Embarquez pour une traversée transformative vers un avenir marin durable

Au début de l'année, l'Organisation maritime internationale (OMI) a fixé des objectifs ambitieux pour atteindre une industrie maritime durable et des émissions nettes nulles d'ici 2050, une accélération drastique par rapport à l'objectif précédent de 2100 (voir plus de détails ici). Depuis, l'industrie navigue sur des mers agitées, ce qui a de vastes répercussions sur la gestion du cycle de vie des navires, de la conception à l'exploitation en direct et au démantèlement. La plupart des acteurs de l'industrie ont anticipé cette évolution, après avoir observé la séquence de réglementations environnementales de plus en plus strictes.

Lors du Clean Energy Action Forum 2022, Chris Wiernicki, PDG et président de l'American Bureau of Shipping (ABS), a présenté des filières de carburant dites crédibles, qui seront le principal moteur de la sélection par les exploitants de navires de nouveaux types de carburant pour atteindre les objectifs de zéro carbone. Le calendrier de préparation technologique est au cœur de la prise de décision, qui peut être décomposée en une période à court, moyen et long terme. Selon M. Wiernicki, cette préparation est assurée si les quatre piliers suivants peuvent être établis :

• Analyse de rentabilité solide
• Évolutivité
• Mise à disposition et utilisation de données certifiables
• Atténuation des conséquences imprévues

Des solutions écologiques à court terme pour le secteur maritime

Les solutions à court terme sont le gaz naturel liquéfié (GNL), le méthanol et les biocarburants de substitution de première et de deuxième génération. Selon Clarksons, 4,1 % de la flotte commerciale mondiale peut utiliser le GNL comme carburant. Cela représente 91 % de la part totale de la flotte capable de fonctionner avec des carburants alternatifs. En outre, la prédominance du GNL se reflète dans les carnets de commandes actuels, avec 33,3 % optant pour le GNL, suivi du gaz de pétrole liquéfié (GPL) avec 2,3 %, du méthanol (1,2 %), de l'éthane (0,3 %) et de l'hydrogène (<0,3 %). Les commandes combinant du GNL avec l'option "prêt pour l'ammoniac" représentent jusqu'à 10 % de ces commandes. La motivation principale pour les biocarburants de substitution est que l'infrastructure de distribution du carburant existante ne nécessite que peu ou pas d'ajustements. Pour les navires plus petits, les navires de haute mer et les navires côtiers, des solutions de batterie adéquates sont déjà disponibles, et des prototypes de navires entièrement électriques et autonomes peuvent être utilisés comme référence.

Solutions à moyen terme

À moyen terme, le méthanol progressera davantage. L'ammoniac augmentera à mesure que les moteurs compatibles deviendront disponibles au cours des deux prochaines années.

Projection à long terme

À long terme, des carburants durables (carburants produits à partir de sources de biomasse par divers processus biologiques, thermiques et chimiques) seront disponibles avec l'hydrogène bleu, c'est-à-dire l'hydrogène produit à partir de gaz naturel et soutenu par le captage et le stockage du carbone (CSC). La préparation de la technologie CSC est essentielle, tant à bord qu'à terre. Les sociétés de classification dirigent l'évaluation de l'énergie nucléaire comme option pour les grands navires commerciaux capables d'accueillir cette technologie. Une étude pilote critique vient d'être publiée.

Chaîne de simulation Simcenter – Mettre les voiles

Chaque étape du parcours vers la carboneutralité s'accompagne de défis d'ingénierie distincts pour l'exploitation des navires. Pour n'en citer que quelques-uns :

• Dispersion de gaz
• Post-traitement
• Ballottement dans les citernes
• Évaporation dans les citernes (le processus d'élévation indésirable de la température dans les citernes compromettant l'état cryogénique du gaz)
• Post-traitement pour la réduction et l'élimination des émissions (épurateurs)
• Fuites de gaz cryogénique pendant le soutage (processus de ravitaillement)
• Planification de traversée (consommation de carburant et profils d'émissions)

Les capacités multiphysiques de Simcenter STAR-CCM+ pour la modélisation multiphasique hybride sont exploitées pour fournir des prévisions basées sur la simulation pour ces problèmes, à la fois dans l'élaboration de concepts et dans l'analyse.

