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ELECTRIC, HYBRID, AND NON CONVENTIONAL PROPULSION SYSTEMS -
Introduction
Pierre DUYSINX LTAS – Automotive Engineering
University of Liege
Academic year 2015-2016
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Contexte
« L’automobile, c’est la liberté » Automobile a connu un développement remarquable depuis
un siècle et surtout dans les dernières décennies
Automobile = composante essentielle de la vie économique: mobilité des marchandises et des personnes caractéristique des pays développés condition / conséquence du développement la croissance appelle plus de mobilité
Automobile = composante de notre vie sociale et de notre
style de vie: mobilité individuelle pour le travail, les loisirs réponse à une aspiration profonde de liberté de déplacement
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Contexte
L’automobile est victime de son succès Développement du trafic routier et augmentation du parc
automobile Croissance des trajets et des distances de déplacement Congestion des grands centres urbains Les transports routiers consomment 70 % pétrole de l’Union
Européenne
Question de la pérennité du secteur transport Approvisionnement énergétique suffisant et à quel coût? Pollution atmosphérique locale Accroissement des émissions de gaz à effet de serre Augmentation des nuisances sonores
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Contexte : croissance du parc automobile
Vers le milliard de véhicule en circulation dans le monde…
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Croissance et domination de la route
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Contexte : croissance du parc automobile
Evolution du parc automobile en Belgique (source FEBIAC) 6
Contexte : croissance du parc automobile
Evolution du kilométrage moyen en Belgique (source FEBIAC)
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Contexte: émissions de carbone
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Emissions de co2 et réchauffement global
Accroissement des émissions de CO2
Menace d’un réchauffement global
Protocole de Kyoto pour réduire les émissions de CO2
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Contexte: diminution des réserves de combustibles fossiles
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Déplétion des ressources de pétrole
Ressources en pétrole ~ 35 à 40 ans
Réserves en pétrole ~ 60 ans Source: fr.wikipedia.org
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Evolution du prix du pétrole
Le prix du pétrole atteint le seuil des 100 $ le barril
Source: BBC news
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État de la situation:
Tendances dans l’Union Européenne
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TENDANCE DANS L’UNION (LIVRET BLANC DE LA D.G.
ÉNERGIE & TRANSPORT)
Le parc automobile a augmenté d’un facteur 3 en 30 ans (+ 3 millions par an)
Entre 2000 et 2010: le trafic poids lourds a augmenté de 50%
Émissions de CO2 dans l’Union Européenne:
Le transport routier = 24% des émissions de l’UE!
Les émissions de CO2 ont augmenté d’environ 50% entre 1990 et 2010
Sécurité d’approvisionnement en énergie:
Le transport est dépendent à 98 % du pétrole, dont 70% est importé
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Croissance et domination de la route
Conséquences:
Congestion
des réseaux transeuropéens
Pollution
84% des émissions de CO2 du transport
Sécurité d’approvisionnement
Transport dépend à 98% du pétrole importé à 70%
Insécurité routière
41000 morts sur les routes de la CE
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Les émissions et la pollution
Propositions de DGET:
Réduction des polluants et des émissions (normes Euro IV et Euro V)
Diversification des sources d’énergie
Rationalisation du transport urbain
Soutenir les recherches sur les technologies propres
Promouvoir les bonnes pratiques
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Les émissions et la pollution
Une énergie diversifiée pour les transports Objectif 2020: la part des carburants de
substitution doit passer à 20%
Proposition d’un % minimal d’utilisation des biocarburants: 2%, puis 6% en 2010…
COP15: Réduction de 20% des émissions de CO2
Soutenir les technologies de voitures propres via le Programme Cadre de Recherche
Promouvoir les bonnes pratiques: Villes pionnières, recours accrus aux
véhicules propres et aux transports en commun
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ENJEUX ENVIRONNEMENTAUX
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Réduire la pollution locale
Automobiles quasi toutes équipées de moteurs thermiques alimentés en carburants liquides issus du pétrole
La combustion génère un certain nombre de polluants
monoxyde de carbone (CO)
oxydes d’azote (NO et NO2)
hydrocarbures imbrûlés (HC)
particules de suie et d’imbrûlés (PM)
Secteur transport =
premier contributeur pour CO et NOx
contributeur important pour HC et PM
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Réduire la pollution locale
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Réduire la pollution locale
C’est pourquoi la réglementation anti-pollution européenne se base sur des cycles de conduite urbaine et périurbaine pour l’homologation des véhicules
Conditions de fonctionnement difficiles: faible charge, vitesse moyenne faible, démarrage à froid, accélérations / décélérations
Depuis les années 1970, les normes anti-pollution ont connu une sévérisation importante
Les limites d’émission ont été diminuées d’un facteur 10 à 100!
