Calme dans le Pacifique : le parcours de BC Ferries pour protéger les habitats des baleines de la côte Ouest

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Traversiers de la côte Ouest

De nombreuses routes de traversiers sillonnent la côte du Pacifique du Canada, notamment celles exploitées par BC Ferries, le fournisseur provincial de services de traversier. D’autres routes sont exploitées par des fournisseurs de traversiers de l’Alaska et de l’État de Washington, ainsi que par des exploitants indépendants. La taille des traversiers varie, allant de petits navires réservés aux passagers et couvrant de courtes distances dans des eaux abritées, à de grands navires pouvant transporter des centaines de véhicules et des milliers de passagers sur de longues distances. Nombre de ces traversiers transitent dans des zones désignées ou utilisées comme habitat essentiel pour des mammifères marins comme les épaulards résidents du Sud et du Nord. L’infographie « Des traversiers plus silencieux dans l’habitat essentiel des baleines sur la côte Ouest du Canada » présente les données sur les itinéraires recueillies auprès des différents exploitants de traversiers, ainsi que les zones d’habitat essentiel tirées des couches cartographiques créées par Pêches et Océans Canada.

Projets de l’Initiative pour des navires silencieux contribuant à rendre les traversiers plus silencieux

Corrélation du bruit des hélices pour les traversiers

Dans le cadre d’un programme plus vaste de contrôle du bruit rayonné sous-marin, BC Ferries et DNV Canada ont créé un projet en plusieurs phases dans le cadre de l’Initiative pour des navires silencieux afin de tester différentes conceptions d’hélices pour réduire le bruit sous-marin des traversiers tout en maintenant l’efficacité du navire.

Au cours de la phase I, l’équipe a utilisé la géométrie de la coque en 3D pour modéliser le champ de sillage, la géométrie de l’hélice pour modéliser les performances hydrodynamiques et de cavitation, et des simulations informatiques pour explorer différents paramètres comme les conditions d’exploitation, la vitesse du navire, le pas de l’hélice, le nombre et la charge des pales, et le nombre de tours par minute (trs/min), ainsi que leurs impacts sonores sur trois classes de navires utilisés par BC Ferries. La simulation a été exécutée plusieurs fois pour évaluer différentes conceptions d’hélices et leurs répercussions sur le bruit et l’efficacité. Les premières conclusions ont montré que les changements de conception des hélices pouvaient réduire le bruit sous-marin de 7 à 10 décibels (dB). Cependant, cette réduction du bruit s’accompagne d’une réduction substantielle de l’efficacité, de l’ordre de 2,5 % à 4 %.

Au cours de la phase II, l’équipe a analysé l’incidence des conditions non nominales de fonctionnement (l’assiette et le tirant d’eau du navire, et les réductions de vitesse quand le navire s’approche du quai et s’y maintient) sur le bruit sous-marin et les émissions de gaz à effet de serre. Les traversiers n’ont qu’une capacité limitée à ajuster l’assiette pour influer sur le bruit. Avec les réductions de vitesse, une classe de navires a augmenté le bruit, ce qui souligne l’importance de concevoir des hélices à pas variable suffisamment adaptables pour la plupart des conditions d’exploitation. Les autres classes n’ont pas connu les mêmes augmentations de bruit, mais les résultats ont permis de conclure que toutes les hélices à pas variable auront des problèmes de cavitation si le pas est suffisamment réduit. L’équipe a souligné l’importance d’identifier les conditions de fonctionnement au cours de la phase de conception afin d’optimiser l’hélice en termes d’efficacité de la propulsion et de réduction des émissions sonores sous-marines.

La phase III a modélisé le bruit rayonné sous-marin généré par un système de propulsion azimutal et deux formes de coque différentes (une conception avec une nacelle azimutale à chaque extrémité du navire et une autre avec deux nacelles azimutales à chaque extrémité) fonctionnant à trois vitesses différentes. Dans ce scénario, les hélices sont à pas fixe, ce qui signifie que le bruit sous-marin diminue généralement avec la réduction de la vitesse. On a constaté que le système à quatre nacelles contribuait environ trois fois plus à la résistance totale que la coque à deux nacelles. Quand la forme de la coque crée plus de résistance, le système de propulsion doit travailler plus fort, ce qui génère plus de bruit. Toutefois, la différence entre le bruit émis par l’hélice aux vitesses les plus élevées (21 nœuds) et les plus faibles (18 nœuds) est d’environ 11 dB(A) pour le système à quatre nacelles et de 7 dB(A) pour le système à deux nacelles. Si les hélices des systèmes à deux et à quatre nacelles fonctionnaient toutes deux dans des conditions optimales, le système à quatre nacelles émettrait probablement une signature sonore plus faible.

