8-E : EcologiE / EconomiE / EnergiE / ElectriquE: cx

Ils tirent leur énergie presque exclusivement des carburants conventionnels, gazole et essence, issus de la distillation du pétrole fossile, avec une très faible addition d’éthanol agricole renouvelable dans l’essence. Ces carburants sont parfaitement adaptés grâce à :

leur état naturellement liquide permettant un stockage (réservoir non pressurisé de petite taille) et une mise en œuvre (autrefois carburateur, désormais injecteurs) aisés,
leur pouvoir calorifique extrêmement élevé (44 MJ/Kg, soit 12 KWh/Kg),
leur coût HT très bas

C’est pourquoi leur remplacement est loin d’être simple !

Les inconvénients de ces carburants sont connus :

Non renouvelables
Emetteurs de CO₂ par combustion dans l’air
Pollution résiduelle, après d’énormes progrès en 30 ans ayant abouti à la norme Euro 6, satisfaisante si elle est respectée, ce qui est contesté dans le « dieselgate ».

Voie autoroutière urbaine

L’efficacité énergétique des moteurs a énormément progressé, avec une division par plus de 2 des consommations à puissance égale en 30 ans, mais elle touche actuellement à ses limites, d’autant que les normes de pollution ne facilitent pas les choses : il est difficile d’améliorer tous les paramètres à la fois !

Les boîtes de vitesses automatiques à double embrayage et rapports nombreux ont un apport important en permettant d’utiliser le moteur dans sa zone de meilleur rendement.

Mais simultanément, l’architecture des véhicules a évolué défavorablement :

depuis 1990, la part des monospaces et SUV, plus hauts, plus larges, plus lourds jusqu’à un récente prise de conscience, a augmenté au point de devenir majoritaire.
Leur masse a augmenté les forces de roulement et d’accélération, leur maîtresse section S a plus que compensé l’amélioration du Cx, et une bonne partie des progrès des moteurs a été ainsi dilapidée.
Il faudra, sous contrainte économique (taxe carbone ou émission maximum par véhicule) revenir à des véhicules architecturés selon l'économie, et non plus selon les volume et les performances, plus légers, plus bas, plus étroits, moins puissants et hybrides.

L’amélioration de l’efficacité énergétique passe par :

Une évolution de l’architecture vers des véhicules bas et légers, mais pas trop courts (Cx).

Une réduction des puissance thermiques surabondantes.

L’hybridation électrique qui permet elle aussi d’utiliser le moteur dans sa zone de meilleur rendement, de compenser la réduction de la puissance thermique, et de récupérer l’énergie cinétique au ralentissement. Elle est très pertinente en milieu urbain, mais moins sur autoroute. Nous donnons dans ce blog un exemple qui se contente de 2,3 litres d'essence aux 100 km.

Des infrastructures permettant d’écouler le trafic à vitesse aussi constante que possible, ce qui est peu compatible avec la généralisation des ronds-points.

L’utilisation de gazole dont l’efficacité énergétique est supérieure à celle de l’essence en raison du rapport volumétrique plus élevé : à puissance égale, un moteur diesel émet 15% de CO₂ de moins qu’un moteur à essence.

L’augmentation du nombre de passagers par véhicule, notamment grâce au covoiturage, informel ou en ligne (Blablacar…).

Mais l’efficacité énergétique ne permettra jamais de réduire massivement les émissions de CO₂ dues aux transports. Il existe deux solutions alternatives basées sur les deux vecteurs d’énergie, non dépourvues de graves inconvénients.

Véhicules électriques

(case n, 28 du tableau de synthèse)

Le moteur électrique a presque toutes les qualités : excellent rendement, silencieux, presque inusable, strictement dépourvu de pollution locale, capable d’une puissance de crête largement supérieure à sa puissance moyenne, vitesse de rotation de zéro à très élevée qui simplifie les transmissions, pas plus lourd qu’un moteur thermique à puissance de crête égale.

