion ne peut pas être facilement utilisé pour l'alimentation des navires dans
le port, mais un système séparé avec des générateurs doit fournir l'énergie électrique. En mer,
cependant, à condition que la vitesse de rotation de l'arbre soit assez constante, la puissance
de service du navire pourrait être produite à l'aide d'un générateur d'arbre.
Figure 3.10. Représentations schématiques des configurations de cycle combiné COGAS
(gauche) et COGES (droite).
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Chapitre 3
Types et Choix des Systèmes de Propulsion
L'avantage de la transmission turboélectrique est qu'elle permet l'adaptation des turbines à
grande vitesse de rotation aux hélices à rotation lente sans avoir besoin d'un réducteur lourd.
De plus, tous les générateurs alimentant un système de distribution commun, un moteur
principal peut facilement alimenter deux arbres ou plus et assurer le service des navires. Un
inconvénient est qu'en raison de la double conversion de l'énergie mécanique en électricité et
inversement, le rendement devient plus faible (environ 91%).
Un avantage général des cycles combinés avec transmission électrique est que l'emplacement
du moteur principal est moins contraint par rapport aux conceptions comportant une
transmission directe entre le moteur et l'hélice. Par exemple, sur un méthanier propulsé par
une usine COGES, le moteur principal peut être retiré de l'intérieur de la coque et placé à
l'arrière sur le quart de pont derrière la superstructure, offrant ainsi un espace supplémentaire
pour la cargaison à l'intérieur de la coque.
Il serait également possible de combiner ces deux concepts, en connectant les turbines à gaz à
un réducteur et la turbine à vapeur à un générateur. La puissance électrique produite par la
turbine à vapeur est utilisée pour la puissance de service du navire et pour la propulsion via
un moteur électrique monté sur l'arbre d'hélice. Une telle configuration nécessiterait un
réducteur moins complexe, résultant en un coût plus faible et éventuellement une plus grande
efficacité pour le réducteur.
Le choix de l'un ou l'autre de ces systèmes est régi par les exigences du navire. Avec un
système d'entraînement électrique, il est plus facile d'obtenir des performances raisonnables à
charge partielle, car une ou plusieurs unités de puissance peuvent être arrêtées lorsque la
puissance est réduite tandis que les autres unités de puissance sont exploitées dans des
conditions de puissance où elles sont efficaces (c.-à-d. à ou à proximité de la pleine charge).
En général, pour les navires qui doivent fonctionner un peu de temps à faible puissance et qui
ont des besoins élevés en puissance, le système à entraînement direct est le choix favorable,
tandis que le système de transmission électrique est le choix préférable pour les navires qui
doivent fonctionner davantage en charge partielle.
3.4 Propulseurs
L'hélice est le moyen le plus couramment utilisé pour la propulsion des navires. Une hélice
est essentiellement constituée par un certain nombre de pales (trois à six) montées sur un
moyeu généralement cylindrique. Généralement, les pales sont fixes par rapport au moyeu.
Cependant, pour certaines hélices, qui doivent travailler dans des conditions de charge très
variables (chalutiers par exemple), les sont orientables autour d'un axe normal au moyeu.
Les pales ont la forme d'ailes portantes hélicoïdales avec un pas géométrique variable.
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Chapitre 3
Types et Choix des Systèmes de Propulsion
Figure 3.11. Description d’une hélice marine
Une hélice qui avance a une vitesse d'avance Va (aussi appelée vitesse d’arrivée d’eau a
l’hélice) et tourne avec une vitesse angulaire ω = 2 π n (n étant le nombre de tours par unité
de temps), produit une poussée T parallèle à son axe et un couple Q autour de cet axe. Ces
paramètres sont généralement donnés par des formes adimensionnelles exprimant le
coefficient de poussée KT = T/ρn2D4 (D est le diamètre) et le coefficient de couple
KQ = Q/ρnD5. La vitesse d’avance de l’hélice est donnée aussi par une forme adimensionnelle
définissant le coefficient d’avance J = Va/nD. Ces coefficient sont utilisés pour déterminer le
rendement de l’hélice en eau libre ηo = VaT/2 πnQ = JKT/2 π KQ.
