ETUDE DE L EFFICACITE ENERGETIQUE ET ENVIRONNEMENTALE DU TRANSPORT MARITIME

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1 MINISTÈRE DE L ÉCOLOGIE, DE L ÉNERGIE, DU DÉVELOPPEMENT DURABLE ET DE L AMÉNAGEMENT DU TERRITOIRE ETUDE DE L EFFICACITE ENERGETIQUE ET ENVIRONNEMENTALE DU TRANSPORT MARITIME RAPPORT FINAL Rapport final

2 SOMMAIRE REMERCIEMENTS... 4 PRESENTATION ET CONTEXTE... 6 L Organisation Maritime Internationale... 7 L Union Européenne... 9 Objectifs de l étude...10 Champ de l étude...11 Limites...13 Limites de validité des résultats Limites méthodologiques I. APPROCHE METHODOLOGIQUE I.1 Généralités sur la méthodologie...14 I.2 Processus méthodologique de détermination des indices CO I.3 Présentation pas à pas du détail de la méthodologie...20 I.4 Estimation de l énergie primaire...35 I.5 Analyse de l impact des conditions d exploitation...37 Le questionnaire Le cas des porte-conteneurs Le cas des ferries et des ro-pax I.6 Présentation des scenarii...41 II. CALCUL DE L EFFICACITE ENERGETIQUE ET ENVIRONNEMENTALE DU TRANSPORT MARITIME II.1 Présentation des données...42 II.1.1 Données annuelles d exploitation II.1.2 Profils d exploitation II.2 Résultats sur l efficacité énergétique...50 II.2.1 Marchandises II.2.2 Véhicules légers II.2.3 Passagers II.3 Résultats sur l efficacité environnementale...56 II.3.1 Marchandises II.3.2 Véhicules légers III.3.3 Passagers III.3.4 Passagers et Véhicules légers III.3.5 Efficacité énergétique globale III.3.6 Impact de la clé de répartition II.4 Résultats sur les polluants locaux (SOx et NOx)...66 II.4.1 Les SOx (SO2 et SO3) II.4.2 Les NOx (NO et NO3) Avril

3 II.5 Cas particulier : le transport de GNL (méthaniers)...75 III. ETUDE DE SCENARII SPECIFIQUES DU TRANSPORT MARITIME III.1 Ferries et Ropax : Comparaisons modales...76 III.2 Scénarii de transport maritime...78 III.2.1 Importation de pétrole brut d Arabie Saoudite III.2.2 Exportation de céréales sur l Afrique du Nord III.2.3 Transport d une remorque sur navire roulier type «Autoroutes de la mer» III.2.4 Importation de produits manufacturés en conteneurs en provenance de Chine III.2.5 Transport de passagers vers la Corse III.2.6 Transport de conteneurs de/vers l Europe du Nord/Europe du Sud SOURCES DE DONNEES ET BIBLIOGRAPHIE TABLE DES ILLUSTRATIONS ANNEXES Annexe 1 Liste des participants au comité de pilotage Annexe 2 - MEPC Annexe 3 Le marché des droits à polluer Annexe 4 Définition générale des navires Annexe 5 Clé de répartition Ferries et RoPax Annexe 6 Questionnaire armateurs Avril

4 REMERCIEMENTS L équipe qui a travaillé sur cette étude tient tout particulièrement à remercier 1 : - Le Ministère de l Ecologie, de l Energie, du Développement Durable et de l Aménagement du Territoire (MEEDDAT, pour l étroite coopération de ses collaborateurs - L ADEME (Agence de l'environnement et de la Maîtrise de l'energie) pour son apport méthodologique dans l évaluation des émissions de GES - Armateurs de France, qui a supporté cette étude dès le départ et les armateurs qui, à titre individuel, ont contribué à la fois au débat lors des réunions de travail, mais aussi au recueil d information sur les conditions d exploitation de leurs navires. Nous mentionnerons à cet égard les contributions de : SNCM, Brittany Ferries, Louis Dreyfus Armateurs, CMA CGM, Broström, Geogas et Bourbon. - Le CITEPA (Centre Interprofessionnel Technique d Etude de la Pollution Atmosphérique) pour le partage de son expérience dans le domaine de la mesure de la pollution dans le domaine industriel - Le BP2S (Bureau de Promotion du Short Sea Shipping) pour sa participation aux comités de pilotage 1 Annexe 1 : Liste des participants au comité de pilotage et des personnes ayant contribué à l étude Avril

5 Cette étude a été réalisée par les sociétés MLTC et TECNITAS : MLTC (filiale conseil de la société Barry Rogliano Salles premier courtier maritime français, parmi les 5 premiers au monde). Créé en 1997, le bureau d étude MLTC s est spécialisé dans le conseil en transports, principalement dans les domaines portuaires terrestres (y compris fluvial) et maritimes. Ces domaines de compétences se sont élargis au fil du temps notamment pour répondre aux besoins d une clientèle engagée dans des réflexions de plus en plus larges, intégrant l ensemble de la chaîne logistique (notamment pré et post transport terrestre : route, fer et fleuve), mais également des activités annexes au transport. TECNITAS (société d expertise technique du Bureau Veritas) : première société d expertise technique des navires en France, Tecnitas s appuie sur une expérience de plus de 30 ans et un réseau de 150 experts présents dans le monde entier. Son expertise couvre l ensemble des éléments constitutifs du navire (coque, moteurs, apparaux) à l aide des techniques de mesures et d analyses les plus avancées, elle s étend aussi au domaine du conseil et du management de projet. Avril

