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lundi 2 février 2015

Propulseurs électriques Torqeedo : mythes et réalités

Résumé

Le fabricant allemand Torqeedo propose une gamme de propulseurs électriques pour bateaux. L’analyse de ses informations  commerciales montre que ses produits sont sérieux, bien conçus, et à jour des techniques récentes assurant à la fois longévité et bon rendement : moteurs « brushless », réducteurs planétaires, packs de batteries lithium-ion dérivées de la gamme Johnson Controls pour  véhicules électriques, offre bien segmentée, et éventuellement choix d’hélices, assurant une bonne adaptation au bateau, qui va du kayak au gros voilier. Que des compliments sur les produits !

Mais la capacité limitée des batteries, si modernes soient-elles, oblige à réduire la puissance des moteurs pour préserver une certaine durée d’utilisation, qui reste modeste. Torqeedo l’a fait, car il n’y a pas d’autre solution ! Les véhicules électriques terrestres sont dans le même cas, ce qui les limite pratiquement à un usage urbain.

Bien loin d’expliquer ce point qui est évidemment peu vendeur, ou même de le passer sous silence, Torqeedo tente de démontrer à grand renfort d’arguments pseudo-techniques, qu’à puissance égale sur l’arbre d’hélice, un moteur électrique serait plus efficace qu’un moteur thermique. Il introduit ainsi une généreuse équivalence de ses moteurs avec des moteurs thermiques largement plus puissants. Par surcroît, il définit, contre tous les usages, la puissance de ses moteurs par la puissance électrique consommée et non par la puissance  mécanique, évidemment inférieure. En réalité :
  • L’hélice, montée sur l’arbre d’hélice, « ne sait pas » si cet arbre est lui-même entraîné par un moteur électrique, à essence, diesel, à vapeur, ou même par des pédales. Pour un couple et une vitesse de rotation donnés, l’hélice aura donc exactement les mêmes performances quel que soit le moteur en amont, du moment qu’il est capable de fournir ce couple à cette vitesse, c’est-à-dire cette puissance.
  •  Les arguments basés sur la courbe de couple plus plate d’un moteur électrique, n’ont aucun sens. A chaque vitesse de rotation, le couple effectif du moteur n’est pas son couple maximum, mais seulement celui que l’hélice requiert pour tourner à cette vitesse. Le couple maximum du moteur intervient exclusivement à la vitesse de rotation maximum qui correspond à la puissance maximum. En dessous de cette vitesse, le couple requis par l’hélice décroît très vite, en sorte que les deux types de moteurs ont alors des couples maximum très surabondants, non utilisés, et donc inutiles. La courbe plate d’un moteur « brushless » n’apporte donc strictement rien.
  •  Avec juste raison, Torqueedo vante l’intérêt des hélices lentes à grand diamètre et faible pas. Elles assurent en effet une bonne poussée malgré la faible puissance, mais ce, à moindre vitesse. Elles ne remplacent pas la puissance manquante !
Torqeedo y ajoute :
  • Des arguments écologiques, à prendre avec réserves, car l’énergie électrique utilisée est rarement verte, particulièrement en Allemagne, et les batteries ne le sont jamais. Voir notre message à ce sujet.
  • Des arguments économiques biaisés, faisant état de coûts identiques, mais sur la base d’une énergie mécanique produite très inférieure.
Le client doit être informé des limites inhérentes à cette technologie : autonomie très réduite malgré un poids fortement augmenté par les batteries. 

 Mise à jour du 2 juin 2020 : Il reste que la gamme Torqeedo présente un intérêt évident pour certaines applications : remplacement de l’énergie humaine (kayaks, annexes), petits plans d’eau,  pêche, manœuvres de port, silence, interdiction des moteurs thermiques, et surtout facilité de démarrage : plus de lanceur, ni de stress lié au "Va-t-il démarrer?" Son fils ayant  acheté un Torqeedo 1003 pour les entrées et sorties de port de son petit voilier de course, l'auteur à fait de même pour son annexe gonflable de 2,5 m : Que du bonheur à démarrer sans effort et circuler lentement, mais silencieusement dans un port ou un mouillage jusqu'à la plage ! 



