Modélisation du véhicule-type

Table des matières du blog www.8-e.fr

Energie

Bâtiment

Véhicules

Profil

Sujets connexes au présent message

1 . Besoins actuels du transport routier en énergie primaire

3 . Architectureet 4 . Energie des véhicules alternatifs

5 . Quels scénarios pour le futur 

Résumé

• Le véhicule-type est défini comme un véhicule de tourisme diesel de milieu de gamme âgé de 6 ans. Les autres (essence, poids lourds, autocars) s’y ramènent par un jeu de coefficients.
• L’utilisation-type est un trajet portant sur des parcours de mêmes longueurs sur des voies limitées respectivement à 130, 110, 90, 70 et 50 Km/h, incluant des ralentissements de 40 Km/h à intervalles d’autant plus courts que la voie est plus lente, et auxquels s’ajoutent un temps d’arrêt de 18 minutes par 100 km parcourus.
• Nous avons vu précédemment que la consommation de ce véhicule type est de 8,5 litres d’essence ou 7,6 lires de gazole, soit une moyenne pondérée de 7,8 litres de gazole aux 100 Km.
• L’utilisation-type du véhicule-type permet de calculer l’énergie finale nécessaire pour vaincre les forces de roulement, aérodynamiques, d’inertie et des auxiliaires. Elle est de 92 mégajoules (23 Kilowattheures) par 100 km moyens, qui se répartissant à parts presque égales entre les 5 types de voies pris en compte, la baisse de force aérodynamique en ville étant compensée par la fréquence des accélérations et la part croissante des auxiliaires.
• L’évaluation du rendement, beaucoup moins bon en ville en raison de la faible puissance requise et du temps  des arrêts, permet de recalculer la consommation moyenne, son égalité (après itérations) avec la consommation réelle constatée validant globalement les hypothèses de calcul. 

Dans le message suivant, la même modélisation pratiquée sur 6 architectures de véhicules (hydrogène, batterie, caténaires et leurs hybrides) selon la même utilisation-type, aboutira au besoin d’énergie finale de chacune. L’évaluation des rendements, assez bien connus, permettra ensuite le retour à l’énergie primaire, ici toujours électrique, afin de quantifier la production électrique nationale supplémentaire.

 Le présent message traite des sujets en jaune dans le synoptique ci-dessous.

2.1. Le véhicule-type

Il est défini comme suit :

• Diesel
• Masse avec 1,4 passager et un demi plein : 1 450 Kg
• Force de roulement = 2% de son poids
• Accélérations et décélérations à 2 m/sec²
• Section x C_x = SCx = 0,60 m²
• Puissances ne participant pas à la propulsion
• Mécanique (Compresseur de climatisation, alternateur, en moyenne 1 Kw chacun, en permanence)
• Thermique (ralenti 5 Kw, à l’arrêt seulement)

2.2. Profil d’utilisation-type

• L’utilisation-type est un trajet portant sur des parcours de 100 Km sur cinq types de des voies usuelles répertoriées ci-dessous, limitées respectivement à 130, 110, 90, 70 et 50 Km/h.
• Chaque parcours  inclut des ralentissements de 40 Km/h à intervalles d’autant plus courts que la voie est plus lente, à raison d’un division par deux de l’intervalle en distance pour chaque passage à la voie plus lente.
• S’y ajoutent des arrêts dont le cumul est de 1,5 heure pour 500 Km, soit encore 18 minutes par 100 km parcourus.