6 PRESENTATION ET CONTEXTE La présente étude s inscrit dans la logique des travaux qui ont été effectués au cours de l année 2007 par l ADEME et qui portaient sur l évaluation et l actualisation de certaines données sur l efficacité énergétique et environnementale des différents modes de transport. L initiative de cette étude a été prise, au sein de la Direction Générale de la Mer et des Transports par la Direction du Transport Maritime Routier et Fluvial, qui, en collaboration avec l ADEME en a écrit le cahier des charges. A la suite de la réorganisation, à la mi-2009 du Ministère chargé des transport maritimes, et du Ministère chargé des questions environnementales devenus le Ministère de l Ecologie, de l Energie, du Développement Durable et de l Aménagement du Territoire, son pilotage a été assuré, au sein de la Direction Générale des Infrastructures, des Transports et de la Mer, par la Direction des Services de Transport. La présidence du comité de pilotage a été assurée par Philippe Maler, Directeur adjoint des Services de Transport. Si le mode maritime avait été inclus dès l origine, il s est avéré que son organisation et son caractère très diversifié nécessitaient une analyse à part entière. Conformément à la volonté de l administration chargée du transport et de l écologie d évaluer sur ce plan le maillon maritime des chaînes de transport et d approcher les comparaisons modales et à celle de l ADEME de disposer de données précises, permettant une meilleure approche de l efficacité environnementale du transport maritime ou incluant une part de transport maritime. Cette étude doit aussi servir à alimenter les débats et l argumentation des représentants français au sein des instances internationales en charge de ces questions (OMI, UE). L OMI est en première ligne sur ce sujet et si elle vient de légiférer sur un calendrier de réduction des polluants tels que les oxydes de soufre (SOx), les oxydes d azote (NOx) et les particules, les discussions portant sur la réduction des gaz à effet de serre (dont le CO2) se poursuivent et seront approfondies lors de la prochaine réunion du MEPC (Marine Environment Protection Committee) en Juillet Il s agit dans cette étude d aboutir à une évaluation aussi pertinente que possible des émissions de CO2 pour les principaux types de navires en service (indices/niveaux opérationnels). L option d une approche à la fois théorique (mise en place d un modèle de calcul des émissions unitaires de CO2) et pratique (recueil des données d exploitation chez les armateurs) a été retenue. La question de comparabilité des résultats entre les modes de transport étant l une des contraintes essentielles de l exercice, la méthodologie d évaluation des émissions de CO2 Avril

7 propre au transport maritime développée pour l occasion, aboutit néanmoins à des résultats unitaires en grammes de CO2 par tonne ou par passager-km. Enfin, et pour obtenir une image plus complète de l évaluation des émissions des différents types de navires, des données portant sur la production de SOx et de NOx seront aussi incluses dans les résultats de cette étude. L Organisation Maritime Internationale La prise en compte de la problématique des émissions de gaz à effet de serre par l OMI a commencé en 1997 à l issu du protocole de Kyoto. Jusqu à une période récente ces réflexions étaient restées très morcelées et superficielles dans la mesure où le Protocole de Kyoto lui même exclut les émissions provenant du transport maritime dans le calcul des émissions de chacun des Etats. Le véritable lancement des travaux de l OMI sur la question a eu lieu en 2003 lorsque l assemblée générale confie au MEPC (Marine Environment Protection Committee) l objectif de réaliser un index permettant une comparaison des émissions des navires et de proposer des pistes visant à réduire ces dernières. En 2005, le MEPC adopte une directive donnant naissance à un index opérationnel permettant le calcul des émissions de CO2 des différents navires en fonction de leur consommation observée. Cet index donne une méthode de calcul et les ratios de CO2 émis par tonne de carburant. En octobre 2006, le MEPC 55 a adopté un plan de travail sur la question des gaz à effet de serre prévoyant notamment qu au MEPC 57 (avril 2008), le comité examinerait des mesures techniques et opérationnelles permettant une réduction des émissions. Le MEPC 56 (juillet 2007) a approuvé la création d un groupe intersession pour travailler sur cette question. Ce groupe, coordonné par l Australie et les Pays-Bas, a travaillé à la réalisation d une liste de proposition (voir tableau ci-dessous). Avril

8 Tableau 1 : proposition du MEPC 56 Réalisation Nature Mesure Court terme Long terme Technique Opérationnelle Commerciale Technique Opérationnelle Commerciale Création d'un outil identifiant les pratiques réduisant les émissions de CO2 Branchement électrique au port Utilisation de voiles Mise en place d'un instrument (obligatoire ou volontaire) mesurant les émissions de CO2 Stricte limitation des fuites de gaz réfrigérant Réduction de la vitesse des navires (en mer et à l'arrivée au port) Mesures volontaires pour améliorer la gestion du trafic et de la flotte, les opérations de manutention Echange d'informations / assistance sur les données relatives aux emissions de CO2 provenant du transport maritime Considérer le black carbone et le NOx dans l'évaluation des émissions de GES Engagement volontaire entre le secteur économique et un gouvernement Classement des performance des navires et des opérateurs Mesures techniques sur le design des navires Utilisation de carburants alternatifs Vérification externe de l'index CO2 Limite des émissions de CO2 avec pénalité si non conformité Création d'un marché des droits d'émissions Prise en compte des émissions de GES dans le calcul des taxes portuaires Taxe sur les soutes Les travaux du MEPC 57 ont repoussé la prise de décision sur la révision des règles 13 et 14 de l annexe VI de la convention MARPOL concernant les émissions de SOx et de NOx au MEPC 58 Cette révision a été adoptée au cours du MEPC 58 qui s est tenu en octobre 2008 pour une entrée en vigueur prévue le 1 er juillet A la suite du blocage de plusieurs Etats (Chine, Inde, Brésil, Arabie Saoudite etc. ) ce comité n est pas parvenu à progresser sur le sujet de la mise en place d outils de réduction des émissions de gaz à effet de serre basés sur le marché du transport maritime ni à établir un indice opérationnel d efficacité énergétique. Par contre, sans pour autant qu elle soit finalisée, la formule descriptive de l indice environnemental nominal des navires neufs a été significativement améliorée et fera l objet d une proposition au MEPC 59. Au cours du MEPC 58, la première phase d une étude portant sur l évaluation globale de la contribution du transport maritime a été présentée. Cette étude aboutit à un résultat de 843 millions de tonnes de CO2 produits par les transports maritimes en 2007, soit environ 2,7% du total mondial des émissions de CO2. Les résultats définitifs de cette étude seront présentés au prochain MEPC, en juillet 2009, au cours duquel seront aussi discutés les moyens les plus efficaces et adaptés pour mettre en œuvre une politique de réduction des émissions dans le domaine maritime. Les propositions faites jusqu à présent s orientent vers deux types de solutions possibles : - des solutions basées sur des objectifs globaux et obligatoires de réduction des émissions et qui pourront se traduire soit par la création d un marché de droits à 2 Annexe 2 : MEPC 58 Avril

