lundi 24 décembre 2012

Norme RT 2012: Quand la politique prime la logique!



La norme RT 2012 définit l’énergie maximum annuelle nécessaire au chauffage d’un logement.  Elle impose que, pour les permis de construire postérieurs au du 1er janvier 2013, l’énergie annuelle de chauffage n’excède par 50 kWh par m² et par an. Cette norme, qui doit s’appliquer jusqu’au 1er janvier 2020, est très ambitieuse. Elle signifie que l’on devra pouvoir chauffer un logement de 100 m² pendant une année avec 5 MWH thermiques, équivalents environ à 0,1 litres de gazole par heure, ou la même masse de gaz, ou encore à une puissance électrique moyenne de  1 KW, pendant une période de chauffe de 7 mois.
  

Cette définition comporte, notamment sur le site du ministère repris ci-dessous, une importante distinction : La norme s’entend en énergie primaire (Fioul, GPL, gaz naturel, bois). Si l’on recourt à une énergie finale telle que l’électricité, alors l’énergie maximum utilisée devra être divisée par 2,58, au motif allégué que la production de 1 KWh de cette énergie finale nécessiterait 2,58 KWh d’énergie primaire. Ce coefficient est toutefois qualifié de « conventionnel », ce qui cherche à éliminer les contestations de sa valeur.


Ce coefficient aboutira à une quasi-interdiction du chauffage électrique qui serait ainsi limité à une puissance électrique moyenne de 390 W, insignifiante. Mais d’où sort de 2,58 ? Une convention n’est pas une justification !

Si l’électricité était fabriquée exclusivement à partir de centrales thermiques conventionnelles (charbon/vapeur, fioul/vapeur ou turbine à gaz) le coefficient résulterait en effet d’un rendement de conversion de 1 /2,58 = 39 % qui est plausible pour le charbon et le fioul, mais pessimiste pour le gaz à cycle combiné. On peut donc penser que le normalisateur s’est placé dans cette hypothèse, qui correspond  à des émissions de 250 à 280 kg de CO2 par MWH électrique.
  • L’ennui est que cette hypothèse est archi-fausse. ERDF publie chaque année la teneur moyenne en CO2 de l’énergie distribuée, qui ressort pour 2011 à 72 kg de CO2 par MWH électrique. D’où vient cette différence ? Tout simplement du fait que la production 2011 a été assurée à 89 % par des filière non émettrices de CO2 : nucléaire (76%), hydraulique (9% particulièrement basse pour cause de sécheresse), renouvelables (4%), ne laissant que 11% à la production à partir d’énergie primaire fossile. Selon cette approche, à émissions de CO2 constantes, l’énergie électrique devrait être affectée d’un coefficient 0,27 ! 
  • Une autre approche est de considérer que le chauffage ne sera utilisé que par grands froids, ce qui est partiellement vrai, et qu’il y a donc lieu de considérer les émissions de CO2, non pas en moyenne sur l’année, mais au cours des pointes. Acceptons ce raisonnement assez orienté, et calculons ses conséquences. Au cours des pointes (les 500 heures les plus hautes dans l’année) la part d'énergie électrique produite à partir d’énergie primaire fossile monte à 17%, ce qui justifierait un coefficient  de 0,42. 
  • Une dernière approche, qui peut être qualifiée d’extrémiste, reposerait sur le raisonnement  marginal suivant s’ajoutant au précédent : l’équipement de nouveaux logements en chauffage électrique viendra augmenter le besoin en énergie électrique global. Comme l’hydraulique n’est pas extensible, qu’il n’est pas question (car ce serait politiquement incorrect) de développer le parc nucléaire, que l’éolien est faible et « fatal » (survenance aléatoire), et le solaire négligeable, ce supplément de puissance ne pourra venir que des centrales thermiques. Ce raisonnement est faux pour trois raisons :
    • Quand un parc de production hétérogène est utilisé pour plusieurs utilisations simultanées, rien ne permet d’affecter le moyen le moins bon à une utilisation plutôt qu’à une autre.
    • L’amélioration de l’efficacité énergétique du parc de logements et des moyens de chauffage compensera, et au-delà,  l’augmentation du parc de logements, d'autant que les nouveaux logements seront beaucoup moins consommateurs.
    • L’utilisation du chauffage dans un logement très bien isolé peut facilement être différé hors des pointes puisque la baisse des températures y est plus lente qu’ailleurs.
    • Calculons néanmoins quelles en seraient les conséquences, par curiosité. Les centrales thermiques actuellement crées (en suivant le raisonnement marginal abusif) sont généralement du type « CGCC » (Centrale à Gaz à Cycle Combiné), dont le rendement est particulièrement élevé, atteignant 58%. Le coefficient devrait être ici 1/58% = 1,72 et non pas 2,58.
Pourquoi 2,58, et non pas 0,27 ou 0,72 ? Il n’existe aucune raison logique d’ordre technique ou économique. Il existe en revanche une explication écolo-politique : si on bannit l’énergie nucléaire pour des raisons sectaires, alors il faut dissuader la consommation électrique à tout prix, encore plus pour de l’habitat écologique symbole d’avenir, et ce, même au prix d’une augmentation des émissions de CO2. Ce 2,58 n’est rien d’autre qu’une concession faite par les gouvernements successifs à la mouvance écolo-politique, notamment au cours du « Grenelle de l’environnement », aux antipodes d’une réflexion sensée sur l’avenir écologique et économique de mes petits-enfants et de toute leur génération.