Comme l’indique la Figure 4,3, KT, KQ et η dépendent essentiellement du coefficient
d’avance J = Va/nD. En revanche, ils sont indépendants de la viscosité de l'écoulement. Ils
dépendent fortement du pas géométrique réduit p/D. L'augmentation de p/D décale vers la
droite les courbes de KT et KQ en fonction de J et entraîne un accroissement du rendement
maximal de l'hélice.
Plusieurs types de propulseurs sont disponibles pour la propulsion des navires et des
véhicules marins. Cependant, la majorité se répartit en trois catégories: les hélices à pas fixe,
qui sont de loin la plus grande proportion; hélices à pas variable et hélices avec tuyères, qui
comprennent normalement une hélice à pas fixe ou réglable. Le choix du type d’hélice doit
être déterminé à partir du profil opérationnel du navire et du désir d’optimiser l’utilisation du
carburant, ainsi que de toute exigence particulière de service du navire, comme les
manœuvres, la réduction des vibrations, les émissions sonores ou le fonctionnement en eaux
peu profondes.
Les hélices à pas fixe, Figure 3.12, ont traditionnellement constitué la base de la production
d'hélices. Cette classe d'hélices englobe celles qui ne pèsent que quelques kilogrammes,
normalement destinées à être utilisées sur de petits bateaux à moteur, à celles destinées, par
exemple, à propulser de grands porte-conteneurs, pesant parfois plus de 130 tonnes. Les
philosophies de conception se concentrent normalement sur le rendement de l'hélice, où le
rendement en eau libre varie d'environ 50% pour les grands pétroliers et vraquiers pleine
forme à 70 ou 75% pour une forme de coque plus fine.
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Chapitre 3
Types et Choix des Systèmes de Propulsion
Figure 3.12. Hélice à pas fixe
Les hélices à pas variable offrent, contrairement aux hélices à pas fixe dont la seule variable
opérationnelle est la vitesse de rotation, un degré de liberté supplémentaire car en plus des
changements de vitesse de rotation possibles, les pales ont la possibilité de changer le pas des
pales (Figure 3.13). Néanmoins, pour certaines applications de propulsion, en particulier
celles impliquant des générateurs entraînés par arbre, il peut être souhaitable d'un point de
vue de rendement global que la vitesse de l'arbre soit maintenue constante et fasse varier
l'absorption de puissance en ajustant le pas de la pale: réduisant ainsi le nombre des variables
de fonctionnement de l'hélice à une. Bien que ce dernier agencement puisse être utile pour le
rendement énergétique global, il peut introduire des difficultés supplémentaires de cavitation.
Lorsque deux ou plusieurs points de fonctionnement de conception sont nécessaires pour le
navire, les hélices à pas variable peuvent fournir une meilleure solution en termes de
rendement en acceptant une pénalité de rendement dans des conditions de fonctionnement
particulières afin d'obtenir un rendement global plus élevé sur l'ensemble du profil
opérationnel. En plus de fournir un moyen d'améliorer le rendement global de cette manière,
l'hélice à pas contrôlable présente des avantages dans les situations de manœuvre de navire
ou de positionnement dynamique. Alors que pour la plupart des navires, les hélices à pas fixe
et contrôlable fournissent des solutions de propulsion acceptables et efficaces, une autre
variante de propulseur est l'hélice avec tuyère.
Figure 3.13. Hélice à pas variable
Les hélices avec tuyère comprennent deux composants principaux: un conduit annulaire
entourant une hélice qui fonctionne à l'intérieur du conduit. Ces propulseurs ont trouvé une
application étendue où une poussée élevée à basse vitesse est requise; généralement dans les
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Chapitre 3
Types et Choix des Systèmes de Propulsion
situations de manutention des ancres, de remorquage et de chalutage lorsque le conduit
contribue à environ 40 à 50% de la poussée totale du propulseur à une vitesse proche ou nulle
du navire. Les conduits, en plus d'être des structures fixes fixées rigidement à la coque sont
dans certains cas conçus pour être orientables, ce qui évite alors la nécessité d'un gouvernail
puisque la poussée peut alors être dirigée par le conduit d'azimut (Figure 3.14).