Malheureusement, il n’en va pas de même des batteries : malgré le progrès énorme apporté par les batteries lithium-ion et leur rendement acceptable de l’ordre de 80%, elles restent très coûteuses, typiquement un tiers de prix total du véhicule, énormément plus lourdes et plus volumineuses qu’un réservoir de carburant aboutissant à la même énergie mécanique, et de durée de vie limitée : on admet généralement qu’une batterie perd 30% de sa capacité après l’équivalent de 1500 cycles de charge / décharge complètes (typiquement 150 000 km), et doit alors être remplacée. Son chargement prend plusieurs heures, sauf à utiliser une charge rapide préjudiciable à sa durée de vie, là où l’on fait un plein de carburant en 3 minutes.

L’énergie électrique doit évidemment être produite. Si sa production est faite avec émission de CO₂ (centrale électrothermique fossile) le gain en émission sera au mieux faible (centrales à gaz à cycle combiné) et au pire négatif (centrales à charbon, et réduit par le rendement de batterie). La consommation globale d’un parc important de véhicules électriques sera loin d’être marginale et devra être anticipée par la construction de centrales électriques non émettrices de CO₂, et constamment disponibles. A ce jour, seules les centrales électronucléaires répondent à cette définition. On est en droit de s’interroger sur la politique allemande qui prétend promouvoir le véhicule électrique et fermer des centrales électronucléaires, alors que 40% de son électricité est produite à partir du lignite, particulièrement émetteur de CO₂ et de pollutions diverses, notamment particules fines !

L’économie de cette transition pose aussi de sérieux problèmes. Les carburants sont assujettis à la TICPE (Taxe Intérieure sur la Consommation de Produits Energétiques) qui est la contrepartie de la mise à disposition des infrastructures publiques gratuites, et qui constitue la majeure partir de l’assiette de la TVA. Ils sont ainsi un important contributeur aux finances publiques. Le passage à l’électrique fait disparaître presque totalement cette ressource fiscale par moindre volume d’achat, absence de TICPE, moindre assiette et moindre taux de TVA (abonnements), et la remplace par d’énormes subventions à l’achat des véhicules. Au plan économique, le régime actuel des véhicules électriques n’est pas durable !

Les véhicules tout-électriques pourront supplanter les véhicules conventionnels et concurrencer les hybrides, mais, sauf progrès imprévisible des batteries, uniquement pour un usage urbain et péri-urbain.

Notre blog a proposé deux solutions :

des véhicules thermiques hybrides légers et aérodynamiques, de cylindrée réduite, divisant par 2 les consommations actuelles

des véhicules tout-électrique avec caténaire permettant de rouler tout en rechargeant la batterie : rendement 100%, autonomie illimitée, mais lourd impact sur les voies routières dont une partie, autoroutes d’abord, devraient être munies de caténaires.

Les utilitaires légers tout-électrique sont bien adaptés aux les livraisons à domicile dont le marché est porté par la croissance des ventes en ligne, et devraient s’y développer rapidement.

Véhicules à hydrogène

(case n, 29 du tableau de synthèse)

Il s’agit en réalité de véhicules électriques dont l’électricité est fournie par une pile à combustible (PAC) alimentée en hydrogène gazeux à partir d’un réservoir pressurisé. Afin de ne pas dimensionner la PAC pour la puissance de crête du moteur, ces véhicules comportent toujours une petite batterie lithium-ion rechargée par la PAC, ou venant en appoint de la PAC, selon la puissance électrique consommée par le moteur.

Par rapport à un véhicule tout-électrique, un véhicule à hydrogène a les avantages suivants :

Le stockage de leur énergie dans un réservoir d’hydrogène à haute pression, dont la puissance massique est 2 à 3 fois supérieure à celle d’une batterie, et donc d’augmenter l’autonomie du véhicule.

La possibilité de faire « le plein » presque aussi vite qu’un véhicule conventionnel.

Et leurs inconvénients sont :

Le mauvais rendement de la chaîne de transformation « électricité vers hydrogène / hydrogène vers électricité », à savoir environ : 70% pour l’électrolyse x 50% pour la PAC = 35%, alors qu’un rendement de batterie est de l’ordre de 80%.

Le prix et la fragilité des PAC.

La très faible densité de l’hydrogène comprimé qui conduit à des réservoirs volumineux (16 litres à 700 bars pour 1 kg d’hydrogène), et lourds car devant résister à la pression élevée.