« La démocratie est le pire moyen de gouvernement, à l’exclusion de tous les autres » (Sir Wiston Churchill).

mercredi 12 décembre 2012

Econokit: un nouvel économiseur de carburant


Au début de l’année 2012, TF1 nous a présenté l’invention du siècle : l’« économiseur de carburant FDME » (Fragmenteur De Molécules  Ecologique) selon lequel le passage du carburant dans un champ magnétique fragmente les molécules et améliore ainsi la combustion. Nous avons donné dans le message correspondant toutes les raisons que nous avons de ne pas en croire un mot de  cette double absurdité.

Nous assistons maintenant au lancement de l’Ekonokit qui reprend la très vieille idée du moteur à eau, sous la forme de réinjection dans l’admission, d’eau venant soit de la condensation de la vapeur d’eau de combustion (essence), soit d’un réservoir additionnel (diesel).
  

Le dossier de presse est très professionnel, très esthétique, et « vert » par surcroît. Dans sa présentation, la Société Econokit, dont le gérant est M. Stephen Mallet, informaticien d’origine, n’hésite pas à parler de « …l’énergie renouvelable inépuisable qu’est l’eau ». Baliverne, incompatible avec les lois de la thermodynamique !

Il ne fonctionnera pas plus que le FDME, pour les mêmes raisons :

Le rendement des moteurs thermiques est un problème clair pour les scientifiques et ingénieurs depuis que Sadi Carnot a énoncé en 1824 ce qui est devenu le 2ème principe de la thermodynamique, et que Rudolf Clausius à créé en 1865 le concept d’entropie. Presque tout était alors dit sur la théorie, il restait aux ingénieurs à améliorer les technologies.

Et elles l’ont été. Depuis 40 ans, la consommation des véhicules a été divisée par deux, grâce à des innovations technologiques visant à se rapprocher de l’optimum théorique : du barbotage au carburateur, à l’injection, puis au « common rail », de l’allumage conventionnel à l’allumage électronique basse tension, puis haute tension, puis cartographique, puis commande des moteurs par microprocesseur, amélioration des tubulures d’admission et d’échappement, les multisoupapes, l’optimisation des chambres de combustion, la réduction récente des cylindrées (« downsizing ») compensée par adjonction de turbocompresseurs. Cette évolution va continuer avec les hybrides et les boîtes automatiques sophistiquées qui optimisent le point de fonctionnement, les moteurs à cycle d’Atkinson, et demain les moteurs à taux de compression variable et la commande électronique des soupapes.

Ces progrès successifs, dont chacun n’amène que quelques % d’économie, reposent sur les efforts collectifs monstrueux, mais justifiés par l’enjeu : des milliers d’ingénieurs chez les constructeurs, les équipementiers (Bosch, Valeo, ...), des laboratoires universitaires ou privés (IFP) travaillent pendant des années avec des moyens considérables pour obtenir une petite amélioration. Et plus une technologie est mure, plus les progrès sont coûteux. Le grand public sous-estime considérablement le temps et le coût d’une toute petite amélioration.

Améliorer la combustion ? Le dossier de presse allègue une baisse de consommation « jusqu’à 27% selon… ». C’est donc que la combustion n’était pas bonne, et qu’il y aurait 27% d’imbrûlés ? Mais où sont-ils passés ? Les moteurs modernes n’émettent ni CO, ni carbone (essence), si ce n'est dans des proportions infinitésimales (diesel). Le tableau ci-dessous calcule la perte  énergétique (en KJ) due aux émissions indésirables au maximum de la norme en vigueur, émissions vérifiées au cours des contrôles techniques. On constate qu'elles n'excèdent pas 0,31% pour les moteurs diesel, et 0,69% pour les moteurs à essence. Prétendre réduire la consommation de 27% par réduction d'imbrûlés largement inférieurs à 1%, est tout simplement absurde!
Tableau établi par l’auteur d’après la norme Euro 5

Mais son dossier mérite d’être analysé de plus près, car il se targue de résultats validés par le Bureau Veritas, organisme certificateur au-dessus de tout soupçon. Surpris, nous sommes allés voir de plus près.

Le rapport d’essai du Bureau Veritas est très précis, mais il porte exclusivement sur la composition des gaz d’échappement qui peut être tenue pour exacte, mais qui n’apporte pas grand-chose dès lors que tous les paramètres expérimentaux sont sous la responsabilité d’Ubiquity qui a le même gérant que Econokit. Le Bureau Veritas donne des valeurs un peu plus favorables des imbrûlés de combustion avec l’Econokit, mais ne dit en aucun cas que les conditions expérimentales (vitesse de rotation, couple et puissance du moteur notamment) étaient les mêmes.  Il rappelle en page 6 que :
« La configuration du banc d’essai, le véhicule et le protocole opératoire sont de la responsabilité d’Ubiquity et n’ont pas fait l’objet de vérification du Bureau Veritas. »
« Conditions de mesure : la mesure du débit a été fournie par le client ».

