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ELECTRIC, HYBRID, AND NON CONVENTIONAL PROPULSION SYSTEMS -
Introduction
Pierre DUYSINXLTAS – Automotive Engineering
University of LiegeAcademic year 2010-2011
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 personnescaractéristique des pays développéscondition / conséquence du développementla croissance appelle plus de mobilité
Automobile = composante de notre vie sociale et de notre style de vie:
mobilité individuelle pour le travail, les loisirsréponse à une aspiration profonde de liberté de déplacement
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ContexteL’automobile est victime de son succès
Développement du trafic routier et augmentation du parc automobileCroissance des trajets et des distances de déplacementCongestion des grands centres urbainsLes transports routiers consomment 70 % pétrole de l’Union Européenne
Question de la pérennité du secteur transportApprovisionnement énergétique suffisant et à quel coût?Pollution atmosphérique localeAccroissement des émissions de gaz à effet de serreAugmentation des nuisances sonores
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
Contexte : croissance du parc automobile
Evolution du parc automobile en Belgique (source FEBIAC)
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Contexte : croissance du parc automobile
Evolution du kilométrage moyen en Belgique (source FEBIAC)
Contexte: émissions de carbone
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Emissions de co2 et réchauffement global
Accroissement des émissions de CO2
Menace d’un réchauffement globalProtocole de Kyoto pour réduire les émissions de CO2
Contexte: diminution des réserves de combustibles fossiles
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Déplétion des ressources de pétrole
Ressources en pétrole ~ 35 à 40 ansRéserves en pétrole ~ 60 ans Source: fr.wikipedia.org
Evolution du prix du pétrole
Le prix du pétrole atteint le seuil des 100 $ le barril
Source: BBC news
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Croissance et domination de la route
Conséquences:Congestion
des réseaux transeuropéens
Pollution84% des émissions de CO2 du transport
Sécurité d’approvisionnementTransport dépend à 98% du pétrole importé à 70%
Insécurité routière41000 morts sur les routes de la CE
Insécurité routière
Les chiffres:41.000 par an sur les routes de a CECoût total des accidents: 2% du PIBDépense de prévention et d ’indemnisation < 5% de ce coût
Objectif: diminuer par 2 le nombre de tués
Comment?Harmoniser les sanctionsPromouvoir les nouvelles technologies
Boîtes noires et limiteurs de vitesseVéhicules plus sûrsAccord volontaire sur les faces avantGestion de la vitesse
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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’énergieRationalisation du transport urbainSoutenir les recherches sur les technologies propresPromouvoir les bonnes pratiques
Les émissions et la pollutionUne 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
Réduire la pollution localeAutomobiles quasi toutes équipées de moteurs thermiques alimentés en carburants liquides issus du pétroleLa 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 NOxcontributeur important pour HC et PM
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Réduire la pollution locale
Réduire la pollution localeC’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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Cycles européens
Abaissement des émissions dans la CEE
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Abaissement des émissions dans la CEE
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
Réduire la pollution locale
Réduction des émissions en Belgique (source FEBIAC)
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Réduire la pollution locale
Réduction des émissions en Belgique (source FEBIAC)
Réduire la pollution locale
Réduction des émissions en Belgique (source FEBIAC)
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Réduire la pollution locale
Réduire la pollution localeSuccès de la conjonction réglementation et progrès technologiques
Diminution effective des rejets de polluants atmosphériques liés à l’automobiledes émissions globales des polluants toxiques en Europe
Le CO2 ne suit pas cette même évolution!CO2 = traceur de la consommationaccroissement du parc, du trafic routier et du poids des véhiculespas 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
Réduire les émissions de CO2
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Réduire les émissions de CO2
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 réduitesréduction de la consommation des véhicules
Amélioration des moteurs à combustion interneMotorisations alternativesMotorisations hybridesAutres principes de conversion de l’énergie chimique: la pile àcombustible
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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 marchédes carburants alternatifs (Livret blanc
de la D.G. Énergie & Transport): Objectif pour 2020: 20% du marchéBio carburants: 6% en 2010Suppression des taxes sur l’hydrogène
Le choix du carburantValeur énergétique des carburants
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Le choix du carburantMais aussi
Le système de stockage (volume, poids, coût…)Le temps de remplissage du réservoirUne autonomie aussi grande que possibleLa sécurité…
Améliorer l’efficacité de la motorisation
Une remarque préliminaire s’impose!
