Décarbonation durable : Analyse critique de l'empreinte carbone-eau-énergie des scénarios de transport maritime net-zéro avec carburants synthétiques et compensation des émissions de GES.

Charting a Sustainable Course Beyond Carbon: A Critical Carbon-Water-Energy Assessment of Net-Zero Shipping Scenarios with Synthetic Fuels and GHG Offsetting

• Auteur / Autrice : Alexandre Bellot
• Direction : Chakib Bouallou, Aykut Ölcer, Maroun Nemer
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Energétique et génie des procédés
• Date : Inscription en doctorat le 08/04/2019; Soutenance le 16/12/2024
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres en cotutelle avec World Maritime University
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Ingénierie des Systèmes, Matériaux, Mécanique, Énergétique
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Energétique et Procédés
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : CES - Centre Efficacité énergétique des Systèmes
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Mines Paris-PSL

Mots clés

Mots clés libres

Decarbonation

Maritime

Ges

Energie

Eau

Modélisation

Decarbonisation

Shipping

Ghg

Energy

Water

Ship modelling

Résumé

Cette thèse élargit les études traditionnelles sur la décarbonisation maritime en intégrant une approche globale du berceau à la tombe, en se concentrant sur les émissions de carbone, la demande cumulée d'énergie (CED) et le prélèvement net d'eau douce (NFW) en tant que mesures clés de la durabilité. Tout en répondant à l'objectif de l'Organisation maritime internationale (OMI) de réduire à zéro les émissions de gaz à effet de serre (GES) du transport maritime international d'ici 2050, cette recherche préconise une stratégie plus large qui inclut l'efficacité des ressources et la responsabilité sociale tout au long du cycle de vie d'un navire. La thèse se compose de trois chapitres interdépendants. 1. **Modélisation énergétique avancée des navires** Ce chapitre présente un modèle énergétique de navire avancé, capable d'évaluer différentes méthodes de propulsion et de production d'énergie. Le modèle simule les transferts d'énergie entre les systèmes et s'adapte à divers paramètres de conception et d'exploitation. Il atteint une précision de 11 % avec une confiance de 90 % lorsqu'il est comparé aux données du monde réel. Cela permet une analyse précise des différentes configurations de navires et des scénarios opérationnels. 2. **Évaluation du cycle de vie des concepts de navires net-zéro** S'appuyant sur le modèle énergétique, ce chapitre développe un cadre complet d'évaluation du cycle de vie (ACV) pour évaluer l'empreinte carbone, eau et énergie (CWE) sur l'ensemble du cycle de vie d'un navire. Une étude de cas portant sur un concept de navire net zéro, utilisant des carburants synthétiques, de l'acier à faible teneur en carbone et compensant ses émissions de gaz à effet de serre, montre que : - une réduction potentielle de l'intensité carbonique de 66 à 98 % ; - une augmentation de la demande d'énergie de 95 à 150% ; - des besoins en eau douce très variables, allant de 0,9 à 121 fois l'empreinte initiale du navire. Ces résultats mettent en évidence les compromis complexes nécessaires à la mise en œuvre de stratégies de transport maritime à zéro émission. 3. **Stratégies de réduction de la consommation d'énergie Ce chapitre explore des approches complémentaires pour améliorer l'efficacité énergétique tout en évitant les émissions de gaz à effet de serre. Dans une étude de cas spécifique, la propulsion assistée par le vent, l'optimisation du groupe propulsion et la réduction de la vitesse ont permis d'obtenir des réductions significatives de l'intensité énergétique allant de 46,3 % à 61,7 %. Cependant, l'analyse montre que ces améliorations, bien que significatives, ne sont pas suffisantes pour compenser l'augmentation de la demande d'énergie identifiée au chapitre 2. Ces résultats mettent en lumière de nouveaux defis de sécurité énergétique et soulignent l'importance de placer la résilience énergétique comme objectif clefs des objectifs de decarbonation. L'étude conclut en soulignant l'importance cruciale de l'intégration des études de cycle de vie et de durabilité dans le cadre de la strategie de décarbonation de l'OMI. Elle met en évidence le rôle clé des acteurs du secteur dans la réalisation de progrès environnementaux globaux.

This thesis expands traditional maritime decarbonisation studies by incorporating a comprehensive cradle-to-grave approach, focusing on carbon emissions (GWP100), cumulative energy demand (CED), and net freshwater withdrawal (NFW) as key sustainability metrics. While addressing the International Maritime Organization's (IMO) goal of net-zero greenhouse gas (GHG) emissions from international shipping by 2050, this research advocates for a broader strategy that encompasses resource efficiency and social responsibility throughout a vessel's lifecycle. The thesis comprises three interconnected chapters: 1.**Advanced Ship Energy Modeling**: This chapter introduces a sophisticated ship energy model capable of evaluating various propulsion and energy generation methods. The model simulates energy transfers across systems and adapts to various design and operational parameters, achieving an accuracy of 11% with 90% confidence when compared to real-world data. This foundation enables precise analysis of different ship configurations and operational scenarios. 2.**Lifecycle Assessment of Net-Zero Ship Concepts**: Building on the energy model, this chapter develops a comprehensive Life Cycle Assessment (LCA) framework to evaluate carbon, water, and energy (CWE) footprints throughout a vessel's lifecycle. A case study of a net-zero ship concept utilising synthetic fuels, low-carbon steel, and offsetting its GHG emissions reveals: - Potential reductions in carbon intensity of 66-98% - Increased energy demands of 95-150% - Highly variable freshwater requirements, ranging from 0.9 to 121 times the initial ship footprint These findings highlight the complex trade-offs involved in pursuing net-zero shipping strategies. 3.**Energy Reduction Strategies**: This chapter explores complementary approaches to improving energy efficiency while eliminating greenhouse gas emissions. In a specific case study, wind-assisted propulsion, propulsion optimisation and speed reduction achieved significant reductions in energy intensity ranging from 46.3% to 61.7%. However, the analysis reveals that while substantial, these improvements alone are insufficient to compensate for the increased energy demands identified in Chapter 2. These results highlight new challenges in terms of energy security and underline the need to place energy resilience at the heart of decarbonisation strategies. The research concludes by emphasising the critical importance of integrating cradle-to-grave analyses and comprehensive sustainability metrics into the IMO's decarbonisation framework. It underscores the pivotal role of industry stakeholders in driving environmental progress, enhancing energy and water resilience, and ensuring the industry's long-term sustainability.