En page 22, figurent des photos d’un afficheur mixte analogique / numérique issu du logiciel « auto-diag » sur PC, portant sur :
  • En analogique : les km/h véhicule et les RPM moteur, température et charge (non définie).
  • En numérique : Les consommations totale, instantanée aux 100 km et à l’heure, le parcours et son carburant consommé.



En recoupant ces affichages, on constate des anomalies :
  • Le calcul de la vitesse par le quotient de : « consommation à l’heure / consommation aux 100 km », ressort à 112 km/h avec Econokit, et 134 km/h avec, faisant penser à des conditions expérimentales biaisées, ou à des relevés en régime non stabilisé.
  • Les « charges » (non définies) sont de 74% sans, et 64% avec Econokit. S’il s’agit, comme probable, de valeurs instantanées, elles n’ont aucun sens.
  • Les consommations aux 100 km calculées comme le quotient de : « carburant consommé / longueur du parcours » ressortent dans les deux cas à la même valeur de 8,1 l/ km, ce qui est contradictoire.
On ignore tout des grandeurs mesurées, des méthodes de mesure et du traitement des données par l’afficheur pour toutes ces grandeurs hors de la certification du Bureau Veritas, si facile à paramétrer par le client comme bon lui semble…

Le Bureau Veritas ne confirme donc en rien les allégations de la Société Econokit…

Malgré cela, Econokit a publié une « Synthèse du rapport du Bureau Veritas » dans laquelle elle appuie ses allégations sur la garantie apportée par le Bureau Veritas, laquelle ne porte en réalité que sur une toute petite partie des essais, à savoir la seule composition des gaz à l’exclusion de tout les autres paramètres, moyens de mesure et traitements des données. C’est peu dire que ce document, un modèle d’amalgame, ne démontre rien.

Pas de test normalisé ?

La consommation d’un véhicule est définie par des tests normalisés effectués par l’UTAC,  dont les résultats sont publiés par les constructeurs. Ces tests sont sans doute critiquables, en ceci que l’utilisateur est toujours au dessus, car son propre cycle est plus sévère, son attention moindre, et son véhicule pas à l’optimum,  mais ces tests ont le mérite d’exister, et d’être reproductibles et comparables entre eux. On aurait aimé avoir les résultats d’un véhicule testé avec et sans l’Econokit. Ce n’est pas le cas. Est-ce parce que les tests n’ont pas été faits, ou parce que les résultats n’étaient pas différents, voire aggravés ? L’affirmation de baisse de consommation ne s’appuie à ce stade sur rien de sérieux.

Notons au passage que la base de départ, la Fiat Punto à 8,1  litres aux 100 km à 121 km/h apparaît anormalement élevée, même avec une côte simulée de 2%, sans que nous en connaissions la cause.

Malheureusement, il faut se rendre à l’évidence : l’Econokit  n’est qu’un nouveau placebo : ceux qui y croient ne jugeront pas utile de faire des mesures qui pourraient montrer qu’ils ont perdu 160 € (VL essence), ou 300 € (VL diesel) ou 500 €  (PL) dans l’achat d’un gadget inutile, et continueront donc à y croire : le « plein » est une unité si peu précise !

mercredi 5 décembre 2012

La transistion énergétique: Synoptique 2011

« Transition » (substantif féminin) : « passage d’un état à un autre ».

On ne peut donc pas débattre de cette « transition énergétique » sans avoir une connaissance claire de l’état de départ. La dernière situation énergétique connue est celle de l’année 2011, qui fait l’objet du présent message. Sa  mise en ligne est liée à la publication par l’INSEE et le SOeS des statistiques 2011, pas encore complètes après 11 mois!  Pourquoi ces services de l’Etat sont-ils aussi lents, alors que de très grands groupes internationaux sont capables d’établir leurs comptes consolidés en quelques jours à chaque fin de période ?

Synoptique global de l’énergie en France
Les tableaux de chiffres sont nécessaires à l’analyse, mais ils peinent à donner une vision globale propre à une bonne synthèse. Nous avons essayé d’y remédier par le synoptique ci-dessous qui montre les flux d’énergie :
  • partant des énergies primaires (en haut),
  • allant vers les utilisations (à gauche),
  • avec l’intervention de l’énergie électrique (en violet, du centre vers les utilisations),
  • sans oublier les énormes pertes de conversion des énergies primaires thermiques en énergies  finales mécaniques ou électriques (en beige, en bas).
Chaque flux annuel d’énergie est représenté avec une largeur proportionnelle à ce flux. Ils sont exprimés en TEP (Tonne Equivalent Pétrole), en noir, avec mention complémentaire de l’énergie électrique en MWH (Mega Watt Heure), en bleu,  sur la base  1 TEP = 11,63 MWH, en bleu, pour les énergies mécanique ou électrique. Pratiquement, on utilise  les multiples :
                MTEP = Million de TEP
                 TWH = Millions de MWH    
(Kilo = 103 = 1 000, Méga = 106 = 1 000 000, Giga = 109 = 1 000 000 000, Téra = 1012= 1 000 000 000 000)