9 émettre 3, soit par la création d un fond visant à soutenir des actions en faveur de la réduction des émissions de GES, et donc d une taxe générale. - des solutions basées sur le volontariat des Etats et des acteurs. Le groupe intersession poursuivra ses travaux avant la présentation de propositions au prochain MEPC. Sur le plan international, l exclusion des transports du protocole de Kyoto (qui pourrait être remplacé par un protocole de Copenhague en décembre 2009) fait actuellement débat, et le résultat des travaux de l OMI sera présenté à l ONU à cette occasion. Le transport aérien est aussi entré dans un processus similaire et il est fort probable que dès lors que ce dernier sera inclus dans les objectifs de Kyoto, l inclusion du transport maritime ne sera une question de temps à moins de que des solutions spécifiques ne soient produites d ici là. L Union Européenne L Union Européenne est très active sur les questions environnementales et elle n hésite pas à devancer l OMI sur ce sujet. Mais, le domaine où elle a le plus progressé est sans doute de la problématique des émissions de gaz du type SOx (oxyde de soufre) et NOx (oxyde d azote). Le rapport CE Delft a néanmoins réalisé une analyse des premiers échantillons de navires ayant récolté des données dans le cadre de l index de l OMI ce qui a permis de réaliser un premier classement des différentes catégories de navires en fonction de leurs émissions. Les échantillons restent néanmoins très inégaux selon les catégories. Une analyse plus fine des résultats dans le rapport induit une critique de l index OMI, dans la mesure où il ne règle pas la question des ferries (le rapport suggère d affecter une masse pour chacun des passagers ou des véhicules) et où il ne prend pas en compte le voyage retour à vide (comme le fait l indice INTERTANKO présenté dans le rapport). L UE réfléchit également à des mesures permettant une réduction des GES des navires. Ainsi, suite à l extension du marché des droits à polluer au transport aérien décidé en 2006 par la commission européenne, une réflexion est en cours actuellement au sein de l Union pour inclure également le transport maritime. Néanmoins, le rapport Kageson 4 remis au gouvernement allemand met en évidence un grand nombre d obstacles techniques et économiques à cette extension. D autre part, l Union Européenne a également rédigé une recommandation visant à promouvoir le branchement à quai des navires. Néanmoins, cette recommandation, si elle peut avoir un impact en termes d émission de GES, a prioritairement été motivée par la problématique des émissions de gaz du type SOx et NOx dans des régions portuaires urbanisés. 3 Annexe 3 : le marché des droits à polluer 4 Kågeson, P. (2007), Linking CO2 emissions from international shipping to the EU ETS, Nature Associates. Avril

10 Objectifs de l étude Cette étude a pour objectifs : - L estimation des efficacités énergétiques et environnementales du transport maritime, en termes d émissions atmosphériques par navire à partir de conditions réelles d exploitation - L étude de l impact de ces conditions d exploitation sur les émissions en termes de marchandises transportées. Elle permet aussi la comparaison entre les navires d une même catégorie et entre les différents types de navires, selon deux critères : - l efficacité énergétique - les émissions de CO2 associées On comparera alors les émissions de GES par navire/kilomètre. D autre part, afin de faciliter la comparaison avec les autres modes de transport, les résultats seront présentés de la manière suivante, en fonction des navires étudiés : Emission de GES en gramme équivalent pétrole par tonne/kilomètre = gep/t-km Emission de GES en gramme équivalent pétrole par passager/kilomètre = gep/paxkm Les émissions seront par ailleurs différenciées selon qu elles proviennent : - de la production, transport, raffinage, distribution, ou autre opération relative à la phase amont. (alors appelée du «puits au réservoir») - de l utilisation de l énergie ainsi livrée dans les réservoirs, le plus souvent par leur combustion (alors appelée du «réservoir à la roue») Pour l ADEME, il s agit de se rapprocher des démarches retenues pour les études précédemment réalisées sur l efficacité énergétique des autres modes de transport. Il s agit de considérer la notion de service rendu et de se ramener par conséquent aux rejets relatifs à la masse de marchandise «utile» transportée. La typologie des navires étudiés dans cette étude a pour vocation de couvrir la majeure partie des besoins transports maritimes nationaux, ce qui exclut certains secteurs représentant des tonnages trop faibles. La présente étude doit aussi ouvrir la réflexion à d autres sujets liés à la réduction de l empreinte écologique du transport maritime et aux moyens d y parvenir qui passent par l étude de sujets tels que : - la réduction de la vitesse des navires - l adaptation et l évolution des moteurs - les procédés de captage des gaz produits avant rejet dans l atmosphère - le branchement à quai des navires - l optimisation de la navigation (réduire les trajets à vide) - les nouveaux modes de propulsion (gaz, électrique, voile ) Avril

