ELECTRIC, HYBRID, AND NON CONVENTIONAL PROPULSION SYSTEMS -

ELECTRIC, HYBRID, AND NON CONVENTIONAL PROPULSION SYSTEMS -

Introduction

Pierre DUYSINX

LTAS – Automotive Engineering University of Liege

Academic 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 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

2

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

4

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

6 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 a 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

8

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

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

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

10

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 connu une sévérisation importante

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

Cycles européens

Abaissement des émissions dans la CEE

12 Abaissement des émissions dans la CEE

Abaissement des émissions en Europe

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

14

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

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

16

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

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

„ Motorisations hybrides

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

18

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

Le choix du carburant

„ Valeur énergétique des carburants

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…

Améliorer l’efficacité de la motorisation

Une remarque préliminaire

s’impose!

20 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…

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 Övéhicule hybride

Source G. Coquery, INRETS

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

Réduire les émissions de CO ₂

„ 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

22

Réduire les émissions de CO ₂

Réduire les émissions de CO ₂

„ 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

Réduire les émissions de CO ₂

Réduire les émissions de CO ₂

24

Réduire les émissions de CO ₂

Réduire les émissions de CO

Réduction des émissions de CO₂en Belgique (source FEBIAC)

Améliorer les moteurs à combustion interne

Moteurs essence

„ Le 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 diesel

„ Réduction des pertes liées aux transferts de gaz et aux flux thermiques aux parois

26

Moteur à essence: Contrôle des émissions

„ Trois techniques:

„ Traitement du carburant

„ Amélioration du moteur

„ Post 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’échappement

„ Plomb utilisé pour augmenter le taux d’octane est remplacé du Methyl Tertiary Butyl Ether (MTBE), moins agressif pour l’environnement

„ Soufre: 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’échappement

„ Reste le moyen le plus efficace pour réduire le taux de polluants

„ Le pot catalytique est un dispositif habituel (obligatoire en EU et aux USA) pour réduire les polluants des gaz d’échappement

„ Le pot catalytique est composé de matériaux catalytiques (Pt, Rh) qui favorisent la réduction des CO, HC et NOx en composés peu agressifs:

„ 2 NO_x Æ N₂+ O₂

„ HC + O₂ Æ CO₂+ H₂O

„ 2 CO + O₂ Æ 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.

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 CO

:

„ Injection directe

„ Combustion stratifiée: gains de 10 à 15% sur le cycle NDEC

„ Approche de downsizing basée sur la suralimentation par turbocompresseur et réduction de la cylindrée avec maintien des performances

„ Nouveaux procédés de combustion CAI (Controlled Auto Ignition): gains de 10 à 15%

„ Système à distribution variable : gains entre 7 et 13%

28 Injection directe et combustion en mélange pauvre

Injection directe et combustion en mélange pauvre

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 variable

„ Compresseur

„ Turbocompresseur

„ 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

30 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’admission

„ Avantages:

„ Énergie du compresseur récupérée sur les gaz d’échappement donc amélioration du rendement

„ Peut augmenter fortement la puissance du moteur spécialement si on utilise un intercooler entre le compresseur et l’admission

„ Améliore le rendement à cause de la surpression à l’admission: travail positif d’admission

„ Désavantage:

„ Temps de réponse

„ Faible (voire aucune) amélioration à bas régime

Admission variable, Suralimentation et Turbocompresseurs

„ Augmentation de la température des gaz d’admission

„ Augmente le risque de cognement (autoallumage)

„ Augmente la formation de NOx

„ Remède: introduction d’un intercooler et d’un échangeur de chaleur

„ Refroidissement augmente le remplissage

„ Compression des gaz d’admission diminue le rapport de compression et le rendement global par rapport au moteur atmosphérique

Moteurs essence

32

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.

Moteurs diesel

„ Rendement 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 à respecter les futures normes d’émission de polluants

„ Catalyse à 3 voies impossibles à cause de l’excès d’air

„ Traitement des NOx impossible par l’optimisation de la combustion

„ Post traitement des particules matérielles

Moteurs diesel

34

Moteurs diesel

„ Voies d’amélioration:

„ Systèmes d’injection:

„ nombre d’injections par cycle: 5 à 7

„ Optimisation chambre de combustion

„ Systèmes de post-traitement

„ réduction des NOx par réduction catalytique sélective ou pièges à NOx

„ filtre à particules

„ filtre à régénération continue

„ catalyse 4 voies

„ Nouveaux procédés de combustion

„ homogénéisation 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 General Motors, 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.