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Cycle européen
Nouveau cycle européen (1996)
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Abaissement des émissions dans la CEE
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Abaissement des émissions en Europe
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Réduire la pollution locale
Progrès technologiques:
Amélioration de la qualité des carburants: teneur en benzène, composés aromatiques, en soufre
Éviter la formation de polluants:
Pilotage électronique du moteur, de l’injection, de l’allumage et de l’alimentation en air
Injection directe haute pression pour les moteurs diesel
Amélioration de la combustion
Systèmes de post-traitement catalytique des polluants. Catalyse dite 3 voies permet la réduction simultanée du CO, NOx et HC avec 99% d’efficacité
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Réduire la pollution locale
Réduction des émissions en Belgique (source FEBIAC) 26
Réduire la pollution locale
Réduction des émissions en Belgique (source FEBIAC) 27
Réduire la pollution locale
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Réduire la pollution locale
Succès de la conjonction réglementation et progrès technologiques
Diminution effective
des rejets de polluants atmosphériques liés à l’automobile
des émissions globales des polluants toxiques en Europe
Le CO2 ne suit pas cette même évolution!
CO2 = traceur de la consommation
accroissement du parc, du trafic routier et du poids des véhicules
pas possible de l’éliminer des gaz d’échappement
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Réduire les émissions de CO2
CO2 est un des gaz à effet de serre impliqués dans le processus de réchauffement climatique
Augmentation des émissions de CO2 = indicateur d’une croissance de la consommation
Protocole de Kyoto: la Communauté Européenne doit réduire ses émissions de CO2 de 8% entre 1990 et 2012
Dans ce contexte: l’ACEA (Association des Constructeurs automobiles) s’engage volontairement à réduire les émissions moyennes des véhicules commercialisés à
140 g/km en 2008
120 g/km en 2012
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Réduire les émissions de CO2
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Réduire les émissions de CO2
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Réduire les émissions de CO2
Objectifs:
130 gr CO2 / km en 2012
95 gr CO2 /km en 2020
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Réduire les émissions de CO2
Deux voies principales:
utilisation de carburants à faible teneur en carbone ou carburants ayant un cycle de vie conduisant à des émissions réduites
réduction de la consommation des véhicules
Amélioration des moteurs à combustion interne
Motorisations alternatives
Motorisations hybrides
Autres principes de conversion de l’énergie chimique: la pile à combustible
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Carburants alternatifs plus propres
Carburants alternatifs:
Gaz Naturel comprimé (CNG)
Liquefied Petroleum Gas (LPG)
Alcools (éthanol, méthanol)
Bio diesel (DME, etc.)
Hydrogène
Accroissement des parts de marché des carburants alternatifs (Livret blanc
de la D.G. Énergie & Transport):
Objectif pour 2020: 20% du marché
Bio carburants: 6% en 2010
Suppression des taxes sur l’hydrogène
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Le choix du carburant
Valeur énergétique des carburants
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Le choix du carburant
Mais aussi Le système de stockage (volume, poids, coût…)
Le temps de remplissage du réservoir
Une autonomie aussi grande que possible
La sécurité…
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Contraintes de masse et de volume embarqués
Objet premier des systèmes de transport: être capables de transporter des passagers et des marchandises
dans des conditions de vitesse et de sécurité satisfaisantes
Dans un véhicule, la masse et le volume du système de propulsion doivent être minimaux pour une puissance donnée
La voiture est un bien de grande consommation Le prix est critique
On veut également Un démarrage rapide
Un entretien facile
Une sécurité de fonctionnement…
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Variabilité du fonctionnement
Problème du fonctionnement des systèmes de propulsion: la très grande variabilité des régimes de fonctionnement
Objectif: dimensionner à la puissance moyenne!
