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% outline
\AtBeginSection[]
{
  \begin{frame}
    %\transblindsvertical<1>

    \frametitle{Sommaire}
    \small
    \tableofcontents[currentsection,hideothersubsections]
    \normalsize
  \end{frame}
}


\title{Le Navire Électrique}
\author{Xavier Lagorce}
\date{Lundi 8 février 2010}
\institute{Prépa Agreg GE}

\begin{document}

\frame{
    %\transblindsvertical<1>
    \titlepage
}

\frame
{
    %\transblindsvertical<1>

    \frametitle{Introduction}

        Dossier sur le navire électrique.

        Ensemble de 12 documents, regroupables en 3 grandes catégories
        \begin{itemize}
         \item<2-> Descriptions générales (3)
         \item<3-> Composants de conversion et de distribution (5)
         \item<4-> Systèmrd de propulsion (4)
        \end{itemize}
}

\frame{
    %\transblindsvertical<1>

    \tableofcontents
}

\section{Présentation du navire tout électrique}

\subsection{Quelques exemples}

\frame{
        %\transblindsvertical<1>
        \frametitle{Legend of the seas}

        \begin{center}
         \includegraphics[width=0.95\textwidth]{figures/navire_croisiere}
        \end{center}

}

\frame{
        %\transblindsvertical<1>
        \frametitle{Legend of the seas}

        \begin{itemize}[<+->]
         \item Mise en service en juillet 1999
         \item $216$ m de long par $28,80$ de largeur
         \item $48 000$ tonnes
         \item $1196$ passagers et $500$ membres d'équipage
        \end{itemize}
}

\frame{
        %\transblindsvertical<1>
        \frametitle{Frégates de combat}

        \begin{itemize}[<+->]
         \item Intéresse l'armée américaine depuis les années 1920s
         \item Demande plus de puissance que des navires de croisière
         \item Le tout dans un espace plus réduit
        \end{itemize}
}

\frame{
        %\transblindsvertical<1>
        \frametitle{Sous-marins}

        \begin{itemize}[<+->]
         \item Autonomie sous les mers
         \item Discretion du navire
         \item Contraintes de place
        \end{itemize}
}

\subsection{Historique}

\frame{
        %\transblindsvertical<1>
        \frametitle{Historique}

        \begin{itemize}
         \item<1-> \textbf{1860} : Un sous-marin est équipé d'une propulsion électrique alimentée à partir de batteries
         \item<2-> \textbf{Début du XX\ieme siecle} : propulsion turbo-électrique pour l'US Navy; plusieurs brise-glace et navires de recherche
         \item<3-> \textbf{1930s} : Lancement de plusieurs paquebots turbo-électrique (le \emph{Patria} en Allemagne ou le \emph{Normandie} en France)
         \item<4-> \textbf{Seconde Guerre Mondiale} : Plus de $300$ navides de guerre américains
         \item<5-> \textbf{1970s} : Apparition des convertisseurs à thyristors
        \end{itemize}
}

\subsection{Constitution}

\begin{frame}
    %\transblindsvertical<1>

 \frametitle{Constitution d'un navire}

 Un navire électrique comprend deux ensembles :
 \begin{itemize}
  \item<2-> La centrale d'énergie :
            \begin{itemize}
             \item<3-> Comprend plusieurs alternateurs
             \item<4-> Alimente tous les utilisateurs du bord \dots
             \item<5-> \dots notamment un ou plusieurs équipements de propulsion
            \end{itemize}
  \item<6-> L'équipement de propulsion :
            \begin{itemize}
             \item<7-> Comprend un moteur électrique à vitesse variable \dots
             \item<8-> \dots associé à un convertisseur
             \item<9-> (ou très rarement un moteur à vitesse fixe entraînant une hélice à pas variable)
            \end{itemize}
 \end{itemize}
\end{frame}

