Trois objectifs principaux sont assignés aux véhicules particuliers « non conventionnels »: (1) offrir des prestations analogues aux véhicules particuliers conventionnels, (2) réduire la consommation de carburant, (3) réduire les émissions de CO2 dues aux véhicules particuliers.
Avant de présenter le concept de véhicule hybride, nous passons en revue, un ensemble de solutions de propulsion susceptibles de contribuer à la maîtrise des émissions de CO2 occasionnées par les
véhicules particuliers. Ces alternatives sont les voies de solution que la communauté des ingénieurs automobiles imagine, à un moment donné, comme susceptibles d’apporter une réponse au problème posé.
La maîtrise des émissions de CO2 occasionnées par les véhicules particuliers apparaît comme la
question (Issue) à la racine des efforts de conception et d’innovation, présentés ci-dessous, elle est également à la racine de la procédure que nous avons décrite dans le paragraphe 6.2.5.2.1, Questions et alternatives).
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Chap 7 : Véhicules Hybrides Electriques 115
Les différentes alternatives envisagées pour tenter de maîtriser les émissions de CO2, sont récapitulées
dans le tableau ci-dessous. Ce tableau compare la quantité de CO2 émise par km parcouru en fonction de
la source d’énergie utilisée : hydrogène liquide produite par électrolyse (électricité d’origine thermique),
essence, gazole, ETBE37, Gaz de Pétrole Liquéfié (GPL), Gaz Naturel pour Véhicule (GNV),
Biocarburants (EMHV38), hydrogène comprimée produite par électrolyse (électricité d’origine nucléaire), électricité d’origine nucléaire.
Ce tableau illustre le peu de perspectives en matière de maîtrise des émissions de CO2 qu’offrent
certaines voies technologiques comme le GPL ou encore d’un biocarburant comme l’ETBE.
Il conditionne très nettement l’intérêt écologique de la pile à combustible ( FCV- Fuel Cell Vehicle-) au mode de production de l’hydrogène utilisé. Il laisse par contre ouvertes diverses alternatives comme certains biocarburants ou l’électricité (d’origine nucléaire).
Figure 7.1. Emissions de CO2 du puits à la roue.
Soulignons que l’analyse de ces alternatives, éminemment complexe, dépend largement de conditions socio-économiques mouvantes, évolutions géopolitiques, cours de pétrole dans les prochaines décennies mais également niveau et forme de la demande de mobilité, rythme de l’innovation technique, etc.
Il suffirait que des innovations majeures interviennent dans des domaines tels que la production d’énergie électrique et du stockage de cette énergie pour que la donne s’en trouve entièrement bouleversée. Mais quel pronostic pourrions-nous faire aujourd’hui à propos de telles innovations ?
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Ethyl-tertio-butyl-éther.
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116 Propositions pour la définition et la mise en place de processus d'ingénierie de systèmes
Dans ce paysage, le concept de véhicule hybride et de chaîne de traction hybride prend acte d’une part de l’efficacité des solutions conventionnelles en terme de performances et d’autonomie et d’autre part de la « propreté » des solutions électriques (ZEV39).
Il propose un mixte, une hybridation, de ces deux types de solutions de manière à mettre au point un véhicule qui ne retiendrait que les « bonnes propriétés » des deux lignées dont il hérite, à savoir un véhicule « propre » ([S[U]]LEV40) disposant des performances et de l’autonomie pour un coût de possession comparable à celui de ses parents. La technologie hybride ne se présente donc pas comme une technologie de « rupture » par rapport aux technologies thermiques conventionnelles comme pourrait, au contraire, se présenter, par exemple, les technologies de piles à combustible. Au contraire, la technologie hybride s’inscrit dans une continuité de ses deux lignées, celle des véhicules à traction thermique et celle des véhicules à traction électrique.
Figure 7.2. Propreté des véhicules selon le California Air Resources Board (CARB)
Ainsi un véhicule hybride peut être présenté soit comme (1) un véhicule électrique dont les performances et l’autonomie sont étendues (« range extender ») grâce à l’appoint d’une machine thermique, soit comme (2) un véhicule thermique dont la consommation et les émissions de CO2 sont
minimisées grâce à l’utilisation une machine électrique.