Méthodologie

Les chiffres officiels INSEE et SOeS sont la meilleure source, et incontestables. Toutefois, ils mettent sur le même plan et additionnent:
  • des énergies primaires thermiques utilisées directement, comme le gaz et le fioul de chauffage
  • ou au contraire transformées en énergie mécanique ou électrique avec un rendement de l’ordre de 30% dû au 2ème principe de la thermodynamique, comme les carburants
  • et des énergies primaires mécaniques ou électriques, comme l’énergie hydraulique, éolienne  ou photovoltaïque.
Nous corrigeons ce défaut de principe de l’INSEE pour mettre en relief les énergies primaires et secondaires réellement utilisées ou fournies. Pratiquement, ces corrections se limitent à deux ajouts, mais  sont d’importance considérable :
  • L’énergie nucléaire primaire est évidemment la chaleur fournie par le réacteur, chaleur qui est ensuite utilisée par une turbine à vapeur conventionnelle pour entraîner un alternateur, alors que l’INSEE considère l’électricité nucléaire comme primaire. Il y a entre les deux un rendement conventionnel de 33% que nous prenons en compte. Ainsi cette chaleur d’origine nucléaire peut être valablement comparée avec la chaleur provenant des énergies fossiles, étant toutes réellement primaires.
  • Les carburants utilisés dans les transports n’ont pas d’autre objet que de fournir l’énergie mécanique nécessaire au mouvement du véhicule, qui est la véritable énergie finale, et non pas l’énergie thermique du carburant. Nous rétablissons celle-ci avec un rendement estimé de 25 à 30 % selon les moteurs utilisés.
Ces ajouts correspondent aux chiffres situés à l’extérieur du périmètre en pointillé mixte violet, alors que tous les chiffres à l’intérieur de ce périmètre sont strictement ceux de l’INSEE. On rétablit ainsi l’importance  relative des différents flux.


Regardant les énergies primaires (haut du tableau), on est frappé par la place prépondérante de deux poids lourds :
  • Les énergies fossiles (49,5%), presque entièrement importées, promises à une  raréfaction  rapide (pétrole 31,4%), assez rapide (gaz 14,3%) ou à moyen terme (charbon 3,8%), très émettrices de CO2, mais difficiles à remplacer en raison d’un rapport énergie/masse imbattable : plus de 10 KWH par Kg pour tous les hydrocarbures.
  • L’énergie thermique nucléaire (43%), entièrement destinée à être transformée en énergie électrique avec un médiocre rendement de 33%. L’utilisation de la chaleur, notamment issue de la source « froide », c'est-à-dire du condenseur, est techniquement possible, notamment pour du chauffage urbain, mais l’eau tiède ayant la fâcheuse propriété de se refroidir assez vite, cette utilisation nécessiterait de mettre le réacteur au cœur de la ville…
  • Les énergies renouvelables (7,5%) sont très diverses. Remarquons que les 3 principales (l’hydraulique, le bois de chauffage et les déchets urbains, soit les 3/4 du renouvelable) sont fort anciennes. L’éolien et le photovoltaïque dont on parle tant, souvent à tort et à travers, ne représentent que 7% du renouvelable, ou 0,5% du total primaire.
 Suivons ensuite les flux d’énergie électrique, en violet, sur la droite, du haut vers le bas, puis vers la gauche :


L'électricité est aux ¾ nucléaire, mais cette moyenne sur l’année cache une réalité plus complexe. Rappelons que la puissance installée du parc nucléaire est de 63 GW (soit environ 50 GW effectifs après taux de disponibilité d’environ 80%), alors que la puissance demandée par le réseau varie dans des proportions considérables, de 20 à plus de 100 GW. Les pointes extrêmes sont courtes. Ceci signifie qu’environ 60% du temps, la demande peut être satisfaite par le nucléaire seul, auquel s’ajoutent néanmoins un petit apport des énergies "fatales" (celles qu’on utilise parce qu’elles sont là : l’hydraulique de basse chute, l’éolien..).

Si la demande croît, on recourt à l’hydraulique de lac, et si c’est insuffisant, aux centrales thermiques. Ces dernières ont une capacité de production élevée, peuvent démarrer presque sans préavis, sont souples, mais produisent des KWH coûteux et chargés en CO2. Au-delà, on importe et on cherche à dissuader la consommation.

Examinons ensuite les utilisations, sur la gauche du tableau :