La phase IV a permis d’évaluer les émissions de gaz à effet de serre et les performances sonores sous-marines de trois types différents de systèmes de propulsion avancés : le mode combinateur, le système à axe vertical et le système de propulsion en tandem. Vu qu’il s’agit de systèmes nouvellement mis au point, il est plus difficile de trouver des données expérimentales et des exemples de conception, mais avec l’aide du fabricant et des universités, comme le laboratoire hydrodynamique de l’Université de Victoria, il a été possible de prédire les émissions de gaz à effet de serre et les niveaux de bruit rayonné sous-marin pour chaque système.

Que sont les hélices à axe vertical ?

Les hélices à axe vertical sont relativement récentes (voir la vidéo d’une hélice à axe vertical Voith Schneider). On les trouve surtout sur les remorqueurs, mais Staten Island Ferry utilise ce système sur ses traversiers à New York. Seaspan Ferries, un exploitant de traversiers de charge sur la côte du Pacifique du Canada, a déjà étudié cette technologie pour ses navires. En raison de l’abondance de troncs d’arbres et d’autres débris couramment rencontrés dans les eaux de la région, toute hélice à axe vertical devrait être protégée contre les dommages par une cage de sécurité – un ajout qui réduirait l’efficacité et augmenterait le bruit.

La comparaison des trois différents systèmes de propulsion a donné des résultats relatifs similaires, comme le montre le tableau ci-dessous.

Type de système de propulsion	Décibels (dB)		Gaz à effet de serre (CO2)
	18 nœuds	21 nœuds	18 nœuds	21 nœuds
Mode combinateur	170 dB	180 dB	27,8 tonnes	50,7 tonnes
Hélice en tandem	160 dB	165 dB	26,8 tonnes	48,8 tonnes
Hélice à axe vertical	80 dB	90 dB	25,5 tonnes	42,4 tonnes

Pour chacun des trois systèmes de propulsion évalués, les résultats ont montré que lorsque les ferries naviguent plus vite, ils génèrent plus de bruit et plus d’émissions de gaz à effet de serre. Bien que l’hélice à axe vertical soit celle qui génère le moins de bruit et d’émissions de gaz à effet de serre, en raison de problèmes d’entretien et de vitesse, l’hélice tandem a été jugée comme la meilleure option.

Dans l’ensemble, le projet a fourni à BC Ferries une base de données solide pour concevoir des navires plus silencieux et plus efficaces. Les résultats mettent en évidence les domaines dans lesquels les réductions de bruit sont les plus réalisables, les compromis en matière d’efficacité et les options de propulsion qui offrent le meilleur équilibre pour les améliorations futures.

Système hydrodynamique de surveillance du bruit des hélices (HyPNoS)

En collaboration avec BC Ferries, le système hydrodynamique de surveillance du bruit des hélices (HyPNoS) de Schottel a mis au point un prototype de système de surveillance axé sur les vibrations de la coque au-dessus de l’hélice. Les vibrations de la coque au-dessus du système de propulsion peuvent révéler des variations de bruit liées au fonctionnement, à l’environnement et à l’usure de l’hélice.

Il est important de capter ce type de bruit car la conception du navire – comme l’emplacement du gouvernail et la forme de la coque – influe sur le bruit provenant du système de propulsion. Les conditions de fonctionnement, telles que la vitesse du navire, l’angle du gouvernail, la navigation en eaux peu profondes et le niveau d’encrassement biologique, peuvent également modifier le niveau de bruit du système de propulsion.

Schottel a utilisé les mesures prises par un système permanent de capteurs de bord en temps réel pour élaborer et former un algorithme prêt pour l’IA afin d’estimer le bruit rayonné sous-marin. Les mesures des capteurs ont été comparées aux données des hydrophones afin d’établir une corrélation entre les vibrations à bord et le bruit sous-marin mesuré à l’extérieur. Une fois que l’algorithme a disposé de suffisamment de données (en mesurant les niveaux de bruit de deux types d’hélice – l’hélice d’origine et une hélice plus silencieuse – à différentes vitesses sur l’un des traversiers), il a pu estimer le bruit sous-marin sur la base des vibrations, sans qu’il soit nécessaire d’utiliser des hydrophones pour quantifier le bruit sous-marin.

L’équipe cherche à améliorer l’algorithme en y intégrant d’autres mesures, comme l’emplacement et la direction du navire, le réglage du pas de l’hélice et la vitesse de rotation, la profondeur de l’eau et la vitesse du navire.

Working with BC Ferries, Schottel’s Hydrodynamic Propeller Noise Monitoring System (HyPNoS) developed a prototype system to monitor hull vibrations above the propeller. Schottel develops and produces versatile propulsion and control systems for ships. These hull vibration sensors can capture operational, environmental, and wear-related noise variations from the propeller, providing valuable information about the factors influencing noise coming from the vessel.