11 Champ de l étude Typologie des navires 5 L analyse des émissions de GES par le transport maritime nécessite une analyse différenciée en fonction des types de navires et des types de marchandises transportées. En effet, il est difficile de mettre sur le même plan un transport de pétrole brut entre le Moyen-Orient et l Europe du Nord avec le transport d un passager par ferry entre la France et le Royaume-Uni. La typologie retenue prend à la fois en compte ces critères de types de navires, de marchandises transportées, mais aussi de tailles de navires, ceci afin de refléter au mieux les trafics de marchandises au départ ou à destination du territoire français. En outre, et même si la plupart des armateurs interrogés sont installés sur le territoire, la typologie étudiée ne se limite pas aux navires sous pavillon français, ces derniers ne couvrant pas la totalité des configurations souhaitées compte tenu notamment du caractère peu «souple» des moteurs marins, c est à dire de la faible plage d utilisation pour laquelle leur rendement est optimal. La typologie ainsi adoptée est la suivante : Tableau 2 : Typologie des navires CATEGORIE TYPE CAPACITE Capesize tpl Panamax tpl NAVIRES VRAQUIERS Handymax tpl Handysize tpl Petit vraquier / fluvio-maritime 5 à 6000 tpl NAVIRES PETROLIERS TRANSPORTEURS DE PRODUITS PETROLIERS NAVIRES METHANIERS NAVIRES GAZIERS NAVIRES PORTE CONTENEURS FERRY NAVIRE ROULIER VLCC Aframax Handy product Petit product tanker Méthanier Diesel Méthanier Turbine Petit GPL VLGC PC 800 evp PC 1600 evp PC 2200 evp PC 5500 evp PC 9500 evp Ferry de nuit Ferry de jour Navire Ro-Pax RoRo tpl tpl tpl tpl m m m m tpl tpl tpl tpl tpl 6300 tpl Cabines / 2000 pax 1000 ml 5700 tpl 1900 pax 3800 tpl 1000/1500 pax 2000 ml 5900 tpl 2000 ml 5 Annexe 4 : Définition générale des navires Avril

12 Périmètre des émissions calculées Dans le cadre de cette étude, les émissions spécifiques calculées sont les suivantes : - Emissions de CO2 - Emissions de SOx - Emissions de NOx Le CO2 est directement lié à la consommation de carburant, le NOx est lié au fonctionnement de la motorisation et le SOx à la consommation et au type de carburant utilisé. Les émissions de gaz réfrigérants et de méthane (CH4) seront abordées brièvement dans l étude mais uniquement de manière qualitative. Ces émissions de gaz sont pour la plupart accidentelles (gaz réfrigérants) et rarissimes (CH4). En revanche, les émissions de GES lors des opérations de maintenance ont été exclues du périmètre de l étude. Ces émissions n ayant pas été comptabilisées lors de l étude réalisée sur les autres modes de transport (routier, aérien) Branchement à quai : La méthodologie présentée est telle qu elle permettra ultérieurement de réaliser une comparaison des émissions de CO2 dans le cas de production par le bord et dans le cas de fourniture partielle ou totale par un branchement à quai. Appelé plus communément «cold ironing», cette pratique vise à substituer, lorsque le bateau est à quai, la production d énergie du bord par la production d énergie électrique fournie par le réseau à terre, moins émettrice de CO2. Le modèle d évaluation des émissions de CO2, SOx et NOx élaboré dans le cadre de cette étude permet entre autres de réaliser des estimations concernant les volumes produits lors des escales. Cette «situation» fait partie de la structure du profil d exploitation utilisé pour la mesure des émissions unitaires de chaque type de navire. Vous trouverez en introduction du chapitre II.2 sur les résultats concernant l efficacité énergétique, un tableau reprenant la proportion des émissions en fonction des phases d exploitation sur une année entière pour plusieurs types de navires. Les opérations à quai représentent entre 3 et 7% des émissions globales selon les types de navires et leurs conditions d exploitation. Avril

13 Limites Limites de validité des résultats La méthodologie se base sur l utilisation de statistiques annuelles (sur une ligne ou une activité) et leur déclinaison pour un navire donné, avec un chargement moyen donné et un trajet moyen défini, représentatifs de son l activité annuelle. Les indices et valeurs d émission ainsi défini ne devront ainsi être utilisés que dans leur domaine de validité, c'està-dire en relation avec les statistiques annuelles et autres hypothèses avec lesquelles ils ont été définis. Limites méthodologiques La méthodologie s attache à donner des ordres de grandeur et à déterminer les performances moyennes qu aurait un navire moyen sur un trajet déterminé où il rencontrerait des conditions de navigation ordinaires. Ce caractère moyenné ne permet pas de faire apparaitre directement les performances des navires qui s éloignent de la norme. (Ex ; utilisation d un moteur spécialement économe en énergie, ou au contraire, performances médiocres). Les performances (bonnes ou mauvaises) de ces navires sont en effet masquées par la flotte de navires. Leur appréhension est cependant tout à fait possible, en modifiant les paramètres de ce navire spécifique dans l outil Excel conçu pour cette étude. La méthodologie est peu adaptée à la détermination des consommations et rejets dans des situations où le régime moteur serait fréquemment transitoire. La précision diminue également quand le navire évolue longtemps à une vitesse qui est très éloignée de sa vitesse maximale, compte tenu notamment du caractère peu «souple» moteurs de propulsion marins, c est à dire de la faible plage pour laquelle leur rendement est optimal. Avril

14 I. APPROCHE METHODOLOGIQUE I.1 Généralités sur la méthodologie La méthodologie retenue est adaptée aux objectifs recherchés par l ADEME : de permettre de définir des indices opérationnels de rejets de CO2, d avoir des ordres de grandeur et de prendre en compte les écarts liés aux situations d exploitation, de fournir un outil pour comparer différents modes de transport. Pour chaque navire de la typologie décrite précédemment, il s agit de déterminer la consommation de carburant (combustible) et les rejets de CO2 associés, consommation en carburant et rejets de CO2 étant liés par les équations-bilan de la réaction de combustion. La consommation de carburant est une donnée contrôlée, mesurable et bien connue (à la différence du rejet de CO2, qui en est une conséquence). Elle permettra de valider l approche de l évaluation de CO2 (voir étape 1), par comparaison avec des données obtenues auprès des armateurs. La demande de puissance varie selon les besoins du navire qui évoluent selon la navigation de celui-ci. Pour chaque étape de navigation (à quai, en manœuvres, en mer), il peut être établi un bilan de puissance. L approche privilégie l adoption d un chargement moyen pour un trajet moyen, représentant au mieux les données annuelles considérées pour un navire ou une flotte. La méthodologie permet également de simuler que le navire est plein à 100% de sa capacité commerciale et ainsi de déterminer les meilleurs indices atteignables par le navire. Les indicateurs CO2 prendront en compte les éventuels voyages retour à vide (sur ballast). Les indices sont calculés à partir des km réellement parcourus. Pour comparer deux modes d un point A à un point B, il s agit en effet de prendre en compte la distance effectivement réalisée par le mode de transport (principalement lié à la géographie et/ou à la configuration du réseau). Avril

