Objet du cours

MASTER COMPLEMENTAIRE EN GESTION DES TRANSPORTS

MODULE Transport et Technologies

Pierre DUYSINX Université de Liège

Année Académique 2010-2011

Objet du cours

„

Comprendre, analyser et concevoir les systèmes de propulsion des véhicules

„ = comprendre les différentes motorisations possibles (thermiques, électriques, électrochimiques, etc.)

„ = choisir au mieux les systèmes de propulsion en fonction des contraintes techniques, économiques et

environnementales

„ = comprendre l’évolution des technologies futures afin de les intégrer au mieux dans les choix

„ = pouvoir combiner et utiliser au mieux les différents systèmes de propulsion dans la gestion des flottes

Plan du cours

„

Technologies des véhicules routiers y compris propulsion propre: Prof. P. Duysinx (15 heures)

„

Technologies du transport par rail: M. D. Dumont (15 heures)

„

Technologies du transport aérien: Prof. P. Hendrick (9 heures)

„

Systèmes de transports intelligents: M. Y. Loyaerts (6 heures)

Plan du cours

„

Introduction (4/2)

„ Défis environnementaux du 21^èmesiècle

„

Technologies et performances des véhicules routiers (4 & 8 /2)

„ Architecture des véhicules

„ Technologies des chaînes de traction

„ Forces aux roues

„ Forces de résistance à l’avancement

„ Critères de performance: pentes et vitesses maximales, accélération, reprise

„ Consommation et émission

Plan du cours

„ Moteurs thermiques à piston (8 & 15 /2)

„ Principes fondamentaux et technologies

„ Variables opérationnelles

„ Relations entre performances et variables opérationnelles

„ Contrôle des émissions

„ Évolution future des moteurs thermiques

„ Carburants alternatifs: CH4, H2, biocarburant

Plan du cours

„

Motorisations électriques, hybrides et piles à combustible (22/2 & 1/3)

„ Chaîne de traction électrique

„ Moteurs électriques: types et caractéristiques

„ Systèmes de stockage: batteries et supercapacités

„ Véhicules hybrides

„ Piles à combustible

Examens et évaluation

„

Examen écrit pour le module A6

„

Définitions

„ Réponse = +/- 5 lignes

„

Questions à réponse ouverte courte

„ Réponse = +/-10 lignes

„

4 questions ouvertes

„ Réponse = +/- 1 page

INTRODUCTION

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 de 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

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

Contexte : croissance du parc automobile

Vers le milliard de véhicule en circulation dans le monde…

Croissance et domination de la route

Contexte : croissance du parc automobile

Evolution du parc automobile en Belgique (source FEBIAC)

Contexte : croissance du parc automobile

Evolution du kilométrage moyen en Belgique (source FEBIAC)

Contexte: émissions de carbone

Emissions de co

et réchauffement global

„ Accroissement des émissions de CO₂

„ Menace d’un réchauffement global

„ Protocole de Kyoto pour réduire les émissions de CO₂

Contexte: diminution des réserves de combustibles fossiles

Déplétion des ressources de pétrole

„ Ressources en pétrole ~ 35 à 40 ans

„ Réserves 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

Croissance et domination de la route

„

Conséquences:

„

Congestion

„ des réseaux transeuropéens

„

Pollution

„ 84% des émissions de CO₂du transport

„

Sécurité d’approvisionnement

„ Transport dépend à 98% du pétrole importé à 70%

„

Insécurité routière

„ 41000 morts sur les routes de la CE

Insécurité routière

„

Les chiffres:

„ 41.000 par an sur les routes de la CE

„ Coût total des accidents: 2% du PIB

„ Dépense de prévention et d ’indemnisation < 5% de ce coût

„

Objectif: diminuer par 2 le nombre de tués

„

Comment?

„ Harmoniser les sanctions

„ Promouvoir les nouvelles technologies

„ Boîtes noires et limiteurs de vitesse

„ Véhicules plus sûrs

„ Accord volontaire sur les faces avant

„ Gestion de la vitesse

Les émissions et la pollution

„

Propositions de Commission Européenne

„ Réduction des polluants et des émissions(normes Euro IV et Euro V)

„ Diversification des sources d’énergie

„ Rationalisation du transport urbain

„ Développer les recherches sur les technologies propres (Green Car Initiative)

„ Promouvoir les bonnes pratiques

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 FP7 (Green Car Initiative)

„ Promouvoir les bonnes pratiques:

„ Villes pionnières, recours accrus aux véhicules propres et aux transports en commun

ENJEUX

ENVIRONNEMENTAUX

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

Réduire la pollution locale

Réduire la pollution locale

„ C’est pourquoi la réglementation anti- pollution européenne se base sur des cycles de conduite urbaine et

périurbainepour 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 connus une sévérisation importante

„ Les limites d’émission ont été diminuées d’un facteur 10 à 100!

Abaissement des émissions dans la CEE

Abaissement des émissions en Europe

Réduire la pollution locale

„

Progrès technologiques:

„ Systèmes de post-traitement catalytiques des polluants.