\section{Propulsion électrique}

\subsection{Différents types de propulsion actuels}

\begin{frame}
    %\transblindsvertical<1>

 \frametitle{Plusieurs familles de convertisseurs}

 On peut notre quatre principales familles de convertisseurs de puissance utilisées en propulsion électrique :
 \begin{itemize}
  \item<2-> Le redresseur associé à un moteur à courant continu
  \item<3-> Le cycloconvertisseur associé à un moteur synchrone
  \item<4-> Le synchroconvertisseur associé à un moteur synchrone
  \item<5-> L'onduleur à commutation forcée associé à un moteur asynchrone
 \end{itemize}
\end{frame}

\begin{frame}
    %\transblindsvertical<1>

 \frametitle{Redresseur associé à un moteur à courant continu}

\begin{columns}
  \begin{column}{0.5\textwidth}
    \centerline{\includegraphics[width=\textwidth]{figures/ACDC_convertor.png}}

  \end{column}

  \begin{column}{0.5\textwidth}
    \begin{itemize}
      \item<1-> Solution pratiquement plus utilisée
      \item<2-> Puissance limitée (environ $5$ MW)
      \item<3-> Usure du collecteur et des balais
    \end{itemize}
  \end{column}
\end{columns}
\end{frame}

\begin{frame}
    %\transblindsvertical<1>

 \frametitle{Cycloconvertisseur associé à un moteur synchrone}

\begin{columns}
  \begin{column}{0.5\textwidth}
    \centerline{\includegraphics[width=\textwidth]{figures/ACAC_cycloconvertor.png}}

  \end{column}

  \begin{column}{0.5\textwidth}
    \begin{itemize}
      \item<1-> Actuellement seules les machines synchrones sont utilisées
      \item<2-> Permet de fournir un très fort couple à basse vitesse
      \item<3-> Très adapté aux navires brise-glace
      \item<4-> Bonnes performances dynamiques
    \end{itemize}
  \end{column}
\end{columns}
\end{frame}

\begin{frame}
    %\transblindsvertical<1>

 \frametitle{Synchroconvertisseur associé à un moteur synchrone}

\begin{columns}
  \begin{column}{0.5\textwidth}
    \centerline{\includegraphics[width=\textwidth]{figures/ACDCAC_synchroconverter.png}}

  \end{column}

  \begin{column}{0.5\textwidth}
    \begin{itemize}
      \item<1-> Simplicité et fiabilité (3 fois moins de thyristors)
      \item<2-> Meilleure solution actuellement
      \item<3-> Production d'harmonique contrôlée
      \item<4-> Meilleure sûreté de fonctionnement
    \end{itemize}
  \end{column}
\end{columns}
\end{frame}

\begin{frame}
    %\transblindsvertical<1>

 \frametitle{Onduleur à commutation forcée associé à un moteur asynchrone}

\begin{columns}
  \begin{column}{0.5\textwidth}
    \centerline{\includegraphics[width=\textwidth]{figures/PWM_inverter.png}}

  \end{column}

  \begin{column}{0.5\textwidth}
    \begin{itemize}
      \item<1-> Utilisée sur très peu de navires
      \item<2-> limitation en puissance et en gamme de vitesse (réducteur)
      \item<3-> Convertisseur complexe nécessitant l'intervention d'un électricien très qualifié
    \end{itemize}
  \end{column}
\end{columns}
\end{frame}

