C'est à toute vapeur pour l'industrie maritime européenne alors qu'une nouvelle vague de technologies d'énergie propre est sur le point de rejeter les émissions de gaz à effet de serre par-dessus bord.

Le transport maritime, bien qu'essentiel pour le commerce, contribue de manière significative aux émissions qui causent le changement climatique. Le transport maritime mondial émet 3 % des gaz à effet de serre (GES) mondiaux. L'industrie maritime étant responsable du transport de pas moins de 90 % du commerce mondial, une pression croissante s'exerce sur le secteur pour qu'il réduise rapidement son empreinte carbone.

"Le transport maritime international en haute mer est l'une des principales sources de toutes les émissions en Europe", a déclaré Syed-Asif Ansar, scientifique au Centre aérospatial allemand, DLR.

Bien que 3% puisse ne pas sembler titanesque, la croissance de la demande de transport maritime dans le monde signifie que les émissions maritimes se sont accélérées plus rapidement que la plupart des autres secteurs, dit-il.

Sans action, le transport maritime pourrait être responsable de 10 à 13 % des émissions mondiales d'ici quelques décennies.

Carburant de transition

Aujourd'hui, la plupart des paquebots et des porte-conteneurs utilisent des moteurs diesel pour produire de l'électricité afin de propulser le navire. L'Organisation maritime internationale (OMI), l'agence des Nations Unies chargée de réglementer le transport maritime, vise à réduire de moitié les émissions des navires océaniques d'ici 2050. Cela oblige l'industrie à s'orienter vers des carburants plus propres.

Une approche consiste à abandonner le diesel et à s'orienter vers le gaz naturel liquéfié (GNL). Le GNL se forme lorsque le gaz naturel (méthane) est refroidi de la forme gazeuse à la forme liquide, ce qui le rend 600 fois plus petit en volume. Cela facilite le transport et le stockage. L'augmentation de la température le transforme à nouveau en gaz.

Bien que le GNL soit toujours un combustible fossile, il est inclus dans la taxonomie de l'UE, qui le répertorie comme un combustible de transition qui facilitera le passage aux énergies renouvelables dans un avenir proche.

Élimination des fumées

En 2020, le projet Nautilus a entrepris de développer un nouveau type de moteur basé sur le GNL qui réduirait de moitié les émissions de gaz à effet de serre par rapport au diesel et éliminerait entièrement les gaz d'échappement du diesel, qui contiennent des polluants nocifs pour la vie marine et la santé humaine.

Tirant son nom du mot grec pour marin, le projet Nautilus construit actuellement un moteur spécial dans le DLR en Allemagne qui fonctionnera au GNL.

Ce moteur contient une pile à combustible à oxyde solide qui transforme le GNL en électricité, sans brûler le gaz, puis alimente une batterie. La pile à combustible et la batterie propulsent ensemble le navire. Beaucoup plus d'énergie chimique du gaz entre dans la propulsion que s'il était simplement brûlé.

"La conversion d'énergie n'est pas une combustion, mais plutôt une conversion électrochimique", a déclaré Ansar, chef du projet Nautilus. "C'est beaucoup plus efficace."

Les combustibles à oxyde solide existent déjà, mais pas à l'échelle utilisée dans le transport maritime. Ils sont prévus pour être utilisés dans des centrales électriques. Mais la technologie existante est trop volumineuse pour les navires. "Le poids n'est pas le problème majeur sur les navires", a déclaré Ansar, "mais le volume l'est."

Paquebots

Considérez également qu'un paquebot typique nécessite 40 à 60 mégawatts, soit à peu près la même consommation d'énergie qu'une ville d'environ 10 000 maisons. Dans l'état actuel des choses, les fournisseurs européens ne peuvent fournir que des unités de piles à combustible à oxyde solide pour la plupart inférieures à 10 kilowatts, une fraction de ce qui est nécessaire.

Le projet Nautilus a construit de grandes piles à combustible pouvant atteindre 30 kilowatts, qui sont ensuite combinées en faisceaux pour atteindre les 40 à 60 mégawatts nécessaires aux navires.

L'équipe vise à obtenir des essais à terre certifiés d'ici 2024, des essais à bord d'ici 2026 et un navire à passagers propulsé par le moteur d'ici 2030.

La prochaine étape sera alors le porte-conteneurs. Ils voient grand. "Nous ne voulons pas propulser des navires dans des applications de niche", a déclaré Ansar. "Nous voulons cibler l'éléphant dans la pièce, c'est-à-dire les cargos, les grands paquebots et autres paquebots."

Et parce que l'électricité au GNL génère toujours du CO₂ émissions, le projet envisage également plus loin le moment où ce combustible fossile de transition sera remplacé par une alternative à faible émission de carbone.

Méthane vert

Dans un premier temps, le carburant serait mélangé puis remplacé par une forme renouvelable de GNL, le méthane vert, généré à partir de l'énergie solaire ou éolienne. Le méthane vert n'ajoute pas d'émissions dans l'atmosphère.

For now, the ambition is to gradually replace diesel engines on ships with technology that taps into fuel cells, LNG and battery storage. Further challenges involve making the units robust enough for ocean voyages, of huge scale and able to operate under different loads.

But diesel and LNG are not the only options when it comes to powering ocean-going freighters and tankers. Another project seeks to clean up global shipping by embracing the potential of ammonia to energize the shipping industry.

Ammonia is widely used in the chemical industry and is best known as the key ingredient in fertilizer. Colorless and with a pungent smell, the fact that the ammonia molecule (NH3) is rich with hydrogen makes it perfect to adapt as a fuel. When used as a fuel, the only emissions are water, with no carbon present to make CO₂ .

"There is a strong focus on ammonia as a possible alternative to fossil carbon fuel for propulsion," said Andrea Pestarino at RINA consulting in Italy, "But there is no commercial engine that can be installed right now onboard a ship." He coordinates the Engimmonia project, one of a number of initiatives worldwide seeking to tap ammonia to power shipping.

Energy dense

Ammonia is a relatively energy-dense means to store and transport green hydrogen generated by renewables. Liquid ammonia packs more energy into the same volume as liquid hydrogen, and can be stored at minus 33 degrees Celsius, as opposed to minus 253 degrees Celsius for hydrogen.

"Instead of storing hydrogen, you store ammonia," said Pestarino. In practice, this means you no longer need large pressurized tanks to store concentrated hydrogen gas, but can simply hold onto chilled liquid ammonia.

Nonetheless, care is needed to ensure no leakage, since ammonia is toxic and smelly. The project is tackling a further challenge; ensuring harmful nitrous oxide gases are scrubbed from exhaust fumes when ammonia is consumed.

It's the talk of the town in shipping circles. "Ammonia is currently seen as the most efficient way to decarbonize the shipping sector, especially propulsion," said Pestarino.

Green ammonia

Engimmonia is also out to transform technologies used on land into ship-shape tech ready for sea conditions. This requires strategies to recycle waste heat for electricity and air conditioning. There are also practical challenges such as where to fit solar panels onto container ships, which have very few free surfaces as they are designed today.

Suffice it to say the ammonia itself will need to be green ammonia, generated from renewable energy sources, in the same way that LNG will ultimately have to be replaced by green methane. At the moment, ammonia is not a carbon-free alternative because fossil-fuel energy is used in its creation.

Numerous initiatives are underway to navigate the shipping industry towards decarbonization, in line with the goals of the European Green Deal, a plan to make Europe the world's first climate neutral continent.

"We're bringing all the pieces of the puzzle together to make a viable system for the shipper," said Ansar. + Explorer plus loin

An analysis of renewable fuel options for ships carrying bulk cargo