  • Les activités professionnelles représentent 26 % de la consommation, très répartie entres les différentes énergies possibles. On ne peut en tirer aucune conclusion globale à ce stade.
  • Le secteur résidentiel et tertiaire, autrement dit logements, bureaux, écoles, hôpitaux, administrations, atteignent 53 % de l’énergie consommée, qui se répartissent entre :
    • le chauffage qui atteint 44%, dont environ la moitié par gaz ou fuel, et un quart par électricité.
    • les consommateurs électriques spécifiques qui ne dépassent pas 9%.
    • C’est ici que l’on voit l’intérêt du chauffage par pompes à chaleur qui, selon leur technologie, permettent un chauffage égal à 2 à 3,5 fois la puissance électrique consommée
  • En dehors de la petite exception ferroviaire (moins de 1% des utilisations), les transports n’utilisent que du pétrole, et en quantités considérables : 46 MTEP, soit 56% de la consommation française. Comme indiqué plus haut, ce synoptique rajoute la conversion de ce pétrole (et des biocarburants pour un faible part) en énergie mécanique. Cette conversion est faite par des  moteurs thermiques dont le rendement effectif en situation n’excède pas environ 25% (essence) à 30% (diesel), chiffres plausibles ici pris par hypothèse, qui aboutissent à 14,1 MTEP Le rendement d’un turboréacteur, plus difficile à définir puisqu’il fournit une poussée statique et non une puissance, n’est pas meilleur pour les mêmes raisons. Tout le reste, soit environ 35 MTEP, est dissipé en chaleur perdue.
On ne peut pas raisonner correctement sur la problématique de l’énergie sans examiner ces pertes en elles-mêmes 

Elles sont monstrueusement élevées : 118 MTEP, soit 48% de la puissance primaire totale consommée en France. Qui sont les coupables ? Les moteurs, au sens large : moteurs de véhicules, turbines à gaz ou à vapeur qui transforment l'énergie thermique (d'origine chimique ou nucléaire) en énergie mécanique:
Mais ces moteurs ont deux avocats, ou plutôt deux physiciens qui en on fait la théorie:
  • Le français Sadi Carnot (1796-1832) a posé le 2ème principe de la thermodynamique selon lequel le rendement de conversion de l’énergie thermique en énergie mécanique ne peut pas dépasser  1 - T2 / T1, où T1 et T2 sont les températures initiale et finale du fluide thermodynamique, exprimées en ° Kelvin (= °C + 273).
  • Partant des travaux du précédent, l’allemand Rudolf Clausius (1822-1888) a généralisé cette théorie avec la fonction entropie : (E = ∫ dq / T). Nous y reviendrons dans un message ultérieur consacré aux fonctions thermodynamiques "enthalpie" et "entropie".
La pratique étant toujours moins favorable que la théorie, les rendements de conversion  des  moteurs thermiques à pistons sont de l’ordre de 35% (essence) à 40% (diesel) à leur point de fonctionnement idéal dont les conditions réelles sont assez éloignées, dans la pratique plutôt 25% à 30%. Les turbines à gaz et à vapeur ne font pas beaucoup mieux, et les turbines à vapeur des centrales nucléaire plutôt moins bien, en raison de leur source chaude dont la température est limitée par la présence d’un échangeur entre l’eau primaire (celle qui refroidit la cœur) et l’eau secondaire (dont la vapeur alimente la turbine). Seules les récentes turbines à cycle combiné (turbine à gaz suivie d’une turbine à vapeur) arrivent à dépasser largement les 50%. Véolia annonce 58%. Les progrès technologiques ont permis, et permettront encore, de grapiller quelques points, mais sans changer radicalement la face des choses.

Ces lois de la physique n’ont pas que des inconvénients : elles permettent aussi la pompe à chaleur, qui restitue 2 à 3 fois plus d’énergie thermique qu’elle ne consomme d’énergie mécanique. C’est un frigo à l’envers : on refroidit l’air ou le sol, voire l’eau d’un lac ou de la mer si on en a, et l’énergie thermique gratuite ainsi récupérée dans la nature vient s’additionner à l’énergie mécanique (d’origine électrique) consommée. Son classement en "énergie renouvelable" par l’INSEE est très discutable, dans la mesure où elle n’est en aucun cas autonome, mais toujours liée à une consommation d’énergie mécanique, donc pratiquement à un moteur électrique.

Il faut retenir de tout cela que :
  • Il y a des énergies nobles (mécanique et électrique), aisément convertibles l’une dans l’autre, avec un excellent rendement, ou en chaleur avec un rendement de 100%.
  • L’énergie thermique est d’autant moins noble, c'est-à-dire d’autant plus difficile à transformer en énergie mécanique, qu’elle est disponible à basse température : l’eau tiède, même en grande quantité, ne permet pas de faire de la vapeur à haute pression pour faire tourner des turbines. Pour être convertible, l’énergie calorifique doit être disponible à haute température, c'est-à-dire plusieurs fois supérieures à la température ambiante (~300°K) qui sera, par la force des choses, à peu près celle de la source froide.
  • C’est vrai à l’envers : le rendement (très supérieur à 100%) d’une pompe à chaleur utilisant de l’énergie mécanique sera d’autant meilleur que les températures T1 (fluide de chauffage)  et T2 (air ou sol) seront proches.
Il ne faut pas perdre de vue les autres pertes, même si elles sont minoritaires :
  • Les rendements de conversion : cokéfaction du charbon, distillation du pétrole, transformation  de tension électrique…
  • Les rendements de transport : énergie consommée, perte en lignes électrique…
Utilisations non énergétiques