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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 consommationLe prix est critique
On veut égalementUn démarrage rapideUn entretien facileUne sécurité de fonctionnement…
Variabilité du fonctionnement
Problème du fonctionnement des systèmes de propulsion: la très grande variabilité des régimes defonctionnement
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 decarbone
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 gammela réduction des frottements internes du moteuraugmentation du couple spécifique: réduction de la cylindre àperformances égales, c’est-à-dire le downsizingréduction de la traînée aérodynamiqueévolution de la transmission
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Réduire les émissions de CO2
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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Réduire les émissions de CO2
Réduire les émissions de CO2
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Réduire les émissions de CO2
Réduire les émissions de CO2
Réduction des émissions de CO2 en Belgique (source FEBIAC)
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Améliorer les moteurs àcombustion interne
Moteurs essenceLe moteur à essence bénéficie de systèmes de post-traitement basés sur des catalyseurs à 3 voies qui éliminent simultanément le CO, les HC et les NOx
Possible d’atteindre des niveaux d’émission extrêmement bas
Défi du moteur à essence, c’est la réduction de la consommation et des émissions de CO2.
Écart de 20% avec les moteurs dieselRéduction des pertes liées aux transferts de gaz et aux flux thermiques aux parois
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Moteur à essence: Contrôle des émissions
Trois techniques:Traitement du carburantAmélioration du moteurPost traitement des gaz d’échappement
Carburant:Composition modifiée par des additifs ou via le processus de raffinage pour éliminer les polluants ou faciliter le processus de post traitements de gaz d’échappementPlomb utilisé pour augmenter le taux d’octane est remplacé du Methyl Tertiary Butyl Ether (MTBE), moins agressif pour l’environnementSoufre: désulfuration des carburants pour éviter les H2S et ne pas endommager les pots catalytiques
Moteur à essence: Contrôle des émissions
Post traitement des gaz d’échappementReste le moyen le plus efficace pour réduire le taux de polluantsLe pot catalytique est un dispositif habituel (obligatoire en EU et aux USA) pour réduire les polluants des gaz d’échappementLe pot catalytique est composé de matériaux catalytiques (Pt, Rh) qui favorisent la réduction des CO, HC et NOx en composés peu agressifs:
2 NOx N2 + O2
HC + O2 CO2 + H2O2 CO + O2 2 CO2
Le catalyseur trois voies réalise ces trois opérations simultanément.Le catalyseur n’agit qu’en température, de sorte que la majeure partie des émissions provient de la première minute de fonctionnement après le démarrage à froid.
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Moteur à essence: Contrôle des émissions
Post traitement des gaz d’échappement
Le catalyseur trois voies demande la présence d’oxygène dans les échappement (donc un léger excès d’oxygène dans l’admission) et un ajustement assez précis de la richesse du mélange.Cette régulation est possible avec la mesure du taux d’oxygène (sonde lambda) et une injection électronique.
Moteurs essence
Voies pour réduire l’émission de CO2:Injection directeCombustion stratifiée: gains de 10 à 15% sur le cycle NDECApproche de downsizing basée sur la suralimentation par turbocompresseur et réduction de la cylindrée avec maintien des performancesNouveaux procédés de combustion CAI (Controlled Auto Ignition): gains de 10 à 15%Système à distribution variable : gains entre 7 et 13%
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Injection directe et combustion en mélange pauvre
Injection directe et combustion en mélange pauvre
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Moteurs essence
Admission variable, Suralimentation et Turbocompresseurs
Le travail et le couple dépendent du taux de remplissage du moteur
Pour augmenter la quantité d’air admise:Volute d’admission variableCompresseurTurbocompresseur
Volute d’admission variable:Bénéficier des ondes de compression qui se développent dans les volutes d’admission pour augmenter le remplissage en ajustant la longueur des tuyaux d’admission
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Admission variable, Suralimentation et Turbocompresseurs
Compresseur:L’arbre du moteur entraîne un compresseur (types centrifuge, root ou à palette) qui augmente la pression de l’air d’admission même à bas régime
Désavantage: puissance soutirée à l’arbre du moteur réduit le rendement global du moteur, augmente la consommation dans certaines conditions.