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'EGR par 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

36

Moteurs diesel

Motorisations alternatives

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, méthanol

„ biodiesel

„ Moteurs électriques

„ Motorisations hybrides

„ Piles à combustible

Nouveaux Systèmes de Propulsion

„ Les NOUVEAUX SYSTÈMES DE PROPULSIONsont 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% CO₂de gain

„ Hybridation complète: 45% CO₂de 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 (C_x, surface frontale)

„ CARBURANTSavec moins de carbone

38

Les autres carburants

Moteurs dédiés au gaz naturel

„ Le gaz naturel est un bon candidat pour diminuer les émissions de CO₂

„ grandes réserves de gaz naturel

„ émissions faibles (faible rapport de carbone)

„ indice d’octane élevé (130)

„ downsizing possible

„ Le rendement du moteur pourrait réduire les émissions de CO₂ de 5 à 10% par rapport au moteur diesel

„ Son utilisation dans un véhicule hybride serait encore plus avantageuse

„ La communauté européenne souhaite une substitution progressive des carburants traditionnels par du gaz naturels:

2% en 2010, 5% en 2015 et 10% en 2020

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

Moteur à CI + hydrogène ou gaz naturel

40

Véhicules électriques

Voiture électrique

„

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)

Bolloré BlueCar

Voiture électrique

„ Moteurs DC + hacheur

„ balais ou aimant permanent

„ Moteurs AC + onduleur

„ Moteurs synchrones à aimants permanents ou Moteurs à réluctance commutée

„ Moteurs asynchrones

„ Avec la voiture électrique, la propulsion se transforme en système mécatronique complexe!

„ Batteries:

„ Acide – Plomb

„ Ni-Cd

„ Ni-MH

„ Zebra

„ Li-ions

„ Supercapacités

Voiture électrique

Acide-Pb Ni-MH Zebra Li Supercap Energie spécifique utilisable W.h/kg 15-20 60-70 90-100 110-130 3-5 Puissance spécifique W/kg 100-250 100-250 140-180 300-1000 ≅1000

Rendement charge-décharge % 60 80 85 85 95

Durée de vie estimée cycles 600 1200 1200 1200 1000000

Acide-Pb Li-ions Essence Diesel

Energie spécifique (W.h/kg) 17 110 12000 12000

Consommation du véhicule 25kW.h/100km 25kW.h/100km 8l/100km 6l/100km

Autonomie (km pour 100 kg) 11 73 1667 2008

„ Problème principal = le batteries!

42

Véhicules électriques

Véhicules hybrides

Véhicules hybrides électriques

„ Combinent deux sources d’énergiesi.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…)

Véhicules hybrides électriques

Ford Escape Toyota Prius II

44

Véhicules hybrides électriques

Véhicules hybrides électriques

Véhicule hybride parallèle Véhicule hybride série

Véhicules hybrides électriques

Réduction de consommation possible pour un véhicule de 1300 kg

Véhicules hybrides série

„ Taux d’hybridation (%) : Τ_s = P_APU / P_e,

„ P_APU : puis. max source primaire (moteur à piston)

„ P_e: puis. max moteur électrique

„ ZEV (km)possible sur de courte distance

„ Charge des batteries

„ Freinage régénératif (machine électrique Ö génératrice)

„ Si utilisation de la génératrice seulement : charge sustaining

„ Si recharge possible avec le réseau électrique aussi : charge depleting / plug in

Engine

Battery Generator

M/G

Wheels Node

Chemical

Electrical

Mechanical

46

Véhicules hybrides parallèle

„ Taux d’hybridation (%) : Τ_p= P_e/ (P_e+ P_t),

„ P_t : puis. max moteur

„ P_e: puis. max mot. électrique

„ Micro < mild < full

„ Mode ZEV (km)est possible en zone urbaine

„ Pour rencontrer les pics de puissance, l’opération simultanée des 2 moteurs est possible (mode parallèle)

„ Transition entre modes et gestion de l’énergie complexes

„ Charge sustaining / depleting

Differential Tank

Engine

Wheels Chemical

Electrical

Mechanical

Gear change

M/G Battery

Node

VW Lupo hybride Green Propulsion 60 g CO2/km

Véhicules hybrides « doux »

„ Architecture « douce »

„ Petites machines électriques (~10 kW)

„ Fonction Stop & start

„ Faible capacité de freinage régénératif

„ Assistance pour la source principale

„ Replace le volant d’inertie moteur, le démarreur et l’alternateur

„ PAS de mode électrique pur significatif

Transmission

Mechanical Node

Tank

Wheels

Engine Chemical

Electrical M/G

Battery

Honda Insight

Véhicules hybrides complexes

„ Versus hybrides série

„ Plus petit moteur électrique et génératrice

„ Meilleure rendement de transmission

„ Versus hybrides parallèles

„ Contrôle de la vitesse de rotation du moteur

„ Transitions plus douces entre modes

„ Versus autres combinaisons

„ Train planétaire requis

„ Pas de verrouillage possible entre le moteur et les roues àforte charge (autoroute par ex.)