\subsection{Avantages de la propulsion électrique}

\begin{frame}
    %\transblindsvertical<1>

 \frametitle{Optimisation de l'architecture}

 L'utilisation de moteurs électrique va permettre d'optimiser l'architecture des navires :
 \begin{itemize}
  \item<2-> Moteurs Diesel dissociés de la ligne d'arbre
  \item<3-> Possiblité d'implémenter les matériels aux meilleurs emplacements possibles
  \item<4-> Gains de places substanciels
  \item<5-> Sur une flotte de $10$ transporteurs de produits chimiques :
            \begin{itemize}
             \item<6-> Ajout de $2$ cuves supplémentaires sur $40$ pour certains
             \item<7-> Raccourcir d'autres navires de $8$ m
            \end{itemize}
  \item<8-> Permet de faciliter le chargement des ferries
  \item<9-> Permet d'ajouter des cabines sur des bateaux de croisière
 \end{itemize}
\end{frame}

\begin{frame}
    %\transblindsvertical<1>

 \frametitle{Diminution de la puissance installée}

 \begin{itemize}
  \item<1-> Possibilité d'utiliser les mêmes installations pour la propulsion et l'alimentation du réseau de border
  \item<2-> Particulièrement intéressant pour les tankers :
            \begin{itemize}
             \item<3-> Puissance de propulsion
             \item<4-> Puissance nécessaire au pompes de chargement/déchargement
             \item<5-> Utilisation alternative de ces $2$ entités
            \end{itemize}
  \item<3-> La dissociation mécanique permet de faire tourner les moteurs plus vite.
 \end{itemize}
\end{frame}

\begin{frame}
    %\transblindsvertical<1>

 \frametitle{Diminution des coûts de maintenance}

 \begin{itemize}
  \item<1-> Propulsion Diesel-mécanique :
            \begin{itemize}
             \item<2-> Vitesse et charge du Diesel = $f$(vitesse et charge de l'arbre)
            \end{itemize}
  \item<3-> Propulsion Électrique :
            \begin{itemize}
             \item<4-> Moteurs à vitesse constante correspondant à la vitesse fixe du réseau
             \item<5-> Fonctionnement à charge optimale
             \item<6-> $\Rightarrow$ Réduction significative de l'usure
             \item<7-> $\Rightarrow$ Produit moins d'oxydes d'azote
            \end{itemize}
 \end{itemize}
\end{frame}

\begin{frame}
    %\transblindsvertical<1>

 \frametitle{Réduction du niveau de vibrations}

 \begin{itemize}
  \item<1-> Moteurs Diesel lents :
            \begin{itemize}
             \item<2-> Vibrations dans un large spectre
             \item<3-> Fréquences basses difficiles à atténuer
            \end{itemize}
  \item<4-> Propulsion électrique :
            \begin{itemize}
             \item<5-> Réduit l'amplitude des vibrations
             \item<6-> Spectre étroit des vibrations (Facile de dimensionner des systèmes d'amortissement efficaces)
            \end{itemize}
 \end{itemize}
\end{frame}

\begin{frame}
    %\transblindsvertical<1>

 \frametitle{Flexibilté de man\oe{}uvre}

\begin{columns}
  \begin{column}{0.3\textwidth}
    \centerline{\includegraphics[width=\textwidth]{figures/carac_couple.png}}

  \end{column}

  \begin{column}{0.7\textwidth}
    \begin{itemize}
      \item<1-> Contrôle précis et progressif de la vitesse de rotation des hélices
      \item<2-> Évite l'utilisation d'un hélice à pales orientables (moins efficace, plus fragile et plus cher)
      \item<3-> Moteur thermique ne développe un couple utile qu'à partir de $40\%$ de sa vitesse nominale
      \item<4-> Moteur électrique peut fournir son couple max sur la totalité de sa plage de vitesse
    \end{itemize}
  \end{column}
\end{columns}
\end{frame}

\subsection{Évolution de la propulsion}

\begin{frame}
    %\transblindsvertical<1>

 \frametitle{Propulsion par \emph{Pod}}

\begin{columns}
  \begin{column}{0.5\textwidth}
    \centerline{\includegraphics[width=\textwidth]{figures/pod_descr.png}}