Catalyse dite 3 voies permet la réduction simultanée du CO, NOx et HC avec 99% d’efficacité

„ 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

„ Amélioration de la qualité des carburants: teneur en benzène, composés aromatiques, en soufre

Réduire la pollution locale

Réduction des émissions en Belgique (source FEBIAC)

Réduire la pollution locale

Réduction des émissions en Belgique (source FEBIAC)

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 CO₂ne 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

Réduire la pollution locale

Réduire les émissions de CO ₂

„ 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 CO₂de 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 CO ₂

Réduire les émissions de CO ₂

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

Réduire les émissions de CO ₂

„

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 consommationdes véhicules

„ Amélioration des moteurs à combustion interne

„ Motorisations alternatives: électriques, pneumatiques…

„ Motorisations hybrides

„ Autres principes de conversion de l’énergie chimique: la pile à combustible

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 (

):

„ Objectif pour 2020: 20% du marché

„ Bio carburants: 6% en 2010

„ Suppression des taxes sur l’hydrogène

Moteur à CI + hydrogène ou gaz naturel

„ Conversion assez peu onéreuse des moteurs à piston

„ Questions principales

„ Réseau de distribution de l’hydrogène

„ Temps de remplissage

„ Stockage du H₂à bord

„ Compressé @ 800 bars

„ Liquéfié @ -253°C

„ Adsortion (nanotubes de carbone…)

„ Production H₂à bord?

„ ÖRéduction de l’autonomie!

„ ÖBilan énergétique global?

Hydrogen-powered MINI concept (BMW group)

Bus roulant au gaz naturel

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 est lié aux batteries

Bolloré BlueCar

Réduire les émissions de CO ₂

Couper le moteur à l’arrêt

Récupération d’énergie au freinage Réduction de masse, du S Cx, de la résistance des pneumatiques…

Carburants avec moins de carbone

Réduire les émissions de CO ₂

Technologies pour réduire les émissions de CO

„ Améliorer le rendement du moteur thermique

„ Suralimentation / turbochargeur

„ Injection directe (+15% de rendement)

Î Diésélisation importante des véhicules neufs (environ 45% en Europe)

„ Downsizing:augmentation du couple spécifique: réduction de la cylindre à performances égales

„ Réduire les frottements internes

Technologies pour réduire les émissions de CO

„ Autres technologies en cours de développement pour

l’amélioration des moteurs à essence

„ Combustion stratifiée en mélange pauvre

„ Régulation variable de l’ouverture des soupapes (Valve regulated)

„ Taux de compression variable

Technologies pour réduire les émissions de CO

„ Technologies à l’étude

„ Diesotto: l’ignition de la charge (essence) peut être pratiqué par compression (MERCEDES)

„ HCCI: allumage spontané dans la masse réalisé par une recirculation d’une partie des gaz brûlé

„ Potentiel réduction de la consommation par 15 % en essence / 28% en Diesel et des émissions de NOx jusque 200 % en Diesel

Vers l’hybridation

„ Problème du fonctionnement des systèmes de propulsion: la très grande variabilité des régimes defonctionnement

„ Objectif: dimensionner à la puissance moyenne!

„ Moyen: stocker l’énergie Övéhicule hybride

Source G. Coquery, INRETS

Vers l’hybridation

„ Hybridation:

„ Combiner les motorisations thermiques et électriques pour mettre en avant leur avantage et masquer les inconvénients

„ Utiliser un stockagede l’énergie pour diminuer l’effet des fluctuations

„ Amélioration de l’efficacité :

„ Downsizing moteur

„ Moteur thermique fonctionne dans des conditions optimales

„ Nivellement des pics de puissance

„ Récupération d’énergie au freinage

„ Mode zéro émission possible

Vers l’hybridation

„ Différents niveaux d’hybridation:

„ Arrêt du moteur lors de l’arrêt du véhicule (Start

& Stop)

„ Assistance du moteur par un moteur électrique (Integrated Motor Assist)

„ Ex Honda Insight

„ Hybridation complète

„ Ex Toyota Prius

Vers l’hybridation

„ Différents scénarios de recharge des batteries

„ Charge sustaining

„ Charge depleting

„ Plug in

Véhicules électriques et hybrides

„

Estimation des gains de l’hybridation:

„ Arrêter le moteur si à l’arrêt: 8% gain de CO₂

„ Récupération d’énergie au freinage : 13% de CO₂

„ Downsizing du moteur : 30% CO₂de gain

„ Hybridation complète: 45% CO₂de gain

Technologies pour réduire les émissions de CO

„

Autres actions possibles pour réduire la consommation:

„ Réduire la 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

„ Réduire la traînée aérodynamique: Cx et surface frontale

„ Améliorer les pneumatiques

„ Faire évoluer la transmission

„ Maîtrise de la consommation des accessoires: Air conditionné, systèmes électriques (GPS, etc.)

„ Système de navigation optimisé et intelligent

Véhicule à pile à combustible

„ Système de conversion directede 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

Véhicules à pile à combustible

„ Pas de rejet sauf H₂O Öpur ZEV

„ Opération quasi silencieuse

„ Configuration généralement hybride série

„ Batterie de stockage ou supercapacité

„ Récupération d’énergie au freinage

„ Downsizing de la pile

„ H₂ou double énergie (réseau + H₂)

„ H₂production et distribution ?

„ H₂stockage Ö autonomie

Battery

M/G Fuel cells

Wheels Node

Tank

Chemical

Electrical

Mechanical

Toyota FCH4

Evolution du marché de l’alternatif

Evolution du marché de l’alternatif

Échéances prévisibles pour l’application des nouvelles technologies

Chang & Chau:

Développement des tendances en EV et HEV