La nécessité de se recharger en hydrogène, qui suppose la création d’un réseau de distribution d’hydrogène constitué de stations, soit procédant à sa fabrication par électrolyse, soit approvisionnées par « hydroducs » ou par véhicules depuis des usines de production.

Le risque lié à la haute pression (700 bars, voire plus) d’un gaz hautement inflammable, à la diffusivité la plus élevée de tous les gaz, et explosif si mélangé à l’air.

Nous ne considérons ici :

ni la fabrication de l’hydrogène par reformage des hydrocarbures, moins chère mais non renouvelable et fortement émettrice de CO₂,

ni l’utilisation de l’hydrogène dans un moteur thermique conventionnel dont le rendement est inférieur à celui du couple PAC + moteur électrique, bien qu'il soit beaucoup plus facile à mettre en oeuvre.

En l’état actuel des PAC et du stockage, il n’est pas certain que le vecteur hydrogène puisse réellement concurrencer les véhicules de tourisme électriques. Dans un avenir lointain dépourvu d'hydrocarbures, on peut imaginer une segmentation du marché entre véhicules routiers à hydrogène et véhicules urbains tout-électriques.

Poids lourds
(colonne o, lignes 15, 26 et 28 du tableau de synthèse)

Par nature, leur architecture est liée à la réglementation en dimensions maximum (2,55 m x 4,2 m x 18,0 m) et en masse maximum (44 t), dites "maxicodes". Actuellement, le gazole est leur source unique d’énergie, parfaitement adaptée à leur usage essentiellement routier.

La majeure partie du transport routier interurbain par affrètement est effectué par des ensemble articulés maxicodes, tracteur plus semi-remorque, ces dernières étant souvent immobilisées au cours des chargements ou livraisons pendant que les tracteurs continuent à rouler avec d’autres remorques. Le tracteur est relativement court, et le moins lourd possible, pour ne pas réduire le volume et la charge utiles disponibles dans la remorque pour un total autorisé plafonné à 44 tonnes. Il est aussi très puissant, souvent plus de 400 KW, ce qui n'est pas un luxe (contrairement aux véhicules de tourisme), et s'explique aisément: un véhicule maxicode circulant à 90 km/h nécessite environ :

130 KW pour la force de roulement sur sol plan (hypothèse 1,2% de son poids)
130 KW pour la force aérodynamique (hypothèse Cx = 0,60)
200 KW pour un faible pente de 2%

soit un total de 460 KW, sur lequel aucune amélioration d'efficacité énergétique significative n'est envisageable. Ceci exclut pratiquement le recours à des batteries, et interdit donc toute hybridation analogue au tourisme, et plus encore le tout-électrique sur batteries.

La seule solution envisageable pour réduire fortement le gazole, est une hybridation sans stockage par deux moteurs de puissances proches, de l'ordre de 260 KW permanents chacun :

l’un électrique en continu pour usage sur autoroutes équipées de caténaires à 90 km/h sur sol plan, (mais travaillant à son maximum permanent, il n'a plus de capacité de crête supérieure).
l'autre diesel :

en appoint dans les côtes d'autoroutes électrifiées, à 90 km/h soutenus jusqu'à 2,5% de côte,
utilisé seul sur routes non électrifiées, à 70 km/h soutenus jusqu'à du faux plat de 1%.

La majorité de l’énergie du transport routier de marchandises pourrait ainsi être électrifiée. Il conserverait ses avantages de souplesse (porte à porte) qui lui ont permis prendre 90% du marché des transports de marchandise au détriment du ferroviaire qui était presque monopolistique un siècle plus tôt, mais qui souffre des ruptures de charges qu'il nécessite, et de la rigidité liée à son statut étatique.

Rappelons que le ferroutage, considéré comme une solution d’avenir à la fin du 20^ème siècle, ne s’est pas développé en raison des ruptures de charge qu’il impose, du gabarit ferroviaire (4,32 m au dessus des rails) incompatible avec la hauteur des poids lourds maxicode (4,20 m), et de sa rigidité.

Autobus urbains

(colonne p, lignes 15, 26 et 28 du tableau de synthèse)

Leur problématique est très différente, en raison de la faible autonomie qui leur est nécessaire, et de la sensibilité des villes aux différents types de pollution, et notamment au bruit.