À un niveau supérieur des systèmes, Simcenter Amesim permet d'analyser les configurations du moteur et de la propulsion avec différents niveaux de détail et de fidélité, s'étendant jusqu'à la planification des traversées, la consommation de carburant et les profils d'émissions.

Alors que les premiers navires côtiers naviguent déjà en 100 % électrique, l'industrie nautique a commencé à se lancer dans sa mission d'électrification. Simcenter Amesim, Simcenter Motorsolve et Simcenter STAR-CCM+ proposent de nombreuses solutions basées sur des modèles pour prendre en compte le dimensionnement des batteries et la conception des organes d'entraînement, ou pour aider à prévenir l'emballement thermique.

Grands navires, zéro émission, solutions maritimes durables

Pour en revenir aux grands navires et aux bêtes de somme du commerce mondial, nous souhaitons mettre l'accent sur la façon dont la technologie de simulation de la suite Simcenter aide les ingénieurs à trouver des solutions à court et à moyen terme pour les carburants alternatifs. Parmi les quatre piliers de la viabilité des filières d'approvisionnement en carburant, en ce qui concerne l'ammoniac, l'atténuation des conséquences imprévues doit être abordée dès le début de la mise en œuvre.

Le GNL et l'ammoniac sont stockés à l'état cryogénique, ce qui signifie que toute exposition aux conditions environnementales, par exemple par le biais de fuites pendant le soutage, entraînera une vaporisation instantanée (ébullition éclair), mettant l'équipage en danger et présentant de nombreux dangers pour l'environnement. L'ébullition éclair du liquide pulvérisé à partir d'une fuite de tuyau dans l'environnement se produit parce que la pression ambiante est inférieure à la pression de saturation du combustible liquide. Selon la direction de la pulvérisation et la distance par rapport aux structures adjacentes, une pluie du nuage de vapeur dispersé peut se produire : l'impact des gouttelettes de liquide restantes de la pulvérisation principalement vaporisée est alors hautement inflammable.

Étude de cas : Soutage

Le soutage est une opération essentielle à bord des navires en mer ou au port. Pour réussir le soutage, il faut transférer en toute sécurité le carburant dans les citernes du navire sans débordement, déversement ou fuite.

La simulation peut aider lors des toutes premières étapes du processus de soutage

Au début du processus de soutage a lieu la planification de la traversée afin de déterminer la quantité de carburant à ravitailler. La bibliothèque maritime de Simcenter Amesim vous permet d'intégrer votre moteur et votre modèle de transmission dans l'environnement de simulation de traversée et de manœuvre en tenant compte des installations auxiliaires, de la consommation de carburant du moteur auxiliaire, du vent, des vagues et des effets du courant sur les caractéristiques d'alimentation.

Une fois que la quantité de carburant, y compris les réserves à ravitailler, a été déterminée, la planification des citernes qui recevront le carburant commence. Ici, un modèle de citerne, de tuyauterie et de vannes, du système de ballast et de l'admission de carburant par le soutage lui-même est essentiel à la prévision et à la surveillance des performances, ainsi qu'à la garantie de l'hydrostatique inhérente au navire. Ces éléments et les plans d'action en cas de fuites ou de déversements sont généralement discutés lors de la réunion pré-soutage, qui peut être assistée numériquement par des modèles rapides pour obtenir des réponses rapides à d'hypothétiques scénarios.

La clé du succès

L'environnement de simulation de Simcenter Flomaster vous permet de générer des enveloppes de résultats de différents scénarios de soutage, mais peut également vous servir en amont dans la phase de conception pour dimensionner les pompes et les conduites afin d'atteindre le moment optimal pour le remplissage, la vidange et le sondage des citernes. En fin de compte, les mesures essentielles de la simulation peuvent être automatiquement intégrées au registre des hydrocarbures conformément à l'annexe I de MARPOL.

Évitez les défaillances et les dangers potentiels du système

Intéressons-nous maintenant principalement aux défaillances potentielles des systèmes et aux dangers pour l'équipage et l'environnement. Nos modèles peuvent être configurés pour produire des réponses explicites aux réglementations pertinentes, par exemple, les codes IGC et IGF de l'OMI pour le GNL. Le GNL est généralement stocké à une température d'environ -162 ^° C. Il présente à la fois des risques cryogéniques, tels que des engelures et des brûlures sur la peau humaine, et un risque d'incendie et d'explosion lors de la transition vers un état gazeux dans la plage d'inflammabilité. Concernant l'ammoniac, des brûlures cutanées, des irritations et des inflammations du système respiratoire et des yeux peuvent survenir pour l'équipage. Les fortes concentrations de gaz en suspension dans l'air, en particulier dans les espaces confinés, peuvent entraîner des explosions ou des accidents mortels.