Admission variable, Suralimentation et Turbocompresseurs
TurboCompresseur:Turbine mue par les gaz d’échappement et placée sur le même arbre que le compresseur placé l’admissionAvantages:
Énergie du compresseur récupérée sur les gaz d’échappement donc amélioration du rendementPeut augmenter fortement la puissance du moteur spécialement si on utilise un intercooler entre le compresseur et l’admissionAméliore le rendement à cause de la surpression à l’admission: travail positif d’admission
Désavantage:Temps de réponseFaible (voire aucune) amélioration à bas régime
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Admission variable, Suralimentation et Turbocompresseurs
Augmentation de la température des gaz d’admission
Augmente le risque de cognement (autoallumage)Augmente la formation de NOxRemède: introduction d’un intercooler et d’un échangeur de chaleurRefroidissement augmente le remplissage
Compression des gaz d’admission diminue le rapport de compression et le rendement global par rapport au moteur atmosphérique
Moteurs essence
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HCCI
La combustion homogène HCCI (Homogeneous Charge Compression Ignition) consiste à la fois à réduire la consommation et à réduire les polluants, notamment les NOx(réduction de 100 à 1!).Le défi consiste à contrôler le temps d'auto-allumage, la vitesse et la température pour optimiser le mélange et la combustion. Elle conduira à une évolution de la formulation des gazoles. Elle pourrait aboutir vers 2010.
Essence CAI
La combustion de type CAI (Controlled Auto Ignition) a pour objectif d'allumer le mélange par auto inflammation et non plus grâce à une bougie. Elle est provoquée par la rétention dans le cylindre de gaz chauds issus de la combustion lors du cycle précédent. Il permet de mieux maîtriser la combustion et de la rendre plus homogène Ce mode de combustion pourrait être combiné selon les phases du moteur avec des combustions classiques.
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Moteurs dieselRendement du moteur diesel à injection directe a un rendement 30% supérieur à celui du moteur à essence
Potentiel important de downsizing: moteur de 1.2 à 1.5l dotés de performances spécifiques élevées: couple spécifique de 150 Nm/l et puissance spécifique de 50 kW/l)
Réduction de 5 à 10% avec l’injection directe haute pression et la turbo suralimentation à géométrie variable
Le VERITABLE ENJEU pour le diesel, c’est la capacité àrespecter les futures normes d’émission de polluants
Catalyse à 3 voies impossibles à cause de l’excès d’airTraitement des NOx impossible par l’optimisation de la combustionPost traitement des particules matérielles
Moteurs diesel
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Moteurs dieselVoies d’amélioration:
Systèmes d’injection:nombre d’injections par cycle: 5 à 7
Optimisation chambre de combustionSystèmes de post-traitement
réduction des NOx par réduction catalytique sélective ou pièges à NOxfiltre à particulesfiltre à régénération continuecatalyse 4 voies
Nouveaux procédés de combustionhomogénéisation du mélange plus grande
Vanne de recirculation des gaz EGR
La vanne EGR est apparue dans les années 1970 aux États Unis. Testée d'abord par GeneralMotors, pour réduire les émissions d'Oxyde d'azote (NOx) que rejettent les véhicules.
Pour diminuer les émissions de NOx , il faut réduire la température maximale de combustion. Ceci peut se faire en diluant les gaz admis par le moteur avec un gaz inerte, celui ci en s'intercalant entre le carburant et le comburant, ralentit la vitesse de combustion et absorbe des calories.
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Vanne de recirculation des gaz EGR
Les gaz d'échappement étant constitués de gaz inertes, il s'agit de faire recirculer une partie de ces gaz dans le collecteur d'admission.
Le calculateur gère le pilotage de l'EGRpar l'intermédiaire d'une électrovanne ou d'un moteur électrique en fonction de plusieurs paramètres (température eau, air, information ralenti pleine charge....)
1/ Moteur 2/ Calculateur 3/ Collecteur d'admission 4/ Unité de commande de papillon d'accélérateur 5/ Clapet EGR 6/ Sonde température EGR 7/ Électrovanne EGR 8/ Collecteur d'échappement
Moteurs diesel
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Moteurs diesel
Motorisations alternatives
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Motorisations non conventionnelles
A plus long terme, les motorisations qui remettent en cause de manière profonde l’architecture des groupes motopropulseur permettront des gains encore plus grands
Moteurs dédiés à de nouveaux types de combustibles: gaz naturel comprimé,hydrogène comprimé ou liquide,éthanol, méthanolbiodiesel
Moteurs électriquesMotorisations hybridesPiles à combustible
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 gainHybridation 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 structurePneus à bas coefficient de résistance au roulementAmélioration des performances aérodynamiques (Cx, surface frontale)
CARBURANTS avec moins de carboneH2, CH4.