Des autobus tout-électrique sont déjà en circulation, et la RATP envisage d’en équiper plusieurs lignes à court terme. Leur recharge est effectuée systématiquement au cours des stationnement aux terminus, et peut être complétée par de brèves recharges (dites « biberonnage ») par voie magnétique au cours des arrêts aux stations. Leur limite est leur coût, environ le double d’un autobus diesel, et, ici encore, la durée de vie de la batterie (qui pourra être lithium-ion, mais aussi LMP, lithium métal polymère, dite batterie chaude, qui requiert un branchement permanent hors utilisation, acceptable pour ce type d’application comparable aux « Autolib’ » de Bolloré, fabricant des batteries LMP).

Les autobus fonctionnant au GPL existent déjà. Ils offrent des avantages par rapport au diesel en matière de pollution locale (particules, bruit) mais, émettent au moins autant de CO₂, ils n’apportent rien en matière de changement climatique.

Autocars grandes lignes
(colonne p, lignes 15, 26 et 28 du tableau de synthèse)

Développés récemment en France, ils assurent de liaisons radiales ou transversales, parfois internationales, de longues distances. Plus lents, mais plus souples que le ferroviaire, ce mode de transport est le moins cher et la plus souple qui puisse exister.

Comme il est difficile de ralentir encore ce mode de transport par de longs arrêts pour recharge de batteries, il n'est guère envisageable de l'électrifier. Il restera diesel, sauf si les autoroutes à caténaires se développent. Il y aurait alors la place pour de autocars hybrides sans batterie, ou avec un petite batterie.

Transports ferroviaires
(colonne q, lignes 12, 15 et 28 du tableau de synthèse)

Rappelons que le ferroviaire ne consomme que 1% de l’électricité produite en France. Le réseau ferroviaire étant déjà très majoritairement électrifié, les électrifications complémentaires ne pourraient porter que sur des motrices auxiliaires de triage, ou des petites rames automotrices, pour lesquelles la justification économique n’est pas évidente pour un aussi faible enjeu.

Transports maritimes
(colonne r du tableau de synthèse)

Sa part commerciale, très prépondérante, relative aux cargos de tous type (vraquiers, porte-containers, pétroliers, méthaniers, grumiers, céréaliers...), aux paquebots de croisière, et aux bateaux de travail (remorqueurs, barges, dragues, grues...) échappe à la réglementations française, et se trouve donc en dehors de l'objet de notre blog qui se limite à la France. Quelques remarques techniques sont néanmoins intéressantes :

Le gazole y est roi

Avec l'augmentation des puissances des moteurs diesel, jusqu'à 12 cylindres de 2000 KW chacun, les turbines à vapeur ont disparu.

L'optimisation du point de fonctionnement du moteur avec le navire en charge à sa vitesse de croisière, est faite de puis longtemps pour des raisons économiques. L'efficacité énergétique consiste à éviter les trajets à vide, beaucoup plus qu'à en améliorer le rendement.

L'idée d'un voile "cerf-volant" analogue au kite-surf existe mais semble bien limitée : la surface d'une telle voile, qui doit pouvoir être envoyée et affalée par l'équipage, sera inévitablement insignifiante par rapport à la force de propulsion requise.

Des voiles sur mâts fixes, avec enroulement motorisé, pourrait être envisagées, mais modifieraient considérablement l'architecture du navire, au détriment de son coût et des manutentions portuaires, pour un apport énergétique qui resterait modeste. La viabilité économique semble lointaine.

Les paquebots de croisière ont beaucoup évolué, dans un sens fort peu maritime. les prestigieux paquebots d'antan, qui dépassaient 30 nds grâce à des turbines à vapeur de 120 MW pour réduire la durée de trajets transatlantiques, ont été remplacés par des paquebots un peu plus longs, beaucoup plus larges et haut, propulsés à 20 nds seulement par des pods (nacelles immergées et orientables sous la coque) électriques dont la puissance totale ne dépasse pas 60 MW. Ils sont alimentés par un ou plusieurs groupes électrogènes diesel de forte puissance destinés principalement à fournir l'énergie tertiaire (éclairage, climatisation, électroménager...), et accessoirement la propulsion. Cette architecture hybride série est idéale pour les manoeuvres portuaires autonomes, mais n'apporte rien au plan énergétique, mais au contraire le grève du rendement de la transmission électrique.