Rapport sur les relations entre les mesures du bruit, des vibrations et du bruit rayonné sous-marin

AllSalt Maritime a travaillé avec BC Ferries pour élaborer un prototype de système de surveillance fondé sur l’apprentissage machine. Ce projet, intitulé « Report on Relationships Between Noise, Vibration, and Underwater Radiated Noise Measurements » (rapport sur les relations entre les mesures du bruit, des vibrations et du bruit rayonné sous-marin), s’est déroulé en deux phases.

La première phase a consisté à prendre des mesures à différents endroits, tels que les salles des machines et les compartiments de l’appareil à gouverner, afin de repérer la source de bruit dominante à l’intérieur du navire. La deuxième phase s’est attachée à comprendre cette source de bruit dominante – dans ce cas, la salle des machines du moteur principal.

Les mesures de bruit recueillies par les capteurs de bord et les hydrophones externes ont permis de calibrer le modèle d’apprentissage machine afin d’estimer les niveaux de bruit rayonné sous-marin. Le projet espérait également mesurer la relation entre le bruit rayonné sous-marin et l’efficacité opérationnelle du navire, mais les données se sont révélées inadaptées à cette fin.

Plan de gestion à long terme du bruit sous-marin de BC Ferries

Alors que BC Ferries agrandit sa flotte pour répondre à la demande croissante de ses clients et remplacer ses navires vieillissants, la réduction du bruit sous-marin est devenue une priorité pour les navires nouveaux et existants. L’une des initiatives de réduction du bruit a consisté à remplacer progressivement les hélices et à installer de nouveaux variateurs de vitesse sur les trois navires de classe Coastal, qui naviguent sur les principales routes entre l’île de Vancouver et le continent de la Colombie-Britannique. Bien que cette mise à niveau permette un fonctionnement plus silencieux à des vitesses plus lentes, elle s’est avérée coûteuse, tant en termes de temps de service perdu que de coût des pièces. Malgré tout, la réduction du bruit des navires est devenue une priorité. Ces navires ont été sélectionnés pour la mise à niveau car ils étaient particulièrement bruyants à des vitesses « hors conception » plus lentes, les résidents vivant à proximité des terminaux de traversiers signalant que leurs fenêtres vibraient lorsque les navires étaient à proximité ou à quai. En réponse à ces plaintes, BC Ferries a commencé à couper les moteurs lorsque les navires accostaient. Cependant, ce changement a entraîné une usure prématurée et a conduit au remplacement anticipé des rotors des moteurs, pour un coût de 3 millions de dollars par navire.

Dans le cadre de son projet « New Major Vessels », BC Ferries modernise certains navires en les équipant de moteurs hybrides diesel-batterie et d’un système de propulsion qui devrait permettre de réduire de 63 % le bruit sous-marin. De nouveaux concepts de systèmes de propulsion, potentiellement plus silencieux, plus efficaces et produisant moins d’émissions de gaz à effet de serre, sont également à l’étude.

La commande de nouveaux navires est l’occasion d’intégrer des technologies permettant d’atteindre de nouvelles priorités, telles que la réduction du bruit sous-marin. En 2024, BC Ferries a commandé quatre nouveaux navires hybrides électriques à batterie de classe Island. Annoncés début 2026, ces nouveaux navires seront équipés du système de propulsion électrique Azipod® sans engrenage et orientable d’ABB, qui offre une plus grande fiabilité et un bruit réduit par rapport aux systèmes de propulsion traditionnels. Si les navires peuvent accéder à l’avenir à des stations de recharge à terre, le bruit sous-marin sera encore réduit grâce à l’utilisation d’une énergie électrique plus silencieuse, avec jusqu’à 70 mégawattheures d’énergie stockée à bord. ABB est un leader mondial dans le domaine de l’électrification et de l’automatisation.

Pour en savoir plus, consultez le plan de gestion du bruit des navires de BC Ferries et le projet New Major Vessels.

Cet article a été rédigé par Clear Seas pour le compte de Transports Canada dans le cadre de l’Initiative pour des navires silencieux. Il fait partie d’une série de quatre articles consacrés aux traversiers et au bruit sous-marins.

Pour en savoir plus sur les nouvelles découvertes et les défis à relever pour rendre les navires plus silencieux, consultez les autres sujets de cette série ici.

L’Initiative pour des navires silencieux est financée par le gouvernement fédéral par l’intermédiaire de Transports Canada. Les partenaires industriels et les chercheurs intéressés par d’éventuelles collaborations en matière de recherche et de développement afin de faire progresser les solutions novatrices dans le domaine de la technologie marine sont invités à contacter l’équipe de l’Initiative pour des navires silencieux à l’adresse suivante : Marine-RDD-maritime@tc.gc.ca