Message 

Torqeedo est un fabricant allemand de propulseurs électriques de faible ou moyenne puissance pour applications nautiques. Ses produits paraissent sérieux et bien conçus, mais certains arguments contenus dans son catalogue 2015 sont critiquables car ils utilisent des arguties erronées pour masquer des faiblesses inhérentes à l’utilisation de batteries, qui sont de nature à induire l’acquéreur non averti en erreur.

Notre analyse critique repose sur les documents publiés par Torqeedo, mais pas sur l’expérience, car nous n’avons pas utilisé ces produits, ni effectué sur eux des mesures ou essais dont nous n’avons pas la possibilité. Voir mise à jour en fin du résumé ci-dessus.

Les produits Torqeedo sont sérieux et inspirent confiance

Moteur

Inventé en 1869, le moteur à courant continu est arrivé dès 1900, à un  bon rendement. Ses progrès ultérieurs ont porté sur le fer du circuit magnétique, les isolants, puis sur les aimants permanents à partir de 1960, éventuellement au néodyme depuis 1990. Le remplacement des balais de graphite frottant sur le collecteur, par une commutation électronique à partir de 1980 a permis, tout en conservant exactement son principe, une transformation radicale de ce moteur ainsi devenu « brushless » : le stator et le rotor sont permutés, les aimants tournent, les bobinages sont fixes, d’où une amélioration importante de la longévité,  du rendement et du silence.

L’éclaté publié en page 12 de la documentation Torqeedo confirme cette analyse, en montrant :
  • A gauche, la cloche grise tournante est l’inducteur constitué de :
    • un flasque en aluminium moulé et ajouré pour faciliter le refroidissement des bobinages,
    • supportant une virole extérieure cylindrique en acier refermant le flux magnétique,
    • et portant à l’intérieur les aimants permanents qui créent ce flux magnétique fixe.
    • Le flasque est solidaire d’un axe en acier
    • supporté par deux roulements à billes, un gros côté cloche et un plus petit côté pignon,
    • axe qui va jusqu’au au pignon central du réducteur en traversant l’induit fixe.
  • A l’intérieur de la cloche, l’induit portant le bobinage est fixé sur la structure en aluminium de l’embase. Ses sections (bobinages élémentaires) sont connectées au large circuit imprimé vert qui supporte aussi les capteurs à effet Hall en périphérie et les commutateurs électroniques, non visibles.
  • Au centre droit, un réducteur épicycloïdal dont les 3 satellites entraînent l’arbre d’hélice. C’est la meilleure architecture pour un réducteur, qui allie bon rendement, faible encombrement et bonne longévité.
  • A droite, l’arbre d’hélice très court est supporté par deux roulements à billes et, semble-t-il, un palier lisse avec joint tournant d’étanchéité (toujours un point faible, mais inévitable).

L’ensemble est de belle facture et inspire confiance : aucune critique de principe à formuler. La conception est conforme aux technologies actuelles, a certainement un bon rendement, mais ne présente pas d’innovation particulière.


 Batteries

Torqeedo préconise avec juste raison des batteries lithium-ion. Cette technologie récente a été développée d’abord pour des applications de mobilité (téléphones mobiles, ordinateurs, appareils photos…) par Sony qui l’a commercialisée en 1981. Elle a progressé rapidement grâce à sa généralisation dans la mobilité, tout en montant en puissance pour des utilisations dans l’outillage électroportatif, les cycles, les véhicules hybrides, et enfin dans les véhicules purement électriques (Zoé, Ampera, Up, Tesla…)

Les éléments de base sont regroupés en série et/ou en parallèle pour constituer des modules. Chaque module comporte une électronique de base gérant les inévitables dissymétries entres éléments. Les modules sont regroupés en pack comportant une électronique dite BMS « Battery Management System » qui assure la sécurité, la gestion de l’énergie, et de la température, et la métrologie des paramètres.



Torqeedo achète les packs dérivés de ceux des véhicules électriques à Johnson Controls,  groupe multinational, l’un des acteurs majeurs en la matière, dont le logo figure discrètement au milieu de la page 42.