Type de circulation	Distance parcourue	Vitesse croisière	Vitesse ralentie	Intervalle ralentisst.
Autoroute	100 Km	130 Km/h	90 Km/h	8,00 Km
Voie rapide 2 x 2	100 Km	110 Km/h	70 Km/h	4,00 Km
Routes principales	100 Km	90 Km/h	50 Km/h	2,00 Km
Secondaire et périurb.	100 Km	70 Km/h	10 Km/h	1,00 Km
Urbaine	100 Km	50 Km/k	0 Km/h	0,50 Km
Arrêts	0 Km	Arrêt	1,5 heure
Total / Moyenne	500 Km	62 Km/h		390 ralent

2.3. Détermination du besoin en énergie finale (mécanique)

Elle est faite, pour chacun des 6 types de circulation ou d’arrêt, par l’addition des énergies nécessaires à l’avancement :

2.3.1. Roulement = masse x g x coefficient 2% x distance

2.3.2. Aérodynamique = masse volumique de l’air x carré de la vitesse x SCx x distance / 2

2.3.3. Accélération  = masse x écart des carrés des vitesses x nombre d’accélérations / 2

2.3.4. Auxiliaires = puissance x temps

2.3.5. Gravité : En termes d’énergie mécanique finale, les montées et les descentes finissent toujours par se compenser. En outre, les montées augmentent la puissance requise, mais aussi le couple moteur et donc son rendement, et inversement dans les descentes, aboutissant à un rendement moyen pondéré un peu amélioré. L’énergie consommée n’augmente donc que s’il y a freinage en descente, qui est une occurrence très basse par rapport au freinage pour décélération. Sa modélisation serait très aléatoire. Elle ne sera donc pas prise en compte.

2.3.5. Besoin total par addition des 4 premiers besoins ci-dessus.

Le résultat est le suivant, en MJ et en KWh :

On observe sans surprise que pour 100 Km parcourus  sur les diverses voies :

• L’énergie de roulement est constante
• L’énergie aérodynamique croît fortement (loi en carré) avec la vitesse
• L’énergie cinétique croît fortement en circulation lente, en conséquence de la fréquence des ralentissements.
• Les auxiliaires, dont la puissance est supposée constante, impactent davantage les circulations lentes.
• Le besoin en énergie finale ressort à 82 MJ, soit 23 KWh, aux 100 Km pour le véhicule-type utilisé selon le profil-type.

 2.4. Besoin en énergie primaire (carburant) et validation

2.4.1. En partant de l’énergie mécanique finale ci-dessus, pour parvenir à l’énergie primaire thermique (carburant) il faut introduire le rendement du moteur thermique, dont le graphe ci-dessous est un exemple typique d’un moteur diesel moderne, sans doute un peu meilleur que la moyenne du parc roulant. Sans chercher une précision illusoire, nous adopterons une  loi simple variant de 35% à 23% par décréments de 3 points d’un type de voie à la suivante moins rapide. La précision viendra ultérieurement par la réconciliation de l’énergie primaire ainsi évaluée avec la consommation effective de carburant.

2.4.2. Le tableau ci-dessous donne les résultats. A noter que la consommation du moteur au ralenti pendant l’arrêt du véhicule, et hors auxiliaires, ne débouche sur aucune énergie finale. Elle ne figure donc pas dans le tableau précédent, mais il convient de la rajouter après impact des rendements.

2.4.3. Le tableau ci-dessous permet de valider les hypothèses utilisées précédemment :

• En première ligne, on constate (évidemment après itérations) la coïncidence entre la consommation calculée ci-dessus (296 MJ = 7,78 litres de gazole) et la consommation moyenne du parc d’après les chiffres URF.
• En variante, un voyage rapide sans arrêts (mais avec des ralentissements) effectué sur autoroutes, voies rapides et  routes principales, et une consommation calculé de 6,8 litres aux 100 Km
• En autre variante, des déplacements lents sur voies péri-urbaines et urbaines, avec ralentissements et  arrêts, et une consommation calculée de 8,7 litres aux 100 Km
• A titre théorique, les consommations calculées à vitesse constante de 70 Km/h à 110 Km/h varient de 4,3 à 6,0 l/100 Km qui correspondent bien à des valeurs usuelles.

Sans aucun risque, on peut admettre que les hypothèses de modélisation, qui aboutissent à des résultats conformes à la réalité, sont validées. Nous disposons ainsi d’un outil applicable à toute architecture de véhicule non conventionnel dès l’instant où l’on connaît les rendements de leurs organes, ce qui est généralement le cas.