La propulsion nucléaire est utilisées par la marine de guerre pour deux applications : les porte avions rapides, et des sous-marins lanceurs d'engins. Ils sont munis de turbines à vapeur produite par des réacteurs à uranium enrichi, autorisant des puissances et vitesses très élevées, mais le choix du nucléaire résulte exclusivement de la recherche d'une autonomie pratiquement illimitée, et non de considérations économiques ou écologiques. Son utilisation à des fins commerciales n'est pas actuellement réaliste, pour de nombreuses raisons, mais il reste une solution lointaine pour de très grands navires.

La plaisance à la voile utilise des moteurs auxiliaires principalement diesel à injection mécanique pour des raisons de simplicité et de sécurité : ils continuent à fonctionner sans batterie, et le gazole est beaucoup moins inflammable que l'essence. On pourrait néanmoins améliorer leur efficacité énergétique en adoptant :

des injecteurs "common rail" à commande électronique (nécessitant une batterie en état de marche),
des inverseurs à deux vitesse avant permettant de donner deux optimum de fonctionnement,
et en renonçant aux hélices effaçables (bec de canard, MaxProp...) dont le rendement est toujours inférieur à celui d'une hélice à pas fixe.

Nous avons montré dans ce blog que l'hybridation n'apporte rien, et le tout-électrique non plus, si ce n'est dans certaines application de très faible puissance.

La plaisance motorisée se divise en deux catégories:

Des engins de recherche de vitesse pure : coques planantes, pneumatiques, semi-rigides, coques dures munis le plus souvent de moteurs hors-bord à essence qui peuvent désormais atteindre 300 KW (Chrysler) ! Leurs rendements ont fait de gros progrès, et leurs émissions se sont réduites, grâce à l'abandon des moteurs deux-temps et à l'adoption d'injecteurs électroniques. Mais une taxe carbone serait pleinement justifiée pour dissuader ces utilisations purement ludiques.

Des bateaux de croisière, souvent planants et donc très puissants, énormes consommateurs de gazole qu'il sera bon de taxer (TICPE, TVA et TC) pour dissuader l'utilisation à défaut de gain d'efficacité. Seule l'évolution de l'architecture vers des coques non planantes, dites "trawler" limitées vers 10 nds, éventuellement plus rapides s'il s'agit de catamarans légers à coques fines (ci-dessus) pourrait réduire énormément les émissions tout en conservant des temps de traversées acceptables.

Transports aériens
(colonne s du tableau de synthèse)

En dehors des avions de tourisme généralement munis de moteurs thermiques à essence, la totalité des avions de lignes est équipée de turboréacteurs ou de turbopropulseurs utilisant exclusivement du kérosène, variante aérienne du gazole. Celui-ci représente une part très significative des coûts des compagnies aériennes, ce qui a contraint les motoristes à développer des moteurs de plus en plus économes, notamment grâce à des matériaux d’aubages capables de travailler à des températures de plus en plus élevées, augmentant ainsi le fameux rapport de Carnot T₁ / T₂. L’efficacité énergétique a été grandement améliorée, mais elle ne progressera pas indéfiniment.

Le kérosène est presque irremplaçable dans une application où la densité énergétique est absolument critique, particulièrement pour des vols long-courriers. En dehors d’avions école électriques capables de voler 10 à 20 minutes à proximité de l’aéroclub, aucune solution par batterie n’est envisageable.

Une amélioration simple mais limitée, consisterait à n’utiliser les moteurs de l’avion que du décollage à l’atterrissage inclus, l’avion étant remorqué par un véhicule thermique de bien moindre consommation, ou mieux, électrique, pour tous les autres trajets au sol, sur les pistes ou aires de trafic.