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Les autres carburants
Moteurs dédiés au gaz naturelLe gaz naturel est un bon candidat pour diminuer les émissions de CO2
grandes réserves de gaz naturelémissions faibles (faible rapport de carbone)indice d’octane élevé (130)downsizing possible
Le rendement du moteur pourrait réduire les émissions de CO2de 5 à 10% par rapport au moteur dieselSon utilisation dans un véhicule hybride serait encore plus avantageuseLa communauté européenne souhaite une substitution progressive des carburants traditionnels par du gaz naturels: 2% en 2010, 5% en 2015 et 10% en 2020
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Moteur à CI + hydrogène ou gaz naturel
Conversion assez peu onéreuse des moteurs à pistonQuestions principales
Réseau de distribution de l’hydrogèneTemps de remplissageStockage du H2 à bord
Compressé @ 800 barsLiquéfié @ -253°CAdsortion (nanotubes de carbone…)Production H2 à bord?
Réduction de l’autonomie!Bilan énergétique global?
Hydrogen-powered MINI concept (BMW group)
Bus roulant au gaz naturel
Moteur à CI + hydrogène ou gaz naturel
Les gains au niveau des émissions de CO2 par rapport à un moteur essence équivalent aux USA
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Véhicules électriques
Voiture électriqueHistorique:
Les voitures électriques ont été très populaires entre 1905 et 1915.Regain d’intérêt à chaque crise énergétiqueMais jamais de succès commercial
Avantages:Mode à zéro émissionTrès faible niveau sonoreConfort de conduite en ville
Désavantages:Autonomie limitée (< 200 km)Temps de recharge ( ~ 6 heures)
Bolloré BlueCar
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Voiture électrique
Moteurs DC + hacheurbalais ou aimant permanent
Moteurs AC + onduleurMoteurs synchrones àaimants permanents ou Moteurs à réluctance commutéeMoteurs asynchrones
Avec la voiture électrique, la propulsion se transforme en système mécatronique complexe!
Batteries:Acide – PlombNi-CdNi-MHZebraLi-ionsSupercapacités
Voiture électrique
Acide-Pb Ni-MH Zebra Li SupercapEnergie spécifique utilisable W.h/kg 15-20 60-70 90-100 110-130 3-5Puissance spécifique W/kg 100-250 100-250 140-180 300-1000 ≅1000Rendement charge-décharge % 60 80 85 85 95Durée de vie estimée cycles 600 1200 1200 1200 1000000
Acide-Pb Li-ions Essence DieselEnergie spécifique (W.h/kg) 17 110 12000 12000Consommation du véhicule 25kW.h/100km 25kW.h/100km 8l/100km 6l/100kmAutonomie (km pour 100 kg) 11 73 1667 2008
Problème principal = le batteries!Pas d’amélioration spectaculaire prévisible dans un roche avenir
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Véhicules électriques
Véhicules hybrides
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Véhicules hybrides électriquesCombinent 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 àcombustion interne (autonomie facilité de recharge, etc.)L’hybridation conduit à de nombreuses voies d’optimisation de l’énergie à bord du véhiculeL’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 masseLe succès commercial et en train de venir (e.g. Toyota Prius II, Honda Insight, Lexus RX400h, Ford Escape…)
Véhicules hybrides électriques
Ford Escape
Lexus RX400h
Toyota Prius II
Honda Insight
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Véhicules hybrides électriques
Véhicules hybrides électriques
Véhicule hybride parallèle Véhicule hybride série
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Véhicules hybrides électriques
Réduction de consommation possible pour un véhicule de 1300 kg
Véhicules hybrides sérieTaux d’hybridation (%) :
Τs = PAPU / Pe,PAPU : puis. max source primaire (moteur àpiston)Pe : puis. max moteur électrique
ZEV (km) possible sur de courte distanceCharge des batteries
Freinage régénératif (machine électrique génératrice)Si utilisation de la génératrice seulement : charge sustainingSi recharge possible avec le réseau électrique aussi : charge depleting / plug in hybrids
Extension possible aux piles à combustible
Engine
Battery
Generator
M/G
Wheels
Node
Chemical
Electrical
Mechanical
Gruau MicroBus
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Véhicules hybrides parallèleTaux d’hybridation (%) :