Ces batteries constituent un progrès énorme par rapport aux batteries classiques plomb/acide sulfurique, avec une énergie spécifique (c’est-à-dire par unité de masse) environ 4 fois supérieure, due pour moitié à une tension par élément pratiquement double. Plus fiables et plus endurantes que les batteries classiques, elles n’en ont pas moins certaines limites :
  • Un vieillissement dans le temps, indépendant de l’utilisation, porte à la fois sur la capacité qui diminue, et sur la résistance interne qui augmente. Il est négligeable sur quelques années jusqu'à 30°C, mais peut être un problème les pays chauds ou en cas de stockage au soleil. Tablons sur 1% de capacité perdue par an.
  • Un vieillissement du à l’utilisation, qui entraîne une réduction de capacité de l’ordre de 20% pour 1500 cycles portant sur les 2/3 de la capacité.
  • Sur environ 5 ans à 300 cycles par an, la perte de capacité peut ainsi atteindre 20 à 30% sans être trop gênante. Mais elle est très dispersée selon de nombreux paramètres d’utilisation. Sur la durée de vie des propulseurs qui paraissent de très bonne qualité et qui n’ont pas de pièce d’usure, un changement de batterie sera probablement  nécessaire à terme.
  • La garantie de Torqeedo est d’ailleurs limitée à 9 ans, durée néanmoins audacieuse pour une technologie qui n’a que 10 ans, tout comme Torqeedo elle-même. Avant de signer le bon de commande, le client devra relire attentivement les termes de cette garantie, et vérifier que, en cas de problème récurrent,  Torqeedo dispose d’une assurance en responsabilité civile du fait du produit, sauf si la garantie est assurée par Johnson Controls, très grand groupe multinational dont la solvabilité est notoire.
Malgré toutes ces qualités, il faut resituer la quantité d’énergie en stock dans une batterie par rapport à celle d’un réservoir d’essence.

Nature
Energie en stock /Kg
Rendement moteur
Energie finale disponible /Kg
Essence
11 KWh   (1)
20% (3)
2,2 Kwh
Batterie Li-Ion
0,12 KWh (2)
90% (4)
0,11 Kwh
(1)    Soit 45 MJ/Kg / 3,6 = 12 KWh/Kg ramené à 11 KWh/Kg pour intégrer la masse du réservoir =10% du carburant
(2)    D’après catalogue Torqeedo, page 30, 2 batteries 26 v x 104 Ah chacune pesant en tout 48 Kg, soit 26 x 104 x2 / 48 = 120 Wh = 0,12 KWh
(3)    Moteur 4 temps à allumage électronique
(4)    Moteur « brushless »

Malgré le mauvais rendement du moteur thermique qui résulte du principe de Carnot-Clausius, à masse égale, un facteur 20 apparaît ! Et encore ce facteur n’est-il qu’un minimum initial, car, contrairement à la batterie, la masse du réservoir vide est très inférieure à celle du réservoir plein. De ce fait, le facteur moyen est plutôt 36 !  Il explique pourquoi la capacité des batteries, très limitée malgré la technologie lithium-ion, amène à réduire la puissance des moteurs afin de préserver la durée de fonctionnement. Torqeedo tente de minimiser ce problème en alléguant d’un meilleur rendement d’hélice dû au moteur électrique et justifiant la notion d’équivalence, mais nous verrons ci-dessous que ces allégations sont dénuées de tout fondement.

Torqeedo n’échappe pas aux lois de la physique

L’hélice marine a été inventée en 1835. C’est une technologie arrivée à maturité depuis longtemps, et il ne faut plus en attendre d’avancée décisive. En revanche, l’adaptation de l’hélice au bateau reste un point essentiel à traiter pour chaque bateau, qui laisse parfois à désirer. Il est probable que la relativement faible puissance des moteurs électriques (limitée uniquement par la capacité des batteries) a amené Torqeedo à optimiser cette adaptation, notamment grâce à une offre bien segmentée par type de bateau, et pour certains moteurs par un choix d‘hélice, ce qui est une très bonne chose, mais qui n’a pas pour effet d’augmenter la puissance disponible !

Torqeedo utilise en pages 10 et 11 trois définitions distinctes relatives à la  puissance:

La « puissance au moteur » électrique, selon eux définie par « courant x tension ». Cette définition est un abus de langage, car en réalité relative à la puissance consommée. La puissance du moteur est toujours être définie par sa puissance mécanique sur l’arbre, soit « couple x vitesse angulaire ». La différence entre les deux, liée aux pertes cuivre, fer, aérodynamiques, et frottements dans le moteur, est de l’ordre de 10% dans la gamme envisagée. Le passage ambigu de « du » à « au » semble être un alibi au gonflement artificiel de la puissance affichée.

