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Sous-marins : le nouvel AIP de Naval Group tient ses promesses

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Sous-marins : le nouvel AIP de Naval Group tient ses promesses

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Le développement par Naval Group d’un système de propulsion anaérobie (Air Independent Propulsion - AIP) pour sous-marins basé sur une nouvelle génération de piles à combustible a franchi cette année une étape cruciale. Le système à terre de l’industriel français, installé sur son site d’Indret, près de Nantes, a en effet fonctionné pendant 18 jours dans des conditions représentatives d’une patrouille réelle. « Il s’agissait de bien vérifier le fonctionnement du système avec un profil d’utilisation opérationnelle, ainsi que l’autonomie en plongée. Pendant 18 jours, le système, connecté à des batteries pour être représentatif d’une utilisation réelle sur un sous-marin, a produit de l’électricité à partir de gazole, en fonctionnant à haute pression, ce qui signifie qu’il n’y a pas de limitation d’immersion pour son utilisation », explique Anthony Covarrubias, ancien commandant de l’un des Scorpène chiliens qui travaille aujourd’hui à la direction Marketing de Naval Group.

Transits, vitesses très lentes, accélérations, remontées rapides à la surface, arrêts de l’AIP suivis de remises en route, gestion d’une éventuelle panne ou avarie… Comme sur un vrai sous-marin, le système a été confronté à des situations concrètes afin de valider ses performances et sa fiabilité.

Première mondiale pour un reformage à partir de gazole

Avec ces essais réussis, Naval Group réussit un challenge technique remarquable pour ce dispositif produisant de l’hydrogène à partir de gazole. « 18 jours de production électrique à partir du reformage de gazole, c’est une première mondiale, cela s’est très bien passé et on peut le reproduire sans problème », se félicite Marc Quémeneur, responsable produit AIP chez Naval Group. L’industriel français propose cette solution pour augmenter l’autonomie en plongée des sous-marins conventionnels et leur éviter au maximum de revenir à la surface pour recharger leurs batteries, période durant laquelle le bâtiment est vulnérable.

Baptisé AIP FC-2G (Fuel Cell de seconde génération - FC-2G), ce système a nécessité une dizaine d’années de recherches. Technologiquement, il comprend deux innovations principales. D’abord, l’hydrogène servant au fonctionnement des piles à combustible est fabriqué directement à bord, via un processus chimique de reformage à partir du gazole utilisé par les diesel-générateurs. Ce procédé permet une sécurité accrue par l'absence de stockage d'hydrogène à bord. Les gaz d’échappement sont rejetés en toute discrétion, puisqu’ils se dissolvent instantanément dans l’eau. En parallèle, Naval Group a conçu un système breveté permettant de produire de l’air grâce à l’injection d’azote au niveau de l’arrivée d’oxygène de la pile, cet oxygène étant stocké sous forme cryogénique dans un réservoir. L’air synthétique réagit avec l’hydrogène dans la pile à combustible pour produire de l’électricité, qui alimente les batteries du sous-marin et le moteur électrique de propulsion. La pile est confinée dans une enceinte fermée et ventilée permettant de contrôler une éventuelle fuite d’hydrogène ou d’oxygène.

 

Principe du dispositif (© NAVAL GROUP)

Principe du dispositif (© NAVAL GROUP)

 

1 : le reformeur sert à produire de l'hydrogène à partir de gazole

1 : le reformeur sert à produire de l'hydrogène à partir de gazole

2 : le shift sert à augmenter le rendement en hydrogène et éliminer le monoxyde de carbone produit par le reformeur

3 : les membranes de purification alimentent les piles à combustible en hydrogène ultra pur

4 : les piles à combustible produisent de l'électricité à partir d'hydrogène et d'oxygène

5 : le réservoir de stockage de l'oxygène sous forme liquide

(© NAVAL GROUP)

(© NAVAL GROUP)

(© NAVAL GROUP)

 

Fonctionnement autonome ou en tandem avec les batteries

Conçue pour une durée de vie de 10.000 heures, la pile à combustible a une capacité de 250 kW. Elle alimente l’usine électrique quand le sous-marin est en mode AIP, permettant ainsi de faire tourner le moteur électrique de propulsion et de fournir la consommation électrique du bord. Le bâtiment peut alors évoluer sur ce seul système à une vitesse allant jusqu’à 5 nœuds environ, sachant que pour obtenir une autonomie en plongée de trois semaines, le profil d’utilisation varie plutôt entre 2 et 4 nœuds. Pour ce faire la puissance requise pour l'AIP FC-2G est comprise entre 130 et 180 kW. Au-delà, il faut puiser dans les batteries, le passage d’une source d’énergie à l’autre se faisant sans interruption. Mais l’un des intérêts de l’AIP de Naval Group est aussi de pouvoir compléter l’énergie fournie par les batteries. « En cas d’accélération, il n’y a pas de coupure et, si on veut aller plus vite que le maximum autorisé par l’AIP, on passe sur les batteries mais on peut aussi continuer à faire fonctionner l’AIP, qui vient alors soulager les batteries et éviter d’autant de puiser dans leurs réserves. De cette manière, si le sous-marin a besoin de naviguer quelques heures à vitesse élevée, l’AIP sert selon l’allure à prolonger un peu ou sensiblement l’autonomie en immersion », souligne Anthony Covarrubias.