Figure 2.14. Hélice avec tuyère
Comme alternative aux hélices avec tuyère orientables, il existe des propulseurs azimutaux
sans ou avec tuyère où l'hélice et le conduit, le cas échéant, peuvent être entraînés autour
d'une jambe de force commune. Les propulseurs azimutaux sont couramment utilisés depuis
de nombreuses années pour le positionnement dynamique et les situations où des niveaux
élevés de maniabilité sont nécessaires. La différence essentielle entre les hélices azimutales et
une autre variante, le propulseur à balancier, est l'endroit où le moteur ou le moteur entraînant
l'hélice est situé: si le moteur ou le moteur entraînant l'hélice est situé dans la coque du
navire, le système est appelé propulseur azimutal et le plus souvent, l'entraînement
mécanique serait de type Z ou L sur l'arbre d'hélice. Dans le cas d'un propulseur avec POD, le
système d'entraînement comprend un moteur électrique directement couplé à un arbre
d'hélice, supporté sur un système de roulements, dans le POD. Les hélices associées à ces
derniers propulseurs étaient du type à pas fixe et sans tuyère, tandis que les unités azimutales
ont des hélices à pas fixe ou contrôlable. Actuellement, la plus grande taille de propulseur à
POD est d'environ 23 MW et leur utilisation a été principalement dans le contexte des navires
de croisière et des brise-glaces, où leur potentiel de manœuvre est pleinement exploité.
Figure 3.15. Propulseur azimutal
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Cours Préparé par : A. Ouadha 51
Chapitre 3
Types et Choix des Systèmes de Propulsion
Le principe de l'hélice contrarotative, comprenant deux hélices coaxiales placées l'une
derrière l'autre et tournant dans des directions opposées, a l'avantage hydrodynamique de
récupérer une partie de l'énergie de rotation en aval qui serait autrement perdue dans une
configuration d'hélice unique conventionnelle. Bien qu'ils aient trouvé une application
significative dans les petites unités hors-bord à grande vitesse, les problèmes mécaniques
associés à deux longs arbres tournant coaxialement dans des directions opposées les ont
généralement empêchés d'être utilisés plus largement.
Figure 3.16. Hélice contrarotative
La propulsion par jet d'eau a trouvé une application sur une variété de petits bateaux à grande
vitesse et de ferries, tandis que son application à de plus gros bateaux croît avec des
diamètres de tunnel allant jusqu'à 2 m. Les jets d'eau offrent potentiellement une solution
relativement efficace dans des situations hydrodynamiques difficiles pour les hélices
conventionnelles ainsi qu'une très bonne maniabilité.
Figure 3.17. Propulsion par jet d’eau : (A) prise d’eau ; (B) roue ; (C) stator ; (D) tuyère ; (E)
déflecteur ; (F) accouplement
3.5 Choix des Systèmes de Propulsion
La propulsion de la marine a subi au cours du siècle dernier une transformation importante.
Elle est désormais dominée par les machines de propulsion diesel. Dans ce contexte, les
développements récents ont amené de nombreux acteurs de l'industrie maritime à se
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Cours Préparé par : A. Ouadha 52
Chapitre 3
Types et Choix des Systèmes de Propulsion
demander si les modes actuels de propulsion des navires sont durables en raison de trois
facteurs principaux:
 Hausse des coûts du carburant en raison de la flambée des prix du pétrole.
 Réglementation environnementale introduite pour atténuer les effets du changement
climatique.
 L'introduction potentielle de taxes sur le carbone.
3.5.1 Options à court terme
Le moteur diesel est actuellement le plus répandu des moteurs marins. Il s'agit d'une
technologie bien établie et d'une forme fiable de propulsion marine et de production d'énergie
auxiliaire. Les fabricants de moteurs disposent de réseaux de réparation et de pièces de
rechange bien établis dans le monde entier.
