09 Juin 2014  |  Électrotechnique
Publié dans La Revue POLYTECHNIQUE 04/2014

Du courant continu en haute mer

Le premier bateau équipé d’un réseau de bord à courant continu navigue en haute mer. Le convertisseur principal, de type UNL 14300, pièce maîtresse de ce système, a été a été développé, construit et testé par ABB Suisse à Turgi, en l’adaptant à cette application spécifique.

Il y a deux ans, ABB avait annoncé le lancement d’un nouveau système à courant continu pour navires, qui promettait une augmentation importante de l’efficacité, malgré un encombrement et un poids nettement réduits. Le premier navire équipé de ce système est désormais en fonction. Il s’agit du Dina Star, un vaisseau de ravitaillement pour plates-formes pétrolières, qui est exploité par le groupe norvégien Myklebusthaug.
Habituellement, l’alimentation électrique à bord du navire est assurée par un réseau à courant alternatif. Des moteurs actionnent des générateurs à vitesse fixe pour alimenter les consommateurs en courant alternatif. La fréquence sur les bateaux est généralement de 60 Hz. Les navires qui exigent une manœuvrabilité et un réglage de poussée plus sensibles, ne sont pas propulsés directement par des moteurs. La liaison mécanique entre le moteur et l’hélice marine réagirait trop lentement. Sur ces navires, des générateurs couplés aux moteurs produisent du courant, qui est ensuite utilisé pour actionner l’hélice marine et éventuellement les systèmes de soutien supplémentaires à la barre, par exemple un propulseur transversal.
 
Les navires de ravitaillement équipés du positionnement dynamique (ici, le Dina Star) sont parfaitement adaptés à l’installation d’une alimentation  à courant continu.
 
Un nouveau système de distribution d’énergie
Sur les navires équipés de ces systèmes d’entraînement électriques, plus de 80 % de la puissance installée revient aux entraînements à régulation de vitesse. Pour produire la tension de sortie à fréquence variable, chaque entraînement a besoin de courant continu, généralement généré à l’aide d’un redresseur interne. Le nouveau système d’ABB réunit ces connexions CC décentralisées pour distribuer l’énergie électrique redressée au niveau central, par le biais d’un unique circuit à courant continu de 1000 V.
Cette technique offre deux avantages décisifs. D’abord, certains éléments électrotechniques habituellement utilisés deviennent superflus, notamment les redresseurs dans les entraînements, les systèmes de commutation CA et surtout les gros transformateurs. Cela réduit de 30 % l’encombrement et le poids de l’équipement électrique.
Ensuite, l’efficacité énergétique à bord augmente, principalement grâce à l’ajustement désormais possible de la vitesse des moteurs du navire. Avec la vitesse fixe nécessaire au fonctionnement CA, la consommation de carburant spécifique, mesurée en g/kWh de service, n’est optimale que dans une plage de fonctionnement limitée. Généralement, cette plage est comprise entre 80 % et 90 % du couple maximal. Si la puissance requise diminue, un moteur tournera à vitesse fixe dans une plage de couple qui ne permet pas d’exploiter l’énergie du carburant de manière optimale. Selon l’utilisation du navire, varier la vitesse du moteur dans un système CC permet de réduire de 20 % la consommation de carburant et les émissions. Le durcissement des règlements sur les émissions pour les navires joue en faveur de cette solution innovante.
 
Tobias Keller, directeur du développement de produits de l’unité ABB Power Conversion, en compagnie d’Oddvar Pedersen du chantier Kleven et de Tore Myklebusthaug (de gauche à droite), lors de l’essai réalisé à Turgi.
 
Un système redondant de positionnement dynamique
«Ces avantages présentés par ABB et théoriquement valables nous ont incités à mettre en œuvre un projet pilote d’alimentation CC sur un nouveau navire», explique Tore Myklebusthaug, directeur du groupe éponyme. Un nouveau navire de ravitaillement pour plates-formes offshore a donc été construit durant l’hiver 2012/13 sur le chantier Kleven à Ulsteinvik, en Norvège. ABB a ainsi fourni au Dina Star, qui mesure tout de même 93 m de longueur, un système de bord CC complet incluant tous les systèmes d’alimentation, d’entraînement et d’automatisation nécessaires.
À l’instar d’autres navires de ravitaillement offshore, celui-ci est également équipé d’un système de positionnement dynamique car, pour alimenter les plates-formes offshore, un mouillage en eaux profondes est tout aussi pratique qu’un accostage par temps de houle. Avec le positionnement dynamique, les gouvernails à jet - des entraînements montés en travers du sens de navigation - et les unités d’entraînement principales maintiennent la position du navire malgré les courants, les vents et les vagues. Ce système de positionnement dynamique est conçu de manière redondante pour des raisons de sécurité, car une collision avec une plate-forme pourrait avoir des conséquences fatales pour l’équipage et l’environnement.
Plusieurs moteurs fonctionnent en parallèle pour les générateurs, afin de maintenir cette redondance. Le nouveau navire possède cinq générateurs diesel. Dans la solution CA traditionnelle, ces moteurs tournent à vitesse fixe, même si le positionnement dynamique réduit logiquement la charge moyenne du gouvernail à commande électrique. Avec le nouveau système de bord CC, le fonctionnement est bien plus efficace en mode partagé redondant, car la vitesse des moteurs peut être optimisée et ajustée à la charge nécessaire sans pour cela changer le nombre de générateurs raccordés.
 
Un convertisseur construit à Turgi
Ce réseau de bord CC innovant est le résultat du travail commun de plusieurs unités ABB en Norvège, en Finlande et en Suisse. Le convertisseur principal, de type UNL 14300, a été construit à Turgi, dans le canton d’Argovie, en l’adaptant à cette application spécifique. Il est piloté par un régulateur Unitrol 6800. Le système d’excitation Unitrol 6080 destiné au générateur principal a, lui aussi, été fourni par l’équipe ABB de Turgi.
Les composants ont été assemblés en un système complet et testés à Turgi en novembre et en décembre 2012. Le laboratoire d’essai local dispose des paramètres de puissance nécessaires et les responsables du laboratoire ont pu réaliser cette structure d’essai complexe en quatre semaines seulement. Deux moteurs diesel d’une puissance d’environ 1 MVA chacun ont été installés pour les générateurs.
La nouvelle topologie de sécurité qui était nécessaire au réseau CC en raison de l’absence du système de commutation CA principal, des disjoncteurs CA et des relais de sécurité a été l’un des points clés de cet essai concluant. Cette topologie combine fusibles, sectionneurs et, surtout, la coupure régulée d’éléments à semi-conducteurs. En effet, sachant que tous les composants produisant de l’énergie disposent d’éléments de commutation contrôlables, il est possible de couper un courant de fuite bien plus vite qu’avec les disjoncteurs traditionnels.
Le lancement en mer, réalisé au printemps 2013, a confirmé que le système d’alimentation CC est opérationnel dans la pratique.
 
Tobias Keller
ABB Suisse SA
5300 Turgi
Tél.: 058 589 38 09
tobias.keller@ch.abb.com
www.abb.ch


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