Théoriquement, on pourrait concevoir des avions de ligne avec des moteurs identiques, au système d’injection près, alimentés en hydrogène. Comme il est exclu d’embarquer des réservoirs pressurisés, trop lourds, la seule solution est de remplir des réservoirs non pressurisés avec de l’hydrogène liquide juste avant le décollage. A énergie égale, ce carburant aura l’avantage important d’être presque 2,7 fois moins lourd que le kérosène, mais aussi l’inconvénient d’être 4,4 fois plus volumineux. L’avion sera ainsi plus léger, et nécessitera donc moins de portance, mais ses ailes, où sont logés les réservoirs, devront être plus épaisses, d’où une traînée augmentée, sauf à les placer dans le fuselage au détriment du volume utile. Difficile de prévoir le bilan final! Aucun retard au décollage ne sera admissible : l’hydrogène liquide à -253°C (20 °K) ne peut que bouillir naturellement, et l’hydrogène gazeux ainsi engendré doit être évacué s’il n’est pas consommé par les moteurs. Après l’atterrissage, l’hydrogène excédentaire devra être récupéré, et partiellement re-liquéfié.

Mais surtout, faire voler un appareil plein d’hydrogène hautement volatil et inflammable comporte un risque très élevé d’incendie ou d’explosion analogue à celle du Zeppelin gonflé à l’hydrogène, totalement incendié en 34 secondes en 1937.

Symboliquement, on peut affirmer que les dernières gouttes de pétrole serviront à faire voler des avions !

lundi 28 mars 2016

Véhicule 2,3 l/100 km : 1 - Principes et architecture

Table des matières du blog www.8-e.fr

Sujets connexes :

Véhicule 2,3 l/100 km : 2 - Moteur thermique

Véhicule 2,3 l/100 km : 3 - Rapports de transmission

Véhicule 2,3 l/100 km : 4 - Hybridation électrique

Véhicule 2,3 l/100 km : 5 - Transmission et performances

Véhicule 2,3 l/100 km : 6 - Perspectives

Résumé

Six messages consécutifs montrent que les techniques actuellement disponibles, jointes à une architecture axée prioritairement sur l’économie, peuvent aboutir à une consommation moyenne de 2,3 litres d’essence aux 100 km, pour un véhicule conservant des performances normales en usage polyvalent de la ville à l’autoroute, avec une autonomie atteignant les 1 000 km. Il s’agit bien de consommation réelle sur une longue distance aux vitesses et circonstances usuelles, loin des tests biaisés commencés batterie pleine et terminés batterie vide.

Sa trace carbone, investissement inclus, est largement inférieure à celle :

d’un véhicule tout électrique, 2 fois plus cher et d’autonomie 6 fois plus faible,
d’un véhicule à hydrogène, 3 fois plus cher et d’autonomie 3 fois plus faible,

même si l’énergie électrique de ces dernières est décarbonée comme dans l’exception française.

Les solutions préconisées dans le présent message visent à améliorer :

L’aérodynamisme : largeur et hauteur réduites, Cx optimisé
Les forces de roulement : véhicule léger sur roues de grand diamètre et pneumatique de faible section sous pression élevée
Les énergies cinétique et potentielle : véhicule léger et récupération au ralentissement et en descente

La motorisation est analysée dans le second message. Elle part du moteur 3 cylindres 1000 cm³ PSA récent, ramené à 666 cm3 par suppression d’un cylindre. Ce bicylindre de 34 KW et de bon rendement nécessitera un double volant amortisseur à l’entrée de la boîte de vitesses.

Dans le troisième message suivant, le choix des rapports de transmission est déterminé à partir des zones de rendement optimum du moteur dans les différentes circonstances d’utilisation. Cet optimum amenant des rapports très longs, l’agrément de conduite impose une boîte pilotée.

Le quatrième message détermine les paramètres de l’hybridation parallèle dans ses différentes utilisations : récupération d’énergie potentielle et cinétique, fonctionnement urbain en mode électrique, démarrage du moteur thermique, marche arrière, repositionnement du point de fonctionnement du moteur thermique… Il aboutit à une machine de 7 Kw permanents autorisant 15 Kw transitoires pendant 10 minutes.

Le cinquième message esquisse le principe d’une transmission complète à double embrayage, analogue aux boîtes VW SDG 6 ou 7, et calcule les prévisions de performance en vitesse et accélération.

Le sixième message analyse les atouts et faiblesses d’un tel véhicule au plan commercial et tente d’en évaluer les perspectives.

Architecture générale

Depuis une trentaine d’années, on observe une évolution paradoxale des véhicules particuliers :

D’une part, le rendement des moteurs a effectué des progrès spectaculaires, et le coefficient de traînée C_x (à section transversale constante) a été grandement amélioré, aboutissant à une réduction substantielle de la consommation, présentée sous la forme d’émissions de CO₂ réduites, ce qui est exactement synonyme.