15 I.2 Processus méthodologique de détermination des indices CO2 La méthodologie est synthétisée par les schémas qui suivent, découpée en 4 étapes : ETAPE 1 : Il s agit dans cette étape de valider la méthodologie et les hypothèses prises en corroborant les résultats de consommation de carburant obtenus par simulation avec les données mises à disposition par les armateurs. Un bouclage a donc été réalisé au cours de l étude, pour que la maquette minimise, sur des cas concrets de navires, les erreurs sur les estimations de consommation de carburant par rapport aux relevés de soutes réels. Le facteur correctif adopté intervient en toute fin du processus de calcul, afin de ne pas multiplier les facteurs de correction. La méthodologie définit à partir des bilans de puissances, la consommation spécifique (en gramme de carburant (selon le cas : HFO, MDO, etc.) par kilowatt. heure) de chacun des producteurs principaux d énergie, en fonction du trajet moyen et du chargement considéré comme moyen. Avril

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17 ETAPE 2 : Après validation des calculs de consommation, il s agit de déterminer les rejets de CO2 relatifs aux trajets moyens, puis par extrapolation les rejets annuels. Avril

18 ETAPE 3 : Calcul de l indice CO2 Nota : il doit être remarqué que l indice CO2 ne peut représenter l efficacité énergétique d un navire que pour les conditions retenues, c est-à dire dépendant à la fois du périmètre des statistiques considérées, des hypothèses de chargement moyen, profil d utilisation, etc. Il faudra être vigilant sur la possibilité de transposition de l indice, au cas par cas. Avril

19 ETAPE 4 : Branchement à quai Le branchement à quai change (totalement ou partiellement) les bilans de puissance à quai, les consommations et donc les rejets de CO2 par le navire. Toutefois, pour conserver le même périmètre de rejets de CO2 pour le «service rendu», il convient de comptabiliser le rejet de CO2, consécutif à la production d énergie par le réseau terrestre. Avril

20 I.3 Présentation pas à pas du détail de la méthodologie Ce chapitre descriptif de la méthodologie pourra servir également de «guide de l utilisateur» pour l outil développé (appelé ci-après «maquette»), car il reprend l architecture de celui-ci. Les illustrations proviennent directement de captures d écrans de l outil développé sous Excel. a) Entrée des caractéristiques principales du navire appartenant à la typologie L entrée des caractéristiques du navire consiste à entrer les données suivantes : - Longueur hors tout - Largeur - Tirant d eau à sa pleine charge - Déplacement (= poids total du navire quand il est à sa charge maximale) - Port en lourd (= tous les poids mobiles transportés par le navire, c'est-à-dire la charge commerciale, mais aussi les consommables comme le carburant, l huile, l eau, l eau de ballast, mais également les membres d équipages, les passagers et leurs effets, les provisions, etc.) - Vitesse maximale - Puissance utilisée pour atteindre la vitesse maximale - Capacité commerciale du navire (selon le type de navire, il s agira tantôt de m3 de fret liquide, de mètres linéaires de camions, d un nombre de conteneurs Illustration graphique issue de la maquette : Le code couleur adopté est le suivant : les cases orangées sont des cases qui doivent être renseignées (données utilisateurs), les cases bleutées sont des données calculées à l aide de formules et ne doivent jamais être modifiées par l utilisateur, et les cases jaunes sont des résultats importants, les cases vertes sont des données calculées affichées pour des vérifications de cohérence. Avril

21 b) Entrée des caractéristiques des consommateurs d énergie pour la propulsion L entrée du descriptif de l appareil propulsif consiste à entrer les données suivantes : - Nombre de moteurs diesel - Nombre de turbines - Puissance maximale de chacun de ces consommateurs d énergie - Vitesse en tour par minute pour les moteurs diesel (pour déterminer s il s agit de moteurs lents, semi rapides ou rapides) - Type de carburant consommé (Fuel lourd HFO, Diesel Marine (MDO), Gasoil Marine (MGO)) A partir du type de navire, du type de moteur (lent, rapide, semi rapide), du carburant consommé et si le navire est en manœuvre ou en route, la maquette sélectionne les facteurs d émissions à retenir pour les moteurs principaux. Pour les moteurs auxiliaires, la valeur des facteurs diffère, mais les critères de détermination sont les mêmes. Ces facteurs d émissions figurent dans le tableau ci-dessous ; ils sont issus d études similaires où les auteurs se sont appuyés sur la compilation d hypothèses de plusieurs études reconnues. Tableau 3 : Rejets unitaires de CO2, NOx, SOx Avril

22 Illustration graphique issue de la maquette : c) Entrée des caractéristiques des producteurs d énergie auxiliaires pour la production d énergie électrique L entrée du descriptif de l appareil propulsif consiste à entrer les données suivantes : - Nombre de diesel alternateurs - Nombre de turbines alternatrices - Nombre d alternateurs attelés aux moteurs diesel principaux, en choisissant sur quels moteurs ils sont attelés - Puissance maximale de chacun de ces consommateurs d énergie - Vitesse en tours par minute pour les moteurs diesel (pour déterminer s il s agit de moteurs lents, semi-rapides ou rapides) - Type de carburant consommé (Fuel lourd HFO, Diesel Marine (MDO), Gasoil Marine (MGO)) A partir du type de navire, du type de moteur (lent, rapide, semi-rapide), du carburant consommé et si le navire est en manœuvre ou en route, la maquette sélectionne les facteurs d émissions à retenir pour les moteurs auxiliaires. Ces facteurs d émissions figurent dans le tableau présenté ci-avant. Illustration graphique issue de la maquette : Avril