Toyota Prius II

Véhicules hybrides hydrauliques

„ Autre stockage énergie:

hydraulique

„ Faible énergie spécifique:

„ hybride doux

„ assistance

„ Forte densitéde puissance

„ Adaptéaux véhicules lourds

„ Aux véhicules urbains avec arrêts fréquents et accélérations intensives

„ Nouveaux développements de moteurs pompes, d’accumulateurs hydrauliques peu coûteux

48

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 majoritédans sa meilleure plage de rendementet de moindres émissions

-150 -100 -50 0 50 100 150

0 200 400 600 800 1000

Temps [s]

Puissance Machine électrique [kW]

Piles à combustibles

Véhicules à pile à combustible

„ Les 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 CO₂modeste 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 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

50

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 modérée

„ Fonctionnement silencieux

„ Rendement théorique élevé dans un large plage de fonctionnement

„ Inconvénients:

„ Coût des électrodes

„ Pureté 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)

Pile à combustible?

Rendement d’un pile H₂/O₂comparé au rendement de Carnot (Tu=300K) d’une machine thermique

Pile à combustible?

Caractéristique d’une cellule élémentaire

52

Pile à combustible?

„

Rendement global de la pile

„

Exemple H

/O

à 80°C, pile PEMFC avec tension de 0,7V pour 350 mA/cm²

„ rendement théorique « réversible »: 0,936

„ rendement électrique: 0,60

„ rendement faradique: 1

„ rendement matière: 0,9

„ rendement système: 0,8

„ Total: 40,4%

s m f u rev

pile

η η η η η

η =

Pile à combustible?

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

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

„ 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 CO₂sur le cycle de vie.

54

PRODUCTION DE L’HYDROGENE

„ Électrolyse de l’eau

„ Dépend des émissions moyennes de la production d’électricité

„ Faible efficacité globale (<60%)

„ Offre l’avantage de pouvoir stocker de manière massive de l’énergie électrique et de niveler les fluctuations

„ Reformage d’hydrocaboneà partir de gaz naturel ou de pétrole

„ Production de CO₂quand même et utilisation de carburant fossile

„ Emissions en amont

„ Semble le plus intéressant aujourd’hui

„ Récupération d’hydrogène « perdu » dans des processus

„ Polygénération

„ Production de chaleur, d’énergie et de fuel dans des grosses installations avec éventuellement capture du CO₂et des polluants

Société de l’hydrogène et de l’électricité

Véhicules à pile à combustible

Véhicules à pile à combustible

Programme CUTE: clean

Urban Transport

56

Prédiction du futur

Échéances prévisibles pour l’application

des nouvelles technologies

Échéances prévisibles pour l’application des nouvelles technologies

Chang & Chau:

Développement des tendances en EV et HEV

Evolution du marché de l’alternatif

58

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 motorisation

„ Émissions du puit à la roue(Well to wheel emissions) du carburant

„ Émissions au pot d’échappement

„ Préparation du fuel ou de l’énergie

„ Extraction du carburant primaire

„ Recyclage du véhicule

„

Les résultats sont parfois surprenants et sont parfois

contraires aux idées reçues!

Etude du cycle de vie: électricité

„

Émissions de la production d’électricité :

„

Renouvelable + mix traditionnel

„

Variable selon

„ le moment de la journée (jour / nuit)

„ le lieu

„ mix suédois: 19 g CO₂/kW.h

„ mix grec: 1111 g CO₂/kW.h

„

Libéralisation du marché

„ Électricité produite où?

„

Émissions en amont de la centrale?

Etude du cycle de vie: hydrogène

„

Émissions pour la production d’hydrogène

„

Expérience de laboratoire ou production industrielle

„

Électrolyse de l’eau

„ voir production d’électricité

„ faible efficacité globale (<60%)

„

Reformage d’hydrocabone à partir de gaz naturel ou de pétrole

„ production de CO₂quand même

„ émissions en amont

60

Etude du cycle de vie: exemple

0 25 50 75 100 125 150 175 200 225

1.2 gasoline 1.5 Dci diesel

1.2 LPG Hybrid,

plug-i n

Hybrid, sus taining

Fuel cell , plug-in

Total CO2 emissions (g/km)

Energ prod.

Vehicle use Prod./recycling

Renault Kangoo Hybrid Green Propulsion

Conclusions

Conclusions

„ L’automobile

„ fait partie de notre vie

„ doit faire face à des défis majeurs à l’aube du 21^èmesiècle

„ 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.

Conclusions

„ Wallonie: terre d’innovation automobile

„ En 1899, le vervietois Camille Jenatzy est le premier à passer les 100 km/h avec une voiture électrique

„ En 1899 Henri Pieper crée les automobiles pétroléo électriques premières voitures combinant une motorisation thermique avec un moteur électrique.

62

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