Découvrez comment la simulation CFD peut vous aider à analyser les conséquences indésirables

Pour mieux comprendre les dangers de l'ébullition éclair par pulvérisation et de la dispersion des gaz, penchons-nous sur le problème du réapprovisionnement en mer, où nous simulons la dispersion de l'ammoniac cryogénique d'un tuyau en raison d'une fuite pendant le soutage. À l'aide de simulations avec Simcenter STAR-CCM+, la physique complexe de l'ébullition éclair de la dispersion de gaz cryogénique peut être étudiée. Les paramètres recherchés comprennent l'étendue du panache, la concentration d'ammoniac en des points donnés et l'apparition ou non d'un phénomène de ruissellement. Même s'il est peu probable que les travailleurs sur le pont à l'air libre soient exposés à des niveaux de concentration mortels dépassant 2 000 ppm pendant 30 minutes ou plus, des sensations de picotement ou de brûlure dans les yeux et le système respiratoire peuvent survenir à la suite d'une exposition à un niveau aussi bas que 70 ppm au cours de la même période, selon l'Institut national de la santé.
Ces niveaux ne sont pas inaccessibles à l'intérieur de pièces fermées comme les compartiments moteurs, ce qui souligne l'importance d'utiliser la technologie de simulation pour l'évaluation des risques et la conception de contre-mesures.

Dans notre scénario fictif de soutage, l'ammoniac liquide provient d'une fuite déversée horizontalement sur l'infrastructure de soute du navire récepteur à une pression de 8 bars, provoquant une dispersion rapide dans l'environnement. Pendant 10 secondes, environ 1 ppm a pu être mesuré à des endroits spécifiques aux opérations de travail. Aucune fuite n'a été détectée sur le pont, c'est-à-dire que la totalité de la masse fuyante est passée à l'état gazeux.

Maintenez l'intégration – Tout le monde sur le pont pour un avenir maritime durable

Nous avons vu les différents problèmes d'ingénierie liés aux objectifs maritimes écologiques, allant de la conception à l'exploitation à bord et à la production de la documentation obligatoire. Vos études sur des composants ou des problèmes spécifiques auront certainement des répercussions sur les aspects fondamentaux de la conception générale des navires. Dans le cas probable où vous seriez dépassé par la complexité et l'interconnectivité de l'espace de conception, Simcenter HEEDS vous fournira des points de repère nautiques vers le port des solutions.

Découvrez la solution ultime : exploitez vos informations pour des résultats optimaux

Le rôle de Simcenter HEEDS est double. D'une part, son gestionnaire de flux de travail agit comme une araignée dans la toile des outils d'IAO Simcenter, en assurant le mappage et l'administration des E/S. D'autre part, l'optimisation multidisciplinaire de la conception peut être exploitée au niveau du sous-outil, du processus global ou d'une combinaison des deux. La définition de contraintes d'optimisation réalistes et l'utilisation de la puissante suite de post-traitement de Simcenter HEEDS pour obtenir les informations importantes seront les clés d'un retour au port en toute sécurité.

Il est temps de jeter l'ancre

La conception et l'exploitation des navires et des plateformes flottantes posent de nombreux problèmes d'ingénierie, et Simcenter dispose de bien d'autres outils que ceux mentionnés dans ce blog. Vous êtes-vous déjà interrogé sur la sécurité et le confort des passagers de votre bateau rapide ? Simcenter Madymo est le phare qui vous guidera.

Avancez à toute vapeur vers votre avenir maritime durable en utilisant l'ingénierie de performance intégrée de Simcenter. Restez à l'affût car nous finalisons un livre blanc sur les solutions de simulation CFD pour les défis multiphasiques. En attendant, téléchargez ce livre blanc, qui se focalise sur la conception de navires grâce à des outils de simulation et découvrez des informations pratiques pour améliorer votre approche en termes de projets maritimes.