Moyen: stocker l’énergie véhicule hybride
Source G. Coquery, INRETS
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Principe de fonctionnement des nouveaux systèmes de propulsion
source: www.nrel.org
Couper le moteur
à l’arrêt
Améliorer le rendement du moteur, downsizing
du moteur, réduction des frottements internes
Récupération
d’énergie au freinage
Réduction de masse, du S Cx,
de la résistance des pneumatiques…
Carburants
avec moins de
carbone
Maîtrise des
équipements
Simplification
transmission
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Réduire les émissions de CO2
Pour atteindre les objectifs de Kyoto, nécessité de placer l’effort principal sur des nouveaux développements technologiques
Différentes actions possibles pour réduire la consommation: le rendement du moteur (action la plus directe)
la réduction de masse, mais en opposition avec la demande d’un plus grand confort, d’une plus grande sécurité et des voitures de plus haut de gamme
la réduction des frottements internes du moteur
augmentation du couple spécifique: réduction de la cylindre à performances égales, c’est-à-dire le downsizing
réduction de la traînée aérodynamique
évolution de la transmission
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Réduire les émissions de CO2
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Réduire les émissions de CO2
Jusqu’à présent la réduction de la consommation moyenne des véhicules s’est faite en Europe par une diésélisation des véhicules neufs (environ 45%)
recourt à l’injection directe (+15% de rendement)
downsizing grâce à la turbo suralimentation
Cette tendance va se poursuivre partiellement, mais elle n’évitera pas de nouveaux développements technologiques pour atteindre les objectifs à plus longs termes
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Nouveaux systèmes de propulsion
Les NOUVEAUX SYSTÈMES DE PROPULSION sont basés sur les mêmes idées de base: Arrêter le moteur si à l’arrêt: 8% gain de CO2
Récupération d’énergie au freinage : 13% de CO2
Downsizing du moteur : 30% CO2 de gain
Hybridation complète: 45% CO2 de gain
MAIS on doit également jouer sur D’AUTRES LEVIERS: Structure légères : aluminium, matériaux composites, formes et profils
optimisés de la structure
Pneus à bas coefficient de résistance au roulement
Amélioration des performances aérodynamiques (Cx, surface frontale)
CARBURANTS avec moins de carbone H2, CH4.
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VOITURE ELECTRIQUE
Historique:
Les voitures électriques ont été très populaires entre 1905 et 1915.
Regain d’intérêt à chaque crise énergétique
Mais jamais de succès commercial
Avantages:
Mode à zéro émission
Très faible niveau sonore
Confort de conduite en ville
Désavantages:
Autonomie limitée (< 200 km)
Temps de recharge ( ~ 6 heures)
Le problème des véhicules électriques = les batteries: 200 fois moins d’énergie par kg que dans le pétrole!
Bolloré BlueCar
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Les 6 défis des batteries
Améliorer l’autonomie = augmenter l’énergie et la puissance spécifique
Allonger la durée de vie
Raccourcir le temps de recharge
Rendre les batteries plus sûres et fiables
Abaisser le coût et économiser les matériaux
Organiser le recyclage
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Véhicules hybrides électriques
Combinent deux sources d’énergies i.e. deux types de motorisations (i.e. thermiques et électriques) et deux types de stockage.
Les VEH permettent de tirer profit des avantages des voitures électriques tout en gardant les avantages des moteurs à combustion interne (autonomie facilité de recharge, etc.)
L’hybridation conduit à de nombreuses voies d’optimisation de l’énergie à bord du véhicule
L’hybridation permet de réduire fortement les émissions de polluants et la consommation (gain jusqu’à 40 ou 50%)
Inconvénient persistant: surcoût et accroissement de la masse
Le succès commercial et en train de venir (e.g. Toyota Prius II, Honda Insight, Lexus RX400h, Ford Escape…)
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Véhicules hybrides électriques
Ford Escape
Lexus RX400h
Toyota Prius II
Honda Insight 48
Véhicules hybrides électriques
Véhicule hybride parallèle Véhicule hybride série
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Hybrides: comment ça marche?