Trop souvent oubliées, et constituées principalement de produits de distillation du pétrole, accessoirement de gaz naturel,  elles sont loin d’être négligeables, avec 12,5 MTEP, soit plus que la totalité du fuel de chauffage domestique. Mais, contrairement à ce dernier, ces utilisations sont très difficilement remplaçables, s’agissant ici d’une utilisation en tant que matière première d’un grand nombre de produits de synthèse résultant de la pétrochimie, notamment les plastiques, résines, lubrifiants…

vendredi 23 novembre 2012

Incidence de la boîte de vitesses sur le rendement du moteur



Nous partons d’un véhicule typique de la production actuelle :
  • Véhicule de 1400 kg en ordre de marche avec conducteur
  • Moteur diesel « common rail » 80 KW (109 cv) à 4000 t/min
  • Couple maxi 250 Nm de 2 000 à 2 600 t/min
  • Vitesse maxi 190 km/h
  • Boîte de vitesse conventionnelle ou pilotée 6 rapports
 Résumé
  • La consommation d’un véhicule est inversement proportionnelle au rendement du moteur thermique.
  • Ce rendement varie notablement selon son point de fonctionnement.
  • Il est optimum (~ 40 %) autour du mi-régime ET de 75 à 80% du couple maximum, mais descend à moins de 20% pour des couples bas, surtout à régime élevé.
  • En raison de rapports de boîte insuffisamment nombreux ou trop courts (pour des raisons commerciales d’agrément de conduite), les points de fonctionnement se situent le plus souvent en dessous de cet optimum, particulièrement pour couple trop bas (et donc régime trop élevé).
  • L’adjonction d’un 7ème rapport plus long améliorerait le rendement, mais nuirait à l’agrément de conduite, sauf si la boîte est pilotée automatiquement.
  • Un conducteur économe doit :
    • A vitesse constante, utiliser le rapport le plus long possible.
    • En accélération, accélérer franchement, mais brièvement, sans jamais dépasser 2 300 t/min, sauf sur le rapport le plus long.
    • Ne pas tenir compte de l’affichage du calculateur de consommation pendant l’accélération, car cet affichage intègre la création d’énergie cinétique qui n’est pas une consommation, mais qui sera réutilisée au ralentissement suivant si celui-ci est correctement anticipé.
  • A vitesse constante, la consommation ne baisse plus en dessous de 70 à 80km/h selon les véhicules, faute de pouvoir utilier le rapport le plus long.
  • Des calculateurs de consommation compensant la création d’énergie cinétique seraient plus pertinents sans être plus chers
  • La consommation la plus faible restera obtenue par une boîte avec un nombre de rapports élevé, pilotée par un système numérique apportant la combinaison optimum selon tous les paramètres impliqués.
Message détaillé

Pour analyser le problème, nous avons créé un diagramme Couple (0 à 250 Nm) vs. Vitesse de rotation (de 1 000 à 4 000 t/min) sur lequel nous avons superposé :
  • En mauve, en haut, la courbe de couple maximum du moteur, 
  • En vert, la courbe donnant, pour chaque vitesse de rotation, le couple correspondant au meilleur rendement du moteur. Attention, son maxi n’a pas de sens particulier : il dit que le rendement à 2 900 t/min est optimum pour un couple de 230 Nm, mais ceci n’est pas le rendement optimum du moteur qui est en réalité obtenu vers 2 000 t/min pour un couple d’environ 200 Nm. 
  • En bleu, le réseau des courbes iso-puissance dans le plan Couple vs. Vitesse. La puissance étant le produit du couple par la vitesse, chaque courbe (correspondant à une puissance donnée) est une hyperbole. Plutôt que de les paramétrer en % de la puissance maxi, par exemple de 10 % à 100 % par incrément de 10 %, nous les avons paramétrés selon la puissance nécessaire pour faire avancer le véhicule à vitesse constante sur sol plan, les courbes étant repérées de 20 km/h à 180 km/h par incrément de 20 km/h, avec rappel de la puissance, qui « parle » ainsi beaucoup mieux.
  • En rouge, le réseau des courbes iso-rapport de boîte. Pour chaque vitesse de rotation du moteur, le rapport de boîte détermine une vitesse du véhicule, qui correspond à une puissance requise par le véhicule. Leur croissance traduit la croissance de la force aérodynamique selon une loi en carré (parabole). Du côté des vitesses basses, la force de roulage (frottements) est prépondérante. 
  • En noir fin, le réseau des courbes d’iso-rendement du moteur. Elles sont purement expérimentales, et peuvent varier significativement d’un moteur à l’autre. Le moteur ci-dessous considéré est fictif, mais typique. On note que :
    • le rendement est maximum (supérieur à 40%) vers 200 Nm à 2 000 t/min, soit le mi-régime du moteur et 80% de son couple maximum,
    • et plus généralement autour de ce point, pour un couple de 175 à 225 Nm obtenu entre 1 500 et 2 500 t/min,
    • Les vitesses licites n’utilisent qu’une puissance (de l’ordre de 30 KW) très inférieure à la puissance maximum du moteur, qui ne se situe pas dans  la zone de meilleur rendement du moteur.
Courbe établie par l’auteur de www.8-e.fr

Il ne faudrait pas en déduire abusivement que la consommation se réduit quand la vitesse croît, du fait de l’amélioration du rendement. Aux vitesses élevées, les forces aérodynamiques, prépondérantes, croissent comme le carré de la vitesse, ce qui ne saurait être compensé par l’amélioration du rendement, et de loin.