Si nous adoptons ce deuxième mode de présentation, nous pouvons partir de trois constats :
- Le fonctionnement des moteurs thermiques des véhicules thermiques est très largement sous optimal.
On peut représenter le domaine de fonctionnement d’un moteur thermique (diesel ou essence) dans un repère dont l’axe des abscisses porte la vitesse rotationnelle du vilebrequin ω (en tr/mn) et l’axe des ordonnées porte le couple moteur (en N.m). Chaque point de fonctionnement du moteur correspond alors à un couple (ω, C).
On peut définir, pour chaque point de fonctionnement du moteur thermique, la consommation spécifique, exprimé en g/kWh, et traduisant le rendement de la transformation thermique pour le point de fonctionnement considéré. La consommation spécifique peut être exprimée en quantité de carburant consommée ou en quantité de C02 émise. En effet, en supposant la combustion complète, la quantité de
CO2 dégagée par un moteur est donc proportionnelle à sa consommation du carburant qu'il utilise (http://www.ademe.fr/). Si on examine alors le domaine de fonctionnement d’un moteur thermique, on peut définir d’une part des courbes d’iso-consommation, c’est-à-dire des courbes définies par f(ω,C)=Cste
et d’autre part, une courbe de couple pour une consommation optimale Copt = f(ω), c’est-à-dire le lieu des
points de fonctionnement (ω,C) du moteur thermique pour lesquels le rendement est optimal quand ω varie dans son domaine de définition (généralement entre 1000 et 6000 tr/mn).
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Zero Emission Vehicle
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Figure 7.3. Cartographie moteur thermique et courbe de consommation optimale.
Si le fonctionnement d’un moteur thermique est asservi à cette courbe, dite de consommation optimale, par abus de langage, alors ce fonctionnement minimise à la fois la consommation de carburant et les émissions de CO2.
En pratique, le fonctionnement d’un moteur thermique d’un véhicule conventionnel est très éloigné de ce fonctionnement optimal comme le montre la figure ci-dessous sur laquelle ont été portés les points de fonctionnement d’un moteur thermique d’un véhicule conventionnel lors d’un parcours normalisé (cycle UF2).
Figure 7.4. Points de fonctionnement du moteur d’un véhicule thermique au cours d’un cycle UF2.
N’existerait-il pas un couplage judicieux du moteur thermique et d’une machine électrique qui permettrait de ne mettre en oeuvre le moteur thermique qu’au voisinage de sa courbe de consommation optimale ?
- Le moteur d’un véhicule à propulsion thermique tourne souvent alors que le véhicule est à l’arrêt notamment dans le trafic urbain et périurbain.
118 Propositions pour la définition et la mise en place de processus d'ingénierie de systèmes
Dans le trafic urbain et périurbain, les véhicules sont fréquemment à l’arrêt, notamment, aux feux de circulation ou dans les embouteillages. Dans ces situations, le moteur thermique, débrayé du reste de la chaîne de traction, tourne en pure perte (sauf si un compresseur de climatisation est enclenché) et de surcroix, dans des plages de fonctionnement sous optimales.
N’y aurait-il pas alors un avantage, dans ces situations, à couper le moteur thermique et à utiliser la machine électrique comme moteur de traction électrique ?
- Un véhicule à propulsion thermique se présente comme un accumulateur d’énergie cinétique, laquelle est dissipée pour rejoindre la position arrêt.
Cette énergie cinétique résulte de la conversion d’une énergie latente stockée dans un carburant fossile. Un accroissement de cette énergie cinétique nécessite une conversion supplémentaire d’énergie latente. En revanche, une diminution de cette énergie cinétique s’effectue dans la plupart des cas en procédant à un freinage dissipatif. Il s’agit donc d’un freinage en « pure perte ».
N’y aurait-il pas un parti à tirer de cette énergie en la récupérant, par exemple, dans une batterie grâce à une machine électrique fonctionnant comme générateur41 ?
Ces trois constats militent donc en faveur d’une hybridation des moteurs thermiques des voitures particulières polyvalentes de manière à améliorer sensiblement le rendement de ces machines dans les différents contextes d’utilisation dans lesquels elles peuvent être mise en œuvre et de ce fait de réduire en proportion les quantités de CO2.qu’ils sont amenés à émettre.