  \end{column}

  \begin{column}{0.5\textwidth}
    \centerline{\includegraphics[width=\textwidth]{figures/pod_schema.png}}
  \end{column}
\end{columns}
\end{frame}

\begin{frame}
    %\transblindsvertical<1>

 \frametitle{Comparaison \emph{Pod} et propulsion conventionnelle}

 \begin{center}
  \includegraphics[width=\textwidth]{figures/pod_comparaison}
 \end{center}
\end{frame}

\begin{frame}
    %\transblindsvertical<1>

 \frametitle{Avantages des \emph{Pods}}

 L'utilisation de propulseurs en nacelle possède un certain nombre d'avantages :
 \begin{itemize}
  \item<2-> Excellente man\oe{}uvrabilité
  \item<3-> Réduction de la résistance à l'avancement
  \item<4-> Réduction de l'encombrement et du poids des machines à bord du navire
  \item<5-> Suppresion de la ligne d'arbre, du gouvernail et éventuellement de certains propulseurs d'étrave
  \item<6-> Possibilité d'installation tardive
 \end{itemize}
\end{frame}

\begin{frame}
    %\transblindsvertical<1>

 \frametitle{Magnétohydrodynamique (MHD)}

 \begin{itemize}
  \item<1-> Exploite la force exercée par un champ magnétique sur un conducteur parcouru par un courant.
  \item<2-> Le conducteur va ici être l'eau de mer
  \item<3-> Obtient des principes analogues aux machines asynchrones
  \item<4-> Recherches importantes menées et soutenues par EDF dans les années 1970s
  \item<5-> Utilisé pour brasser l'acier dans les fabriques de lingots
 \end{itemize}
\end{frame}

\begin{frame}
    %\transblindsvertical<1>

 \frametitle{Propulseurs MHD}

\begin{columns}
  \begin{column}{0.5\textwidth}
    \centerline{\includegraphics[width=\textwidth]{figures/MHD.png}}

  \end{column}

  \begin{column}{0.5\textwidth}
    \begin{itemize}
      \item<1-> Contrôle précis et progressif de la vitesse de rotation des hélices
      \item<2-> Évite l'utilisation d'un hélice à pales orientables (moins efficace, plus fragile et plus cher)
      \item<3-> Moteur thermique ne développe un couple utile qu'à partir de $40\%$ de sa vitesse nominale
      \item<4-> Moteur électrique peut fournir son couple max sur la totalité de sa plage de vitesse
    \end{itemize}
  \end{column}
\end{columns}
\end{frame}

\section{Production d'énergie}

\subsection{Turbines à gaz}

\begin{frame}
    %\transblindsvertical<1>

 \frametitle{Les turbines à gaz}

 Assure avec les moteurs Diesel $80\%$ de la puissance de propulsion actuellement installée :
 \begin{itemize}
  \item<2-> Bien adaptées à la production de puissance (de $10$ à $45$ MW)
  \item<3-> Moins polluantes que les moteurs Diesel (niveau rejets en oxyde d'azote)
  \item<4-> Environ $0,6$ à $1,5$ t/MW
  \item<5-> Rendement d'environ $37\%$
 \end{itemize}
\end{frame}

\begin{frame}
    %\transblindsvertical<1>

 \frametitle{Récupération de l'énergie perdue à l'échappement}

 Une très grande proportion de l'énergie est perdue à l'échappement. Il existe donc plusieurs méthodes pour la récupérer :
 \begin{itemize}
  \item<2-> \textbf{RACER} : ``RAnkine Cycle Energy Recovery''
            \begin{itemize}
             \item<3-> Production de vapeur pour une turbine auxiliaire
            \end{itemize}
  \item<4-> \textbf{ICR} : ``Intercooled Recuperated Cycle''
            \begin{itemize}
             \item<5-> Réfrigération de l'air entre les deux étages du compresseur
             \item<6-> Récupération de l'énergie à l'échappement pour préchauffer l'air en entrée
            \end{itemize}
 \end{itemize}
 \uncover<7->{$\Rightarrow$ Permet d'améliorer le rendement de $10$ à $30\%$}
\end{frame}