Il reste néanmoins vrai que les vitesses basses ne permettant plus l’utilisation du rapport le plus long, c'est-à-dire dans cet exemple inférieures à 70 à 80 km/h, et ne débouchent que sur une économie insignifiante, voire nulle dès 70 km/h, et sur une légère aggravation en dessous. Les réductions de vitesse à moins de 80 km/h au titre de la pollution n’ont donc aucun sens.

Economie d’énergie à vitesse constante

On se place sur une des courbes bleues correspondant à la vitesse étudiée, par exemple 120 km/h.
Cette vitesse peut être obtenue sur trois rapports correspondants aux courbes rouges, qui déterminent trois points de fonctionnement :

Rapport de boîte
Couple en Nm
Vitesse rot. en t/min
Puissance mécaniq. KW
Rendement %
Puissance primaire KW
Puis. primaire en l/100 km
4
70
3 420
25
27,5 %
90,9
8,6
5
84
2 830
25
34,2 %
73,1
6,9
6
104
2 300
25
38,7 %
64,6
6,1
(7)
132
1 810
25
41,5 %
60,3
5,7

On constate que :
  • Pour une même puissance mécanique (secondaire), la puissance primaire consommée (débit de carburant) varie beaucoup : en 4ème, elle est de 41% plus élevé qu’en 6ème, et de 52% que dans un hypothétique 7ème.
  • Il y a un très grand intérêt à utiliser la 6ème.
  • De manière plus générale, les boîtes de vitesse sont trop courtes pour utiliser la zone de meilleur rendement. Un 7ème rapport serait pleinement justifié en termes de rendement. Son absence s’explique par plusieurs raisons :
    • Sa plage d’utilisation étroite, limitée :
      • vers le haut par le couple maximum (250 Nm) qui ne permet pas d’en obtenir la vitesse maximum,
      • et vers le bas par le rapport trop long qui interdit son utilisation en dessous de 90 km/h.
    • Son rapport très long qui donne au conducteur l’impression désagréable d’un véhicule peu puissant, presque incapable d’accélérer
    • Le maniement des boîtes de vitesses à rapport nombreux, à partir de 5 à 6, est très loin de l’optimum pour la majorité des conducteurs. 7 rapports deviennent difficiles à gérer, même pour un conducteur averti.
  • En revanche, un 7ème rapport est utilisé sur la boîte à deux embrayages, pilotée automatiquement, la DSG7 de Volkswagen.
La conclusion pratique est que, une fois la vitesse souhaitée atteinte, le conducteur doit utiliser le rapport le plus élevé possible.

Optimisation énergétique de l’accélération

Beaucoup de véhicules sont désormais équipés de calculateurs de consommation qui donnent en temps réel la consommation en litres/100 km, c'est-à-dire la puissance primaire fournie au moteur sous forme de carburant. On a évidemment, en unités homogènes :
          Puissance mécanique (KW) = Puissance primaire (KW) x Rendement moteur (%).

Le calculateur réalise à chaque instant la division du débit de carburant par la vitesse du véhicule.
Dans la pratique, le conducteur économe, un œil sur son calculateur, accélère très peu, ce qui réduit le débit de carburant affiché. Celui-ci donne la consommation calculée comme suit :
En unités MKSA :
            Consommation (cm3/m) = Débit de carburant (cm3/sec)  / Vitesse (m/sec)
En unités pratiques :
           Consommation (l/100 km) = Débit de carburant (cm3/sec)  x 360 / Vitesse (km/h)

Son comportement est pertinent à vitesse constante. Mais il ne l’est en phase d’accélération, car l’essentiel de l’énergie primaire sert à accélérer le véhicule, c'est-à-dire à augmenter son énergie cinétique. Loin d’être perdue, celle-ci sera largement récupérée au ralentissement si le conducteur sait l’anticiper et ne pas utiliser ses freins.

Pendant la phase d’accélération partant de zéro :
  • La force aérodynamique à vaincre est négligeable jusqu’à 50km/h et faible jusqu’à 80 km/h.
  • La force de roulage (frottements, notamment de déformation des pneumatiques) reste toujours faible.
  • L’essentiel de l’énergie mécanique est donc utilisée pour faire accélérer le véhicule.
  • Aux vitesses intermédiaires, le conducteur a un large choix entre plusieurs rapports. Ainsi à 60 km/h, tous les rapports sont possibles entre le 2nd à 3 300 t/min et le 6ème à 1 150 t/min.
  • Il a aussi le choix d’accélérer peu ou beaucoup.
Souvent, par peur de la consommation liée à la pression sur l’accélérateur, le conducteur monte en régime avant de changer de rapport. La vitesse augmente lentement jusqu’à la vitesse voulue, et son calculateur n’affiche que des valeurs raisonnables. Il croit avoir bien fait, mais hélas, il a tout faux !

