La recherche marine pourrait bientôt être possible sans risquer de polluer ni l'air ni l'océan. C'est grâce à une nouvelle étude de conception et de faisabilité du navire menée par Sandia National Laboratories.

Les piles à combustible à hydrogène existent depuis des décennies, et il y a de multiples avantages à les utiliser à la place des moteurs diesel spécifiquement pour alimenter les navires de recherche. Les piles à combustible sont une technologie zéro émission, ils ne contamineront donc pas les échantillons d'air ou d'eau prélevés dans des zones écologiques sensibles. Ils ne font presque pas de bruit, ils ne perturberont donc pas la vie marine ou n'interféreront pas avec les nombreux capteurs que les scientifiques utilisent pour écouter le son dans l'océan.

Malgré ces avantages et bien d'autres, la faisabilité d'un navire de recherche à hydrogène n'a jamais été étudiée ni prouvée. Jusqu'à maintenant. Un rapport Sandia publié ce mois-ci montre qu'il est techniquement et économiquement faisable de construire un tel navire d'une manière conforme à la réglementation maritime. L'équipe du projet a surnommé le navire le « Zero-V, " abréviation de navire de recherche zéro émission.

Ce projet, dirigé par Sandia, a réuni la Scripps Institution of Oceanography de l'Université de Californie, San Diego, Glosten, un cabinet d'architecture navale; et DNVGL, une entreprise mondiale d'assurance qualité et de gestion des risques travaillant pour l'industrie maritime. Il a été financé par l'Administration maritime du ministère des Transports (MARAD).

L'un des plus grands avantages supplémentaires de l'utilisation de l'hydrogène pour propulser un bateau ? Aucun déversement de carburant dommageable pour l'environnement. Selon Lennie Klebanoff, chimiste et chef de projet de Sandia, il est impossible d'avoir un déversement d'hydrogène polluant sur l'eau. Plus flottant que l'hélium, l'hydrogène monte de lui-même et finit par s'échapper dans l'espace.

"Si vous travaillez dans une zone écologique sensible et que vous y renversez de l'hydrogène liquide, le carburant se retire non seulement de cet environnement, il se retire de la planète, ", a déclaré Klebanoff.

Les piles à combustible génèrent même de l'eau si pure que l'équipage du navire peut la boire (avec conditionnement), ou l'utiliser pour des expériences scientifiques, réduire le besoin de dessaler l'eau de mer (qui consomme actuellement de grandes quantités d'énergie). Aussi, les piles à combustible sont des appareils électriques, et en tant que tel, ils offrent une réponse de puissance plus rapide que les moteurs à combustion interne.

L'expertise de Sandia dans ce domaine provient d'un portefeuille de projets hydrogène, dont les objectifs sont de développer des solutions de transport efficaces avec des carburants domestiques propres. Le rôle de Sandia était de diriger le projet, choisir le type de pile à combustible à utiliser, la méthode de stockage de l'hydrogène et fournir des informations sur les propriétés de sécurité de l'hydrogène à la Garde côtière américaine et au partenaire réglementaire DNV GL.

Naviguer sur les vents des succès antérieurs

Le projet Zero-V a évolué à partir des travaux antérieurs de Sandia sur le SF-BREEZE, un ferry à passagers à hydrogène conçu pour opérer dans la baie de San Francisco.

Il existait déjà de petites embarcations de plaisance à hydrogène destinées à de très courtes distances. Mais avant le SF-BREEZE, il n'y avait pas eu de projet qui examinait la faisabilité technique et économique de l'alimentation de gros, bateaux commerciaux rapides à hydrogène, selon Joe Pratt, qui a dirigé le projet SF-BREEZE pour Sandia.

"Jusqu'à ce que nous ayons fait le SF-BREEZE, très peu de gens pensaient que vous pouviez propulser un vrai navire, une entreprise commerciale, sur la pile à combustible à hydrogène, " a déclaré Pratt. " En plus de prouver que c'était techniquement possible, nous devions montrer que cela se réduirait économiquement, pour qu'il ait une chance de sortir sur le marché."

Sur la base du SF-BREEZE et d'autres travaux connexes, Pratt en est venu à croire si fermement au potentiel commercial de l'hydrogène qu'il a quitté Sandia pour lancer Golden Gate Zero Emission Marine. L'entreprise construit des groupes motopropulseurs à pile à combustible à hydrogène pour le marché maritime.

La conception SF-BREEZE peut accueillir 150 passagers sur quatre allers-retours de 50 milles dans la baie de San Francisco par jour tout en voyageant à une vitesse maximale de 35 nœuds (environ 39 milles à l'heure). S'assurer que le traversier pouvait atteindre cette vitesse signifiait adopter une distance de 100 pieds, conception de catamaran légèrement plus longue que d'habitude.