23 d) Prise en compte d autres consommateurs (ex : chaudières, incinérateurs, etc.) A bord des navires de commerce, la vapeur fournie par les chaudières sert : Au réchauffage du combustible lourd (de 110 à 150 C) afin d en rendre la viscosité compatible avec la centrifugation, la circulation et l utilisation par les moteurs. Aux auxiliaires éventuels utilisés pour le navire lui-même (turbopompes, chauffage des emménagements, etc.) Aux auxiliaires éventuels utilisés pour la cargaison (turbopompes, chauffage etc..). Les moteurs diesel auxiliaires fonctionnent généralement au fioul léger. Nota : De plus grosses chaudières peuvent maintenir à température la cargaison transportée (principalement pour les transports de fret liquide). Dans ce cas, l énergie consommée dépend directement du type de produit et de la consigne de température à maintenir. e) Etablissement de la courbe puissance/vitesse du navire étudié Le navire n évolue souvent pas à sa vitesse maximale. Ainsi, pour chaque vitesse du navire, il est utile de connaître la puissance nécessaire pour la propulsion. Elle est appelée plus communément «courbe Puissance/Vitesse». Cette puissance est délivrée par les moteurs principaux. Il est surtout important d obtenir une bonne précision pour la vitesse maximale et les vitesses qui se situent à 1, 2 voire 3 nœuds de celle-ci. Ceci est vrai pour deux raisons : la première est que les navires de la typologie évoluent la majorité de leur temps de navigation dans cette plage. La deuxième raison est que les vitesses élevées correspondent aux puissances les plus élevées et donc les plus émettrices de CO2, NOx et SOx. Il a été envisagé un temps de créer un modèle de prévision des performances propulsives, à partir simplement des dimensions principales du navire, du tirant d eau, du nombre de lignes d arbre et d hélices, des rendements mécaniques et d essais de remorquage. Nous avons renoncé à cette approche, car elle suppose la prise en compte de données qui ne sont pas toujours connues, telles que les caractéristiques précises de l hélice, les rendements de Avril

24 coque, les rendements de succion et de sillage. Tant est si bien que le rendement d autopropulsion peut très largement être estimé faussement. Au final, les résultats s avèreraient peu satisfaisants pour les vitesses au voisinage de la vitesse maximale. Nous avons retenu une autre approche. Elle se base sur le fait qu il est aisé d avoir pour un déplacement donné un point de la courbe Puissance/Vitesse du navire situé au voisinage de la vitesse maximale (ou la vitesse maximale elle-même). La connaissance de ce point apporte l avantage que l on considère implicitement les rendements de propulsion, liés aux éléments mécaniques, mais aussi au design du plan de formes du navire. Nous appellerons dans la suite ce point : le point d étalonnage. Le point qu il est idéal de connaître est le triplé : - Vitesse maximale - Puissance maximale - Déplacement pleine charge Ce point doit être connu, carène propre, avec une mer calme. Ces données sont généralement obtenues au cours des essais après la construction ou lors des premières navigations. Le point d étalonnage peut également être le point à la vitesse de service à 85% (ou 90%) de la puissance maximale de propulsion. Attention : il arrive que le point déterminé Puissance maxi/vitesse maxi soit déterminé au déplacement lège. La maquette n est pas prévue pour considérer un tel point d étalonnage. La Courbe Puissance/Vitesse (pour le déplacement considéré) évolue donc entre deux points connus qui sont : le point à vitesse nulle et puissance nulle et le point d étalonnage. La maquette détermine l allure de la courbe entre les deux points, en fonction de ratios adimensionnels, basés sur des essais menés en bassin d essais des carènes. L allure de la courbe prend ainsi l allure d une courbe classique d une courbe de puissance/ vitesse d un navire à déplacement. L important pour notre étude est de connaître au mieux la courbe au voisinage de la vitesse maximale et de celle de service. Avril

25 Graphe 1 : Exemple d une courbe Puissance/Vitesse Il est à noter que l allure de la courbe est de type «exponentiel». Pour les vitesses proches de la vitesse maximale du navire, une variation à la baisse sur la vitesse aura d importante conséquence sur la consommation du navire. De manière approchée, une variation de 3% sur la vitesse correspondra à une variation d environ 10% sur la puissance nécessaire et donc sur la consommation. Ceci permet d expliquer la réaction de certains armateurs pendant la période pendant laquelle le prix des soutes était élevé : ils ont choisi de limiter la consommation de leur navire en réduisant la vitesse d utilisation de leur navire. Le gain sur les soutes est important pour une durée de trajet proportionnellement peu augmentée. Les moteurs marins sont optimisés selon le programme du navire. Le rendement d un moteur dépend de son taux de charge et se dégrade quand celui-ci diminue. Pour les navires de la typologie (naviguant la plus grande partie du temps à une vitesse de service proche de la vitesse maximale), les moteurs sont optimisés pour un rendement optimal dans la fourchette de taux de charge 85%-100%, au détriment de la souplesse aux régimes intermédiaires. Les rendements deviennent médiocres sur la plage 0%-20%. Avril

26 Graphe 2 : Exemple de la consommation spécifique d un moteur en fonction de son taux de charge Consommation d'un diesel en fonction de son taux de charge g/kw.h % 20.0% 40.0% 60.0% 80.0% 100.0% 120.0% Taux de charge en % Une fois la courbe Puissance/Vitesse déterminée, il s agit de l adapter : - En fonction des conditions de mer rencontrées (1) - En fonction de l état de propreté de la carène (2) - En fonction du tirant d eau correspondant au cas de charge pour lequel la puissance doit être déterminée. (3) Les points 1 et 2 correspondent à ce que l on appelle la «sea margin», qui est un surplus de puissance qui doit être dépensé pour maintenir la vitesse, quand la mer forcit et/ou que la carène devient plus rugueuse. En phase de design, la sea margin est généralement fixée à 15%. Nous avons retenu, après essai de la maquette, une surpuissance de 9% pour une mer formée, et 1% pour une mer calme. Graphe 3 : Courbe Puissance/Carénage Pour l état de la carène, nous avons adopté la courbe ci-contre : Avril