Τp = Pe / (Pe + Pt),Pt : puis. max moteurPe : puis. max mot. électriqueMicro < mild < full
Mode ZEV (km) est possible en zone urbainePour rencontrer les pics de puissance, l’opération simultanée des 2 moteurs est possible (mode parallèle)Transition entre modes et gestion de l’énergie complexesCharge sustaining / depleting
Differential
Tank
Engine
Wheels
Chemical
Electrical
Mechanical
Gear change
M/G
Battery
Node
VW Lupo hybrideGreen Propulsion60 g CO2/km
Véhicules hybrides « doux »Architecture « douce »
Petites machines électriques (~10 kW)Fonction Stop & startFaible capacité de freinage régénératifAssistance pour la source principale
Replace le volant d’inertie moteur, le démarreur et l’alternateurPAS de mode électrique pur significatif
Transmission
Mechanical Node
Tank
Wheels
Engine Chemical
Electrical
M/G
Battery
Honda Insight
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Véhicules hybrides complexesVersus hybrides série
Plus petit moteur électrique et génératriceMeilleure rendement de transmission
Versus hybrides parallèles Contrôle de la vitesse de rotation du moteurTransitions plus douces entre modes
Versus autres combinaisonsTrain planétaire requisPas de verrouillage possible entre le moteur et les roues à forte charge (autoroute par ex.)
Toyota Prius II
Véhicules hybrides hydrauliquesAutre stockage énergie: hydrauliqueFaible énergie spécifique:
hybride douxassistance
Forte densité de puissanceAdapté aux véhicules lourdsAux véhicules urbains avec arrêts fréquents et accélérations intensives
Nouveaux développements de moteurs pompes, d’accumulateurs hydrauliques peu coûteux
Smart Truck
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Hybrides: comment ça marche?
Le freinage régénératifRécupérer (partiellement) l’énergie du freinageStockage dans l’accumulateur (batteries, supercaps, volant d’inertie) Lissage des pics de puissanceRéduction de taille du moteur
Améliorer l’utilisation du moteur thermiqueRéduction de cylindrée en préservant le coupleRéduction des frictions internes du moteurFonctionnement 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]
Puis
sanc
e M
achi
ne é
lect
rique
[kW
]
Piles à combustibles
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Véhicules à pile à combustibleLes piles à combustibles font l’objet de nombreuses recherches et développements
Avantages de principe:rendement de conversion élevé (> 50%)
émission de polluants très faible
émission de CO2 modeste pour autant que la production d’hydrogène ne soit pas génératrice d’émissions trop importantes
Difficultés technologiques:création d’un réseau de distribution d’hydrogène
coût excessif des composants pour le moment
Approche attendue pour 2015-2020
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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Pile à combustible?La pile à combustible la plus populaire est la pile à hydrogène H2 – O2
Il s’agit en fait de la réaction inverse de l’électrolyse de l’eau
Elle fournit des tensions théoriques de 1,23 et 1,18 V. Cette tension dépend aussi de la température
Avantages:Fonctionnement habituellement à température modéréeFonctionnement silencieuxRendement théorique élevé dans un large plage de fonctionnement
Inconvénients:Coût des électrodesPureté des combustibles
Pile à combustible?Besoin d’un catalyseur (Pt ou Pt/Ru)pour activer (accélérer) les réactions
Transfert des ions H+ entre les électrodes: une membrane polymère (Nafion) ou Proton Exchange Membrane (PEM)
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Pile à combustible?
Rendement d’un pile H2/O2 comparé au rendement de Carnot (Tu=300K) d’une machine thermique
Pile à combustible?
Lorsque le courant est non nul, la tension de la pile est inférieur à la tension d’équilibre à cause de la présence de surtensions aux électrodes.
Caractéristique d’une cellule élémentaire
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Pile à combustible?Rendement global de la pile
Exemple H2/O2 à 80°C, pile PEMFC avec tension de 0,7V pour 350 mA/cm²
rendement théorique « réversible »: 0,936rendement électrique: 0,60rendement faradique: 1rendement matière: 0,9rendement système: 0,8Total: 40,4%
smfurevpile ηηηηηη =
Pile à combustible?