Le freinage régénératif Récupérer (partiellement) l’énergie du
freinage
Stockage dans l’accumulateur (batteries, supercaps, volant d’inertie)
Lissage des pics de puissance
Réduction de taille du moteur
Améliorer l’utilisation du moteur thermique Réduction de cylindrée en préservant le
couple
Réduction des frictions internes du moteur
Fonctionnement du moteur en grande majorité dans sa meilleure plage de rendement et de moindres émissions
-150
-100
-50
0
50
100
150
0 200 400 600 800 1000
Temps [s]
Pu
iss
an
ce
Ma
ch
ine
éle
ctr
iqu
e [
kW
]
50
Véhicules hybrides électriques
Réduction de consommation possible pour un véhicule de 1300 kg
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Pile à combustible
Système de conversion directe de l’énergie d’un combustible en électricité par un processus électrochimique
Réaction électrochimique (oxydo-réduction) sans combustion
Réactifs constamment introduits, consommés et renouvelés et les produits de réaction enlevés en continu
Les protons / ions sont transportés à travers l’électrolyte
De chaque côté des électrodes, on a des plaques conductrices chargées de collecter le courant
Les électrons sont dérivés par le circuit extérieur
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Véhicules à pile à combustible
Les enjeux pour la commercialisation des véhicules à piles à combustible restent importants:
réduire le coût des composants
améliorer le rendement effectif des membranes PEM: surtout à cause de la consommation des auxiliaires
améliorer la durabilité et fiabilité
moyen de stockage de l’hydrogène à bord
infrastructures de distribution de l’hydrogène
mesure et règles de sécurité pour la conception des véhicules à hydrogènes et de la distribution de l’hydrogène
définir des filières énergétiques de production de l’hydrogène à partir d’une source primaire: coût, disponibilité, sécurité, efficacité énergétique, émission de CO2 sur le cycle de vie.
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Conclusions
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Échéances prévisibles pour l’application des nouvelles technologies
Chang & Chau: Développement des tendances en EV et HEV
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LE FUTUR
Véhicules multi sources 56
Concept de mobilité personnelle
Vision de plus petits véhicules très mobiles et très intelligents
Motorisation électrique
Batteries ou pile à combustible
Matériaux légers
Adaptés à la circulation urbaine
Personnal Mobility
Concept de Toyota 57
Concept de véhicule intelligent
Fonction d’intelligence et de communication
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Conclusions
L’automobile
fait partie de notre vie
doit faire face à des défis majeurs à l’aube du 21ème siècle
Nouveaux développements à court et moyen termes
Améliorer les moteurs à combustion interne
Recherche et développement pour le moyen et long termes
Véhicules hybrides électriques (5 à 10 ans)
Piles à combustible (10 à 15 ans?)
Le pétrole et les moteurs à pistons ne pourront être remplacés que par plusieurs solutions alternatives (carburants et systèmes de propulsion), chacun étant le mieux adapté dans une niche.
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Références
Livret Blanc de la DG Énergie et Transport de la Commission de la CE sur la « Politique européenne des transports à l’horizon 2010 : l’heure des choix » disponible sur le site http://europa.eu.int/comm/energy_transport/fr/lb_fr.html
Ph. Pinchon. « Futures évolutions des motorisations dans l’automobile ». L’automobile du futur: les technologies de l’IFP. 6 mai 2004.
Vlacic L. Parent M. & Harashima F. : « Intelligent Vehicle Technologies ». Butterworth Heinemann, 2001.
CC Chan & KT Chau Modern Electric Vehicle technology. Oxford Science Publication, 2001.
CM Jefferson & RH Barnard. Hybrid Vehicle Propulsion. WIT Press. 2002.
Energy Technology and Fuel Economy. US Department of Energy. www.fueleconomy.gov/
FEBIAC: www.febiac.be
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