Le retour sur le réseau ci-dessus montre que pour accélérer dans les meilleures conditions, il faut utiliser le moteur dans sa zone de meilleur rendement, c'est-à-dire aux alentours de 2 000 t/min et de 200 Nm. Avec le véhicule exemple, l’accélération doit avoir le profil ci-dessous :

     Courbe établie par l’auteur de www.8-e.fr

Les 6 rapports sont utilisés successivement sous un couple assez élevé (80% du maximum), donc avec une pédale d’accélérateur assez enfoncée, mais sur une plage de régime très courte et assez basse, depuis environ 1 600 ou 1 800 jusqu’à  2 400 ou 2 200 t/min. Le 6ème rapport est utilisé dès 92 km/h.

Le graphe ci-dessous donne, pour la même accélération, les courbes des puissances consacrées :
  • à l’accélération, en vert, qui décroît quand la part consacrée à l’aérodynamique croît,
  • au roulage, en bleu, proportionnelle à la vitesse (force constante)
  • aux forces aérodynamiques, en rouge, suivant une loi en cube de la vitesse
    Courbe établie par l’auteur de www.8-e.fr

Une autre représentation de cette accélération figure ci-dessous, avec changement de l’axe des abscisses, où la vitesse a été remplacée par le temps, avec les mêmes fonctions et codes couleurs :

    Courbe établie par l’auteur de www.8-e.fr

On y observe d’abord que les temps sur les rapports intermédiaires sont très brefs, de à peine plus de 1 seconde sur le 2ème, à 4 secondes sur le 5ème. Le 6ème est utilisé 15 secondes après le départ.

Mais surtout, sur ce graphique, l’aire comprise entre chaque courbe et l’axe des abscisses est proportionnelle à l’énergie mécanique fournie par le moteur. On y voit que jusqu’à 34 secondes correspondant à 120 km/h, l’énergie consacrée à l’accélération (sous la courbe verte) , c’est à dire transformée en énergie cinétique du véhicule, est prépondérante.

Ceci confirme qu’il est essentiel, pour économiser le carburant, de fabriquer cette énergie cinétique en utilisant la plage de meilleur rendement du moteur, c'est-à-dire une accélération franche, mais brève en limitant le régime maximum vers 2 200 t/min. 
Ceci est vrai quelles que soient les conditions de décélération ultérieures, puisque le parcours à vitesse donnée nécessite la création de l'énergie cinétique correspondante. En revanche, cette vitesse "donnée" doit être réduite si la décélération est proche, pour éviter la création d'une énergie cinétique non justifiée par la longueur du parcours, et pouvant être gaspillée si le freinage s'avère finalement nécessaire. 

Perfectionner les calculateurs de consommation

Pour y parvenir sans obliger tous les conducteurs à comprendre les explications théoriques qui précèdent, il suffirait de perfectionner les calculateurs de consommation comme suit.
En unités MKSA:
   Consommation (cm3/m) = [ Débit de carburant - Terme correcteur ] (cm3/sec) / Vitesse (m/sec)

Calcul du terme correcteur :
  • Masse du véhicule = masse à vide fixe + nombre de personnes (connu par les bouclages de ceintures de sécurité) comptées forfaitairement à 75kg + éventuellement masse de carburant connu par la jauge
  • Force d’accélération (N) = Masse du véhicule (kg) x Accélération (m/sec²)
  • Puissance mécanique d’accélération (W) = Masse du véhicule (kg) x Accélération (m/sec²) x Vitesse (m/sec)
  • Puissance thermique d’accélération (W)  = Puissance mécanique d’accélération (W)  / Rendement  moteur (%)
  • Ce dernier est le terme le plus problématique, car il dépend du point de fonctionnement. A défaut d’une détermination cartographique (régime et couple moteur connus), une valeur moyenne fixée par exemple à 35% améliorerait grandement l’indication de consommation donnée au conducteur.
  • Débit masse de carburant (g/sec) = Puissance thermique (W) / Pouvoir calorifique (J/g)
  • Consommation (g/m) = Débit masse de carburant (g/sec) / Vitesse (m/sec)
  • Terme correcteur (cm3/m) = Consommation (g/m) / Masse volumique (cm3/g)
Ces calculs relevant strictement du logiciel, leur coût en production  de série serait est nul.
Ce calculateur aurait pour effet :
  • De réduire la consommation affichée en phase d’accélération, par élimination de sa composante « énergie cinétique » qui induit des comportements inappropriés,
  • D’augmenter la consommation affichée en décélération lente, accélérateur non relevé,
  • D’afficher une consommation non nulle en décélération, accélérateur relevé :
    • Au point mort : le moteur consomme très peu (ralenti), la baisse d’énergie cinétique fait avancer le véhicule qui ralentit lentement sous l’action des forces aérodynamiques et de roulage.
    • En prise : le moteur ne consomme rien, la baisse d’énergie cinétique fait avancer le véhicule qui ralentit sous l’action des forces aérodynamiques, de roulage, et du frein moteur qui dépend du rapport de transmission. Le véhicule ralentit plus vite que dans le cas précédent.
  • Le calculateur pourra arbitrer la méthode la plus économique.
  • De continuer, comme auparavant, à réagir fortement aux changements de pente, ce qui correspond bien à la réalité physique.
Sans perdre de vue que la meilleure solution, en matière énergétique, est une boîte pilotée par un système numérique intégrant tous les paramètres pertinents, et, pourquoi pas, les changements de pente annoncés par la cartographie…