\subsection{Turbines à vapeur}

\begin{frame}
    %\transblindsvertical<1>

 \frametitle{Turbines à vapeur}

 \begin{itemize}
  \item<1-> La masse et l'encombrement de la chaudière pénalisent l'utilisation de ce type de machine pour la propulsion des navires
  \item<2-> Environ $7$ à $11$ t/MW et de $13$ à $33$ $\mathrm{m}^3/\mathrm{MW}$
  \item<3-> Peu d'évolution de cette technologie au cours des trois dernière décennies
  \item<4-> Pas d'améliorations significatives attendues
  \item<5-> Utilisation réservée aux propulsions nucléaires de navires militaires
 \end{itemize}
\end{frame}

\subsection{Moteurs Diesel}

\begin{frame}
    %\transblindsvertical<1>

 \frametitle{Moteurs Diesel lents}

 \begin{itemize}
  \item<1-> Bon rendement
  \item<2-> Permet d'entrainer directement l'arbre d'hélice
  \item<3-> Environ $20$ à $25$ t/MW
 \end{itemize}
\end{frame}

\begin{frame}
    %\transblindsvertical<1>

 \frametitle{Moteurs Diesel rapides}

 Ces moteurs sont plus adaptés aux navires tout électrique pour un certain nombre de raisons :
 \begin{itemize}
  \item<2-> Rendements supérieurs à $40\%$
  \item<3-> Environ $3$ à $6$ t/MW (> turbine à gaz)
  \item<4-> Bon rendement sur une plage importante de puisance
  \item<4-> Vitesse de rotation plus importante, donc alternateurs plus petits
  \item<5-> Cherche actuellement à minimiser les émissions polluantes
 \end{itemize}
\end{frame}

\subsection{Piles à combustible}

\begin{frame}
    %\transblindsvertical<1>

 \frametitle{Les Piles à combustible}

 Les piles à combustible possèdent plusieurs avantages qui pourraient apporter des évolutions importantes, notamment gâce aux possibilités offertes par la cogénération avec des turbines à gaz :
 \begin{itemize}
  \item<2-> Rendement théorique nettement supérieur à celui des machines thermiques
  \item<3-> Temps de montée en puissance plus faible que pour les machines classiques
  \item<4-> Niveaux vibratoires et acoustiques plus faibles
  \item<5-> Pas de rejets nocifs dans l'atmosphère
 \end{itemize}
\end{frame}

%\begin{frame}
%    %\transblindsvertical<1>
%
% \frametitle{}
%
% \begin{itemize}
%  \item<1->
% \end{itemize}
%\end{frame}

% -----------------------------
% Conclusion

\begin{frame}
    %\transblindsvertical<1>

 \frametitle{Conclusion}

 Le concept :
 \begin{itemize}
  \item<2-> Une source d'énergie primaire constituée de générateurs répartis dans le bâtiment (moteurs diesel, turbines à gaz, \dots)
  \item<3-> Un réseau électrique de distribution
  \item<4-> Des consommateurs électriques (propulsion, réseau de bord, armes futures, \dots)
 \end{itemize}
\end{frame}

\begin{frame}
    %\transblindsvertical<1>

 \frametitle{Conclusion}

 Les avantages du tout électrique :
 \begin{itemize}
  \item<2-> Optimisation de l'architecture du navire
  \item<3-> Diminution de la puissance installée
  \item<4-> Amélioration de la man\oe{}uvrabilité
  \item<5-> Réduction des niveaux de vibration
  \item<6-> Amélioration de la discrétion accoustique
  \item<7-> Amélioration de la disponibilité
  \item<8-> Diminution des coûts de maintenance
 \end{itemize}
\end{frame}

\begin{frame}
    %\transdissolve<1>

 \frametitle{Conclusion}
 \begin{center}
  {\Huge Questions}
 \end{center}
\end{frame}

\end{document}