27 L augmentation de puissance nécessaire pour maintenir la vitesse est ainsi déterminée en fonction du temps écoulé depuis le dernier carénage. Enfin, le navire évolue selon les cas de chargement auxquels il est soumis. Il n est donc pas systématiquement à son cas de pleine charge, au tirant d eau maximum. Nous avons opté pour une adaptation de la courbe puissance/vitesse en fonction du tirant d eau. Si les tirants d eau ne sont pas connus, la maquette prévoit une approximation de ceux-ci. f) Description des cas de chargement : pleine charge, trajet aller, trajet retour, trajet ballast Les personnes embarquées font partie du port en lourd. L équipage et les passagers (payants) sont discriminés. Les nombres maximaux et moyens sont entrés. Les capacités maximales d emport du navire sont entrées dans la maquette. Ces capacités concernent les consommables (HFO, MDO, huile, eau douce, eau de mer, provisions, vivres) ainsi que le fret solide (vrac, conteneurs, camions, voitures, etc.) et/ou liquide (vrac). L état de remplissage des capacités au cours du trajet moyen (aller et/ou retour et/ou ballast) est renseigné. Par hypothèse, nous avons retenu un taux de remplissage moyen des consommables de 50%. Les valeurs peuvent être entrées directement si elles sont mieux connues. Avril

28 Le port en lourd maximum est vérifié et/ou ajusté, avec le port en lourd fourni par les données caractéristiques. Cela permet de confirmer aussi la valeur du navire lège. g) Description du trajet commercial moyen du navire considéré Les données annuelles de l armateur permettent de décliner celles-ci en un trajet moyen représentatif de l activité annuelle du navire. Le trajet est décrit au moyen d étapes, décomposées en manœuvre port départ, Route libre bonnes conditions et mauvaises conditions, manœuvre port arrivée, déchargement et temps d attente à quai. Avril

29 Pour chacune des étapes, les données à entrer sont les durées des phases, la vitesse du navire lors de ces phases et le cas de chargement dans lequel se trouve le navire (trajet moyen aller / retour / ballast définis ci-avant). La maquette accepte l entrée de 5 étapes pour le trajet moyen. La maquette détermine, selon les explications données précédemment, en fonction de ces conditions, quelle est la puissance propulsive nécessaire et estime à l aide de statistiques la puissance nécessaire pour la vie à bord. Ces statistiques dépendent du type de navire. Nous n avons retenu du tableau suivant que les valeurs de taux de charge pour les moteurs auxiliaires. Tableau 4 : Valeur par défaut du taux de charge des auxiliaires Avril

30 h) Description de la production d énergie électrique Pour chacune des phases de chacune des étapes du trajet moyen, la manière dont est produite l énergie électrique est décrite. Cette répartition entraîne la fixation d un taux de charge par producteur d énergie. La connaissance du taux de charge et de la puissance maximale du producteur d énergie permet à la maquette de définir une consommation spécifique. Cette consommation s appuie sur la connaissance d une courbe de consommation théorique à laquelle nous avons appliqué une correction de 10% supplémentaire. En effet, la consommation déterminée par les motoristes dans les conditions optimales est optimiste, et ne tient pas compte de l environnement du navire moins idéal, ni de l usure moyenne du moteur. Nota : quand le navire dispose d alternateurs attelés, l énergie électrique peut être produite par eux lorsque le navire est en route et en manœuvre, mais aussi par les diesels alternateurs indépendants. La philosophie est que les armateurs choisissent le plus souvent de brûler du fuel lourd, plutôt que du Diesel car cela est moins onéreux. Ainsi, dès que possible, les moteurs principaux (qui fonctionnent au HFO) sont utilisés pour produire l électricité. Les groupes électrogènes fonctionnent le plus souvent au MDO. Dans la maquette, nous avons intégré la possibilité de se brancher à quai. La consommation d électricité par le réseau à terre entraîne un rejet de CO2, dont le facteur de conversion est à préciser selon la nature de la production. Avril

31 i) Description de la production d énergie de propulsion De la même manière que pour les moteurs auxiliaires, les moteurs de propulsion sont chargés pour répondre à la demande en puissance de propulsion. j) Récapitulatif pour le trajet moyen Les consommations sont récapitulées pour le trajet moyen et comparées aux relevés de soute, qui ont été fournis par les armateurs participant à l étude. Deux coefficients d adaptation ont été adoptés, après avoir testé la maquette sur un échantillon de navires tests, pour que les écarts relevés soient en moyenne les plus faibles possibles. Pour le HFO, un coefficient de -5% a été retenu et est appliqué systématiquement pour le résultat. Les prévisions de consommations de MDO sont moins bonnes et nous avons pris un coefficient de -25% (surestimation) sur les prévisions par rapport aux relevés réels. Cette correction sur la consommation permet de valider le bon fonctionnement de la maquette, et de s assurer que la méthodologie est vérifiée pour évaluer les rejets de CO2, NOx et SOx. Avril

32 Les quantités de rejets de CO2, NOx et SOx déterminés tout au long des phases et étapes sont également résumées. k) Bilan annuel Le nombre annuel de «trajets moyens» tel que défini précédemment dépend de la durée de celui-ci et du nombre de jours où le navire est arrêté pour maintenance. En connaissant le nombre de trajets moyens, il est possible de réaliser toutes sortes de consolidations annuelles. Il est possible de vérifier que le trajet moyen a été bien défini, si ces données annuelles sont bien celles que connait l armateur. Avril

33 l) Indicateurs C02, NOx, SOx Prenons comme exemple les indicateurs CO2. Ces indicateurs proviennent du ratio entre la quantité annuelle de CO2 rejeté divisée par la distance annuelle parcourue et divisé aussi par la quantité commerciale considérée (que ce soit une masse, un conteneur, un camion, une voiture ou bien encore un passager, etc.) Dans le cas d un ROPAX, une clé de répartition 6 est nécessaire pour distribuer la masse de CO2 rejetée entre les passagers et les véhicules. Nous en discutons en annexe 5. Finalement, l indicateur CO2 est déterminé : 6 Annexe 5 : Clé de répartition ferries et RoPax Avril

34 Il nous paraît important de repréciser à cet endroit du texte que l indice CO2 (respectivement les indices SOX et NOx) dépend de beaucoup de paramètres architecturaux et d emploi, et que par conséquent, il faut prendre garde à ne pas extrapoler trop facilement. L indice CO2 (resp. NOx et SOx) est spécifique à un navire, qui effectue un certain trajet dans un environnement donné, avec un profil d emploi particulier (par exemple profil de vitesse), un cas de chargement donné. Si l idée de faire la comparaison de deux navires particuliers venait, la prudence devrait être de mise pour que la comparaison soit équitable et réaliste. Avril