Cependant, les moteurs diesel continueront de produire des émissions de CO 2 ainsi que des
NOx, des SOx, des composés organiques volatils et des particules. Le gaz naturel liquide
(GNL) peut être utilisé dans les systèmes de propulsion en mode dual-fuel ou en mode
moteur à gaz. Le GNL est actuellement beaucoup moins cher que les carburants
conventionnels et il présente des avantages en termes d'émissions de CO 2, de NOx et de SOx,
a condition d’éviter les fuites de méthane pendant les processus de combustion et de
ravitaillement.
Les turbines à gaz ont été utilisées avec succès dans des créneaux du marché maritime et
représentent une technologie de propulsion ayant une densité de puissance élevée. Cependant,
le carburant des turbines à gaz reste cher par rapport aux carburants marins conventionnels et
les rendements thermiques des turbines à gaz sont inférieurs à ceux des moteurs diesel lents
de puissance similaire.
L'énergie renouvelable, principalement dérivée des origines éolienne et solaire, est considérée
comme une augmentation des principaux besoins de propulsion et de puissance auxiliaire
d'un navire.
3.5.2 Options à moyen et long terme
Les biocarburants sont des alternatifs potentiels à moyen terme aux carburants
conventionnels pour les moteurs diesel. Cependant des efforts supplémentaires sont
nécessaires pour examiner leur stockage, leur manipulation et leurs impacts sur la santé, la
sécurité et l’environnement.
Les piles à combustible offrent un potentiel pour la propulsion des navires avec une bonne
expérience acquise dans les machines de propulsion auxiliaires et de faible puissance. Pour la
propulsion marine, les piles à combustible à oxyde solide et à carbonate fondu à haute
température sont les plus prometteuses, tandis que pour les puissances inférieures, les piles à
combustible à membrane échangeuse de protons à basse température sont plus adaptées. Bien
que l'hydrogène soit le combustible le plus facile à utiliser dans les piles à combustible, cela
nécessiterait le développement d'une infrastructure mondiale pour l'approvisionnement des
navires.
La propulsion nucléaire des navires présente l'avantage de ne produire aucune émission de
CO2, NOx, SOx, composés organiques volatils ou particules. Il existe une expérience
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Chapitre 3
Types et Choix des Systèmes de Propulsion
considérable dans la conception et l'exploitation en toute sécurité des installations de
propulsion nucléaire à bord des navires. Cependant, certains aspects en termes de
réglementation internationale et de sécurité devraient être tenus en compte.
L'hydrogène, l'air comprimé et l'azote liquide sont probablement des considérations de
propulsion à long terme. Alors que les deux dernières options sont des supports de stockage
d'énergie, l'hydrogène est un carburant qui ne génère aucune émission de CO 2 ou de SOX
dans l'atmosphère et utiliserait des sources d'énergie terrestres pour sa création.
Il aurait besoin d'une infrastructure d'approvisionnement pour être viable dans un contexte
marin, mais il est idéal pour une utilisation dans les piles à combustible. L'air comprimé et
l'azote utiliseraient des sources d'énergie terrestres pour la création et les technologies de
stockage des réservoirs sont bien établies - bien que la corrosion des réservoirs soit un
problème dans les environnements marins. La taille, la pression nominale et les capacités
cryogéniques, dans le cas de l'azote liquide, des réservoirs de stockage des navires
détermineront la quantité de stockage d'énergie et donc l'utilité du concept. Comme pour
l'hydrogène, un réseau d'approvisionnement, d'infrastructure et de distribution serait
nécessaire.
Grâce aux forces de propulsion, les navires peuvent se déplacer dans l'eau. Initialement, alors
qu'il y avait un nombre limité de systèmes de propulsion des navires, à l'ère actuelle, il existe
plusieurs systèmes innovants avec lesquels un navire peut être équipé.
Aujourd'hui, la propulsion d'un navire ne se résume pas uniquement à produire un
mouvement du navire dans l'eau. Elle doit aussi assurer un fonctionnement en sécurité, le
respect de l'écosystème marin ainsi qu'une rentabilité.
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