Tous les éléments du plan, y compris la conception de navires, la répartition du poids, et les options de ravitaillement ont dû être réévaluées pour le Zero-V.

"Au lieu d'aller vite pendant de courtes périodes et de transporter beaucoup de monde, le navire de recherche va plus lentement sur des distances beaucoup plus longues, transporte moins de personnes et doit permettre le fonctionnement d'une instrumentation scientifique sensible, " expliqua Klebanoff. Ou en d'autres termes, "Le navire de recherche est un animal différent d'un ferry à passagers, " il a dit.

Naviguer autour des défis de conception

En travaillant sur le SF-BREEZE, Pratt et Klebanoff ont contacté la Scripps Institution of Oceanography pour voir si les chercheurs étaient intéressés par un navire à hydrogène. Ils étaient, si le Zero-V pouvait accomplir des tâches de routine pour les missions de recherche océanique, telles que les études sur les écosystèmes marins, océanographie physique, les risques de tsunami et la recherche sur la chimie des océans.

La cartographie ou l'installation d'équipements au fond de l'océan nécessite qu'un navire soit stable sur un seul point pendant de longues périodes, même s'il y a du vent ou des vagues. Glosten a déterminé que l'aide de dispositifs de propulsion installés dans chaque coque latérale permettrait au Zero-V de maintenir sa position avec plus de 25 nœuds de vent et de vagues de n'importe quelle direction.

Alors que le SF-BREEZE nécessite un ravitaillement après 100 milles, le Zero-V doit aller au moins 2, 400 milles ou 15 jours avant d'avoir besoin d'un ravitaillement en carburant ; assez pour aller de San Diego à Hawaï. Compte tenu des grandes distances à parcourir, un terminal de ravitaillement dans un emplacement central n'est pas ce qu'il faut.

L'équipe de Sandia a trouvé une approche innovante qui permet aux fournisseurs d'hydrogène liquide de conduire des camions-citernes directement au navire aux ports d'escale. Ainsi, le Zero-V nécessiterait peu d'investissements dans l'infrastructure de ravitaillement.

En plus des exigences susmentionnées,

Sean Caughlan de Glosten a déclaré avoir trouvé un moyen de stocker les réservoirs d'hydrogène lourds tout en hébergeant au moins 18 scientifiques, 11 membres d'équipage et trois laboratoires était un défi. Une partie de la solution consistait à choisir un modèle de bateau trimaran. Un trimaran a trois coques parallèles, et est généralement utilisé pour les bateaux à grande vitesse. La conception offre beaucoup d'espace au-dessus du pont pour les réservoirs, et un espace suffisant sous le pont pour d'autres instruments et machines scientifiques.

Vers le bon vent et la mer suivante

L'équipe a conçu le Zero-V en utilisant des technologie de l'hydrogène disponible dans le commerce afin qu'ils puissent être sûrs que cela fonctionnerait. Une fois complété, la conception du navire a été examinée par DNV GL et les garde-côtes américains. Les deux organismes de réglementation sont parvenus indépendamment à la même conclusion :il n'y a pas de problèmes techniques « à couper le souffle » avec la conception Zero-V.

En réalité, Gerd Petra Haugom, expert en hydrogène de DNV GL, déclare que la conception Zero-V montre une compréhension essentielle des propriétés de sécurité de l'hydrogène, et comment il peut être utilisé en toute sécurité sur un navire. "Ce projet a été un bon test de nos propres règles et de l'approche alternative de conception pour l'utilisation de l'hydrogène et des piles à combustible, ", a-t-elle déclaré. "Les résultats du Zero-V feront partie d'une référence pour guider notre évaluation de navires similaires à l'avenir."

Avec une conception solide en place, la prochaine étape pour le Zero-V est de trouver le financement pour le construire. Par rapport aux navires de recherche à moteur diesel, le Zero-V a un coût en capital similaire, mais coûterait environ 7 % de plus à exploiter et à entretenir. Compte tenu de ses avantages—beaucoup plus silencieux, zéro émission et aucun risque de déversement de carburant polluant—Bruce Appelgate, qui supervise la flotte Scripps, espère que des donateurs partageant les mêmes idées se mobiliseront pour soutenir le projet.

"Comme d'autres idées qui changent la donne, cette approche semble d'abord coûteuse. Mais l'énergie solaire était très chère il n'y a pas si longtemps, et maintenant il est abordable et largement adopté. Les piles à combustible à hydrogène sont une technologie tout aussi transformatrice. Ils produisent propre, calmer, puissance non polluante aux navires tout en permettant des capacités scientifiques supérieures, " a déclaré Applegate. " La construction et l'exploitation du Zero-V feront progresser considérablement la technologie de transport maritime des États-Unis. "