 

Piles à combustible FC-2G (© NAVAL GROUP)

Piles à combustible FC-2G (© NAVAL GROUP)

 

De nombreux avantages par rapport à d’autres systèmes

Sur le plan architectural, l'AIP FC-2G de Naval Group constitue un atout considérable par rapport aux systèmes existants, où l’hydrogène est stocké dans des réservoirs extérieurs, posant des problèmes de poids (130 à 160 tonnes d’hydrures dont moins de 2% d’hydrogène utilisable) et de ravitaillement. Les piles à combustible actuellement en service utilisent, de plus, de l’oxygène pur, qui engendre une forte usure, les filtres et membranes devant être remplacés très régulièrement. Plus performant selon Naval Group, l'AIP FC-2G offre, d’après ses concepteurs, un temps d’utilisation entre chaque maintenance majeure environ cinq fois supérieur à celui de ses concurrents étrangers. « Notre système s’intègre vraiment au schéma opérationnel d’un sous-marin. Il ne nécessite qu’une interruption courte de trois semaines tous les ans, les seuls équipements à changer pendant cette période de maintenance étant les catalyseurs. Entretemps, il n’y a rien à faire ! » dit Marc Quémeneur.

Enfin, le choix d’une production d’hydrogène à partir du gazole facilite le ravitaillement et le stockage (carburant unique sur le sous-marin) tout en améliorant la sécurité par rapport à des systèmes utilisant par exemple du méthanol, plus inflammable et introduisant des produits toxiques en cas de fuite.

 

Marc Quémeneur devant les principaux composants du système (© MER ET MARINE - VINCENT GROIZELEAU)

Marc Quémeneur devant les principaux composants du système (© MER ET MARINE - VINCENT GROIZELEAU)

Reformeur, shift, membrane et pile à combustible (© MER ET MARINE - VINCENT GROIZELEAU)

Reformeur, shift, membrane et pile à combustible (© MER ET MARINE - VINCENT GROIZELEAU)

 

Le dispositif entièrement intégré dans un module autonome

Comme le MESMA, premier AIP développé par le groupe français et qui équipe les Agosta 90B pakistanais, l’ensemble du système AIP FC-2G est regroupé dans un seul module, autonome par rapport au reste du sous-marin. Le système est logé dans un tronçon de coque long d’environ 8 mètres intégré au bateau dès l’origine ou ajouté après refonte avec un minimum de modifications par rapport à l’existant. Adaptable à des bâtiments d’un diamètre d’au moins 6 mètres, comme le Scorpène ou la version à propulsion conventionnelle du Barracuda, le module AIP FC-2G a été évidemment conçu pour ne pas impacter les performances globales, à commencer par la capacité d’immersion et la discrétion acoustique.

 

Le module AIP (© NAVAL GROUP)

Le module AIP (© NAVAL GROUP)

 

Le système à terre en service depuis 2011

Les performances annoncées par Naval Group peuvent donc être garanties grâce aux essais menés ces dernières années sur un système AIP FC-2G à taille réelle implanté à Indret. Après des tests menés sur un démonstrateur dédié à la production d’hydrogène de 2003 à 2010, le dispositif complet à l'échelle 1 a été construit en 2010. Il est entré en service l’année suivante et cumule désormais plus de 6000 heures de fonctionnement, soit l’équivalent de six ans d’utilisation. Il s’agit donc, selon Naval Group, d’un système désormais fiable et éprouvé avant même de l'avoir embarqué sur un sous-marin. « 6000 heures de fonctionnement et de production d’hydrogène cela représente plus qu’un cycle d’opération entre deux périodes de grande maintenance », soulignent Marc Quémeneur et Damien Lelandais, architecte système du programme FC-2G.

Prêt à l’emploi avec encore des perspectives d’amélioration

Le système est donc « prêt à être commercialisé » et déjà proposé par Naval Group à un certain nombre de marines. En attendant de premières commandes, les travaux vont se poursuivre. « Nous allons continuer de mener des essais sur des profils opérationnels et nous concentrer sur l’optimisation du système, son efficacité, son entretien et sa maintenance ». Les ingénieurs vont par exemple plancher sur l’amélioration du rendement du système par la réduction de la consommation d’oxygène, notamment grâce à de nouvelles technologies comme la fabrication additive. « Nous avons de très grandes perspectives d’évolutions du système et nous voyons un vrai potentiel d’augmentation des performances en puissance comme en autonomie qui permettront d’aller sur de gros sous-marins tout en restant dans des volumes très intéressants ».

Alors que le dispositif est couplé aujourd’hui à des batteries traditionnelle au plomb, Naval Group travaille par ailleurs sur l’intégration à bord des sous-marins de batteries utilisant la technologie lithium-ion, qui permettra d'élargir les performances opérationnelles offertes.

 

Naval Group (ex-DCNS)