Mais dans le même temps, les véhicules sont devenus de plus en plus larges et hauts (S), et lourds (m), absorbant ainsi une partie du progrès des moteurs. Par surcroît, ces derniers sont devenus de plus en plus puissants, non seulement pour augmenter le confort de conduite, mais aussi pour flatter l’ego du conducteur par des performances inutilisables selon la réglementation routière, au détriment du rendement. Ce n’est que depuis quelques années que l’on assiste enfin à un « downsizing » des cylindrées, sans réduction de puissance grâce aux turbocompresseurs, et à un début de réduction de la masse.

Tout se passe comme si seuls les fabricants, contraints par les réglementations européennes, avaient changé, cependant que les consommateurs n’ont rien modifié de leur demande qui porte toujours sur des véhicules puissants et volumineux.

Le présent message ne comporte aucune invention géniale, et ne présuppose aucune amélioration des technologies actuelles. Il se limite à montrer qu’il est possible de concevoir un véhicule thermique (hybride non rechargeable) permettant d’accueillir 3 adultes avec leurs bagages, sans excéder une consommation réelle de 2,0 à 2,6 litres d’essence aux 100 km dans les diverses conditions d’utilisation courante, sans rien sacrifier d’essentiel. Ce message cherche à éveiller les consciences :

Oui, on peut avoir une voiture ayant une vitesse et une autonomie normales, à un prix normal, en consommant 2 fois moins, et en émettant moins de 50 g de CO₂ par kilomètre.

Comment réduire les besoins énergétique ?

L’énergie mécanique requise pour faire avancer un véhicule est utilisée pour vaincre :

la force de roulement
la force aérodynamique
l’inertie par création d’énergie cinétique au cours des accélérations.
la gravité par création d’énergie potentielle dans les montées

L’énergie thermique consommée est égale à l’énergie mécanique utilisée divisée par le rendement η du moteur (inférieur à 100%). Le but du jeu est de réduire les 4 composantes de l’énergie mécanique requise et d’améliorer le rendement du moteur en l’utilisant exclusivement dans sa zone de rendement optimum.

Force de Roulement : F_r = m g C_r

Elle résulte principalement de la déformation des pneumatiques au contact de la chaussée, et est donc proportionnelle au poids m g du véhicule, c’est-à-dire, g étant pratiquement une constante, à sa masse m. Il y a donc lieu :

De concevoir un véhicule léger, réduisant m
D’utiliser des pneumatiques de grand diamètre et de faible section à pression élevée réduisant C_r(cas extrême : les vélos de course)

Force aérodynamique : F_a = ρ v² S C_x/2

Pour diminuer la force aérodynamique, il faut :

réduire la surface S de la maîtresse section en réduisant largeur et hauteur, avec des formes arrondies, et des pneumatiques de faible largeur
réduire le coefficient de traînée C_x en utilisant des formes appropriées connues : longueur accrue, capot très incliné avec pare-brise dans la continuité, glaces affleurant, roues arrière carénées, section horizontale avant très arrondie, etc…
supprimer les rétroviseurs extérieurs remplacés par un système caméra arrière et écran

Energie cinétique : E = m v²/2

Pour réduire l’énergie cinétique à produire pour atteindre une vitesse donnée, une seule voie : réduire la masse m. Mais l’approche la plus intéressante consiste à récupérer l’énergie cinétique au ralentissement et au freinage, grâce à une conception hybride permettant de la renvoyer à la batterie. Cette récupération a toutefois deux limites :

son rendement qui ne dépasse pas celui de la batterie multiplié deux fois par celui de la machine électrique,
sa puissance maximum qui ne permettra jamais de récupérer l’énergie d’un freinage d’urgence à grande vitesse. Pratiquement, on ne récupèrera que l’énergie des décélérations jusqu’à 1,3 m/sec² dans les vitesses inférieures à 15 m/sec (54 km/h) correspondant à l’utilisation urbaine dans laquelle les ralentissements sont fréquents.

Energie potentielle (déclivité) : E = m g h

A nouveau, évidemment, la proportionnalité à la masse m, amène à réduire cette dernière.