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Véhicules à pile à combustible
Pas de rejet sauf H2O pur ZEVOpération quasi silencieuseConfiguration généralement hybride série
Batterie de stockage ou supercapacitéRécupération d’énergie au freinageDownsizing de la pile
H2 ou double énergie (réseau + H2)H2 production et distribution ?H2 stockage autonomie
Battery
M/G
Fuel cells
Wheels
Node
Tank Chemical
Electrical
Mechanical
Toyota FCH4
Véhicules à pile à combustibleLes enjeux pour la commercialisation des véhicules à piles àcombustible restent importants:
réduire le coût des composants
améliorer le rendement effectif des membranes PEM: surtout àcause de la consommation des auxiliaires
moyen de stockage de l’hydrogène à bord
infrastructures de distribution de l’hydrogène
mesure et règles de sécurité pour la conception des véhicules àhydrogènes et de la distribution de l’hydrogène
définir des filières énergétiques de production de l’hydrogène àpartir d’une source primaire: coût, disponibilité, sécurité, efficacitéénergétique, émission de CO2 sur le cycle de vie.
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PRODUCTION DE L’HYDROGENE
Électrolyse de l’eauDépend des émissions moyennes de la production d’électricitéFaible efficacité globale (<60%)Offre l’avantage de pouvoir stocker de manière massive de l’énergie électrique et de niveler les fluctuations
Reformage d’hydrocabone à partir de gaz naturel ou de pétroleProduction de CO2 quand même et utilisation de carburant fossileEmissions en amontSemble le plus intéressant aujourd’hui
Récupération d’hydrogène « perdu » dans des processusPolygénération
Production de chaleur, d’énergie et de fuel dans des grosses installations avec éventuellement capture du CO2 et des polluants
Société de l’hydrogène et de l’électricité
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Véhicules à pile à combustible
Véhicules à pile à combustible
Programme CUTE: clean Urban Transport
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Prédiction du futur
Échéances prévisibles pour l’application des nouvelles technologies
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Échéances prévisibles pour l’application des nouvelles technologies
Chang & Chau:Développement des tendances en EV et HEV
Evolution du marché de l’alternatif
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Comparer les solutions
Etude du cycle de vie
La comparaison objective des différentes solutions doit être basée sur le cycle de vie complet du véhicule et du carburant
Production du véhicule et de la motorisationÉmissions du puit à la roue (Well to wheel emissions) du carburant
Émissions au pot d’échappementPréparation du fuel ou de l’énergieExtraction du carburant primaire
Recyclage du véhicule
Les résultats sont parfois surprenants et sont parfois contraires aux idées reçues!
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Etude du cycle de vie: électricité
Émissions de la production d’électricité :Renouvelable + mix traditionnelVariable selon
le moment de la journée (jour / nuit)le lieu
mix suédois: 19 g CO2/kW.hmix grec: 1111 g CO2/kW.h
Libéralisation du marchéÉlectricité produite où?
Émissions en amont de la centrale?
Etude du cycle de vie: hydrogène
Émissions pour la production d’hydrogèneExpérience de laboratoire ou production industrielleÉlectrolyse de l’eau
voir production d’électricitéfaible efficacité globale (<60%)
Reformage d’hydrocabone à partir de gaz naturel ou de pétrole
production de CO2 quand mêmeémissions en amont
60
Etude du cycle de vie: exemple
0
25
50
75
100
125
150
175
200
225
1.2 ga
solin
e
1.5 D
ci die
sel
1.2 LP
G
Hybrid
, plug
-in
Hybrid
, sus
tainin
g
Fuel c
ell, p
lug-in
Tota
l CO
2 em
issi
ons
(g/k
m)
Energ prod.Vehicle useProd./recycling
Renault Kangoo HybridGreen Propulsion
Conclusions
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ConclusionsL’automobile
fait partie de notre viedoit faire face à des défis majeurs à l’aube du 21ème siècle
Nouveaux développements à court et moyen termesAméliorer les moteurs à combustion interne
Recherche et développement pour le moyen et long termesVéhicules 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.
Conclusions
Wallonie: terre d’innovation automobileEn 1899, le vervietoisCamille Jenatzy est le premier à passer les 100 km/h avec une voiture électriqueEn 1899 Henri Pieper crée les automobiles pétroléoélectriques premières voitures combinant une motorisation thermique avec un moteur électrique. Alors c’est à nous maintenant de construire notre avenir
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RéférencesLivret 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 sitehttp://europa.eu.int/comm/energy_transport/fr/lb_fr.htmlPh. 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 VehicleTechnologies ». 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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