35 I.4 Estimation de l énergie primaire Jusqu ici, nous avons uniquement considéré les émissions de CO2 relatives à l utilisation du carburant brulé lors des phases d exploitation du navire. Or, pour que ce combustible se retrouve dans les capacités du navire, il faut, en amont, l extraire, le transporter, le raffiner et le distribuer depuis la zone d extraction jusqu au navire utilisateur. L énergie primaire est ainsi : - transformée en énergie utilisable (ce que nous appellerons «du puits au réservoir», par similitude avec les autres modes de transport). - utilisée par le navire ( ce que nous appellerons «du réservoir à la roue») L efficacité énergétique d un mode de transport relève de l efficacité de chacune de ces deux sources d émissions. De manière à être en mesure de comparer avec les autres modes de transport, il faut donc estimer et ajouter les rejets «du puits au réservoir». Notre action s inscrivant dans la suite de l étude réalisée par Deloitte, nous avons opté pour retenir les valeurs de leur rapport, ceci afin de bien pouvoir comparer les modes, sur un même base d hypothèses d évaluation. Ces valeurs sont reproduites dans les deux tableaux ci-après. Dans notre cas, les valeurs qui nous intéressent particulièrement sont le fioul lourd et le gazole. Ces valeurs peuvent être un peu surestimées pour les navires, car la livraison du carburant au navire ne nécessite pas nécessairement de transport «final» par camion, contrairement à ce qui concerne les véhicules automobiles routiers. Tableau 5 : Emissions de GES imputables à la phase amont pour les carburants fossiles Avril

36 Tableau 6 : Emissions atmosphériques imputables à la phase de production des carburants fossiles7 Nous avons retenu les valeurs : - 1 g de fuel lourd = gep - 1g de MDO = 1.0 gep (gep : gramme équivalent pétrole. Pour mémo, cette unité est utilisée pour comparer l efficacité énergétique de différents combustibles en prenant comme référence de base la combustion du pétrole. On peut ainsi exprimer 1 kg de bois ou encore 1kg de charbon, etc. en kgep). Les résultats intégrant à la fois l efficacité énergétique primaire «du puits au réservoir et l efficacité énergétique en phase d utilisation «du réservoir à la roue» sont présentés dans le tableau 18 page 64 du présent rapport. 7 Rapport IFP & AFGNV : «gaz naturel quels potentiels?» Avril

37 I.5 Analyse de l impact des conditions d exploitation Le questionnaire A la lumière des choix méthodologiques effectués, nous avons pu identifier les éléments de différenciations susceptibles d être des variables pour le niveau des émissions de gaz à effet de serre d un navire donné. Les principaux éléments sont présentés dans le tableau ci dessous : Tableau 7 : Facteurs de différenciation Caractéristiques du navire Besoin d énergie Exploitation commerciale Longueur & largeur Tirant d eau Appareil propulsif Propulseur d étrave Chargement marchandise et passager Chargement consommable (soute, eau, huile ) Poids du navire lège Production d électricité Distance parcourue Déplacement du navire Chaudière Vitesse Etat des lieux du carénage Type de carburant utilisé Durée des phases de l exploitation commerciale On peut ainsi distinguer au sein les éléments de différenciation les aspects relatifs aux caractéristiques du navire (son design et l entretien de la structure), aux besoins d énergie (propulsion, production d électricité, carburants ) et à l exploitation commerciale. Pour s assurer du bon fonctionnement de la matrice réalisée, il était nécessaire de la confronter à des données basées sur la réalité de l exploitation commerciale d un navire. Un questionnaire a ainsi été réalisé à l attention des armateurs afin de valider auprès d eux les données à intégrer dans la matrice. Ces questionnaires ont été personnalisés en fonction de l activité de l armateur interrogé et du type de navire exploité. L objectif est d obtenir des données moyennes représentatives portant sur l exploitation d une ligne maritime ou d un transport de vrac. Le questionnaire 8 porte sur différents aspects : le service maritime, l exploitation de la ligne, le chargement du navire. L approche analytique (calcul des puissances) permet de recouper les données réelles de consommation fournies par les armateurs, de façon à étalonner l outil et à permettre son utilisation pour d autres navires ou d autres conditions d exploitation. 8 Annexe 6 : Questionnaire armateurs Avril

38 Le cas des porte-conteneurs Certaines contraintes, dans le calcul des émissions de GES pour le cas des navires de ligne porte conteneurs, nous ont conduit à proposer une méthode de calcul alternative, présentée et validée lors du comité de pilotage n 3 : Au cours des premières investigations menées nous avons relevé les paramètres suivants : Faible impact du chargement sur la consommation entre les escales intermédiaires (le navire n est jamais vide!). Grande homogénéité des vitesses entre les escales, quelle que soit la distance. Impossibilité de prise en compte des chargements réels à chaque escale (variabilité, vides, manque de données armateurs). Nécessité d harmonisation méthodologique avec les autres secteurs maritimes (vracs secs et liquides) Nécessité de simplification en vue d une utilisation ultérieure du modèle de calcul par l ADEME. Méthode proposée : Nous avons choisi de baser nos calculs sur un chargement moyen sur les 2 tronçons principaux du voyage. En effet, un navire porte-conteneurs est généralement exploité entre 2 zones géographiques principales de chargement et de déchargement et les différences principales liées au coefficient de chargement du navire sont constatées entre ces deux zones plus qu entre chaque port à l intérieur d une même zone. L ensemble des autres données seront quant à elles calculées en cumul ou en moyenne sur la totalité du voyage : vitesse, durée des phases d exploitation. En ce qui concerne la tare des conteneurs, les deux hypothèses seront présentées dans cette étude. Il est cependant important, le conteneur est l unité de transport et non le contenant de la marchandise et de ce fait il devrait être inclus dans le calcul des émissions de GES. Ci-après le schéma explicatif de la méthode choisie. Avril