Mais ici encore, la meilleure approche est la récupération de l’énergie potentielle dans les descentes. Rappelons que, sur la durée de vie d’un véhicule, la déclivité moyenne est nulle, les montées compensant exactement les descentes. Mais cette compensation n’est vraie que si, dans les descentes, on ne recourt pas au freinage qui la dissipe en chaleur. Ce sera généralement le cas sur des déclivités faibles, jusqu’à 2 ou 3%, mais le problème se posera très vite dès 4 à 5%.

Optimisation de l’architecture du véhicule

La force mécanique nécessaire au le véhicule est modélisée selon la formule :

F = m [ g (C_r + p)+ dv/dt ] + ρ v² S C_x/2

[(Roulement + Pente) + Accélération] + aérodynamique

La puissance requise est donc : P = F v

Et l’énergie mécanique : E = F d (d= distance parcourue)

Plateforme et carrosserie

Les objectifs majeurs de faible maitresse section S, de faible traînée aérodynamique C_x et de faible masse m, imposent véhicule étroit, mais pouvant recevoir deux passagers côte à côte, de faible hauteur mais compatible avec des passagers jusqu’à 1,90 m, et léger. Nous avons adopté les valeurs suivantes

Largeur 1,48 m. C’est celle de la Citroën électrique C0, hors rétroviseurs ici supprimés et remplacés par un système écran + caméra arrière.
Hauteur 1,25 m, basse, mais pas extrême : C’est celle d’une Audi R8, 10 cm de moins qu’une Austin Mini, 13 cm de moins qu’une Saxo ou 108, mais 15 cm de plus qu’une Lotus Europe ou De Tomaso Pantera.

Compte tenu d’une section transversale assez arrondie, et d’une garde au sol de 20 cm, on peut tabler sur une maîtresse section de 1,35 m²,

La réduction du coefficient de roulement C_r peut être obtenue par des jantes de grand diamètre équipées de pneus étroits à taille plutôt basse. On imaginerait des pneumatiques 145/50 R 17 gonflés à une pression élevée, de 3 à 3,6 bars mais cette référence est à créer, et ceci reste une affaire de spécialistes. Une telle roue a un diamètre de 58 cm. (Code des pneumatiques : Largeur en mm ; Hauteur en % de la largeur ; Structure R = radial ; Diamètre de la jante en pouces)

A la fois pour améliorer le C_x et pour conserver une habitabilité acceptable en usage courant, le nombre de places est limité à 3, et la longueur est portée à 4,40 m, celle d’une berline moyenne, compatible avec l’usage urbain sans en faire une citadine. Elle permet la présence à l’arrière d’un siège central pour un adulte, les bagages étant répartis de part et d’autre et derrière. Les enjoliveurs de roues sont plans et les roues arrière sont carénées (façon DS19).

En tablant sur C_x = 0,23, envisageable compte tenu de la priorité donnée à ce paramètre, et de la longueur relativement élevée, le S C_x pourrait être de 0,31 m², significativement plus bas que tous les véhicules de tourisme actuels. Exemple : la Toyota Prius, très profilée, avec un Cx de 0,24 selon son fabricant, mais plus large et beaucoup plus haute est donnée pour 0,54 m². Notre évaluation n’est nullement optimiste.

La réduction de la masse m est obtenue par les petites dimensions, la limitation à 3 passagers, l’architecture à deux portes et hayon, le petit moteur thermique à essence, les roues de faible section, l’absence de roue de secours, et le petit réservoir de 25 litres assurant 1 000 km d’autonomie. Mais elle sera obérée par l’hybridation avec une machine électrique (moteur ou génératrice selon les moments) de 15 KW en crête et une batterie de 10 KWh. L’objectif de 800 kg à vide nécessitera peut-être un recours limité à des éléments en aluminium ou en composites, notamment la plateforme, au prix d’une légère augmentation du coût.

En résumé :

Un tel véhicule ne requiert que 14 KW (19 CV) mécanique à 130 km/h sur chaussée horizontale

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vendredi 8 décembre 2017

11 - L’énergie dans les transports

lundi 28 mars 2016

Véhicule 2,3 l/100 km : 1 - Principes et architecture