La « puissance à l’arbre d’hélice » = « couple x vitesse angulaire ». C’est exact. Elle est utilisée par tous les fabricants de propulseurs marins, et ne diffère (peu) de la puissance du moteur que par le (bon) rendement d’un éventuel réducteur ou renvoi d’angle.

La   « puissance de propulsion », que Torqeedo définit par : « poussée x vitesse du bateau ». Cette définition de circonstance est recevable, mais elle n’est jamais utilisée pour une raison simple : elle dépend fondamentalement du bateau et des éléments extérieurs. Examinons ce point en détail ci-dessous :

Puissance de propulsion : adaptation de l’hélice au bateau
Graphe ci-dessous : « Force propulsive vs. Vitesse du bateau »
En abscisses, la vitesse du bateau en m/sec. (Pour mémoire, 1m/sec = 2 nœuds moins 7%)
En Ordonnées, les forces exprimées en newtons.
Le produit XY en chaque point du graphe est la puissance propulsive.

  • Les trois courbes analogues (non liées au bateau) donnent les forces propulsives d’un même propulseur équipé d’hélices successivement courte, médiane ou longue. Dans chaque cas, la force propulsive :
    • est maximum à vitesse nulle ou très faible (coque est très lourde et large, avec du vent et/ou des vagues contraires, ou simplement amarrée au quai !)
    • décroît quand la vitesse croît,
    • et devient nulle au synchronisme : l’hélice se « visse » dans l’eau sans la déplacer, comme dans un écrou». (On s’en approche avec une coque est très fine et légère, avec du vent et/ou des vagues portants, ou simplement remorquée à cette vitesse !)
  • La puissance propulsive étant le produit « force x vitesse », elle est nulle à vitesse nulle et au synchronisme. Elle est maximum respectivement en C, M et L.
  • En ces trois points, les courbes sont tangentes à l’hyperbole iso-puissance propulsive en pointillé noir.
  • La résistance de carène est la force qu’il faut vaincre pour faire avancer le bateau (hors accélérations). Elle est nulle à faible vitesse, croît d’abord lentement, puis plus vite à l’approche de sa vitesse de carène, jusqu’à déjauger éventuellement et se réduire. La courbe donnée en exemple est celle d’un bateau en immersion. Elle coupe l’hyperbole iso-puissance entre C et M.
  • Dans cet exemple, l’hélice idéale serait donc proche de C, car elle permettrait d’aboutir à la puissance propulsive maximum.
  • La nature du moteur utilisé ne rentre nullement en ligne de compte : le moteur électrique n’a aucun avantage mystérieux !
  • Une hélice, qui ne se résume pas à son pas,  doit donc avoir des paramètres (pas, diamètre, nombre de pales…) adaptés au bateau et au moteur via la transmission pour que  pour que la vitesse maximum du bateau,  par vent et mer calmes, soit obtenue à la puissance maximum du moteur. Rien ne permet d’affirmer :
    • ni que l’adaptation des hélices de moteurs thermiques soit systématiquement mauvaise,
    • ni que celle des hélices de moteurs électriques soit systématiquement bonne ! 
  • la puissance de propulsion ne peut donc pas caractériser un propulseur indépendamment du bateau sur lequel il est monté, et encore moins autoriser des comparaisons avec d’autres propulseurs. Sans doute ce concept obscur est-il destiné à noyer le poisson dans l’eau !
  • Torqeedo aurait dû publier pour chaque couple « moteur + hélice »,  4 paramètres significatifs :
    • La poussée à vitesse nulle (ce qu’elle a fait)
    • La vitesse de synchronisme au régime maximum
    • La poussée et la vitesse correspondant à la puissance de propulsion maximum que le moteur ne peut développer qu’au régime maximum.
    • Ou, mieux, les courbes ci-dessus (bleue, rouge, verte) depuis la vitesse nulle jusqu’au synchronisme.
Comme plusieurs de ses concurrents, Torqeedo avance une notion d’équivalence. Selon elle, un moteur électrique serait capable des mêmes performances qu’un moteur thermique de puissance supérieure, et serait donc équivalent à cette puissance. Son argumentaire en page 11 est le suivant suivant :

« Les moteurs électriques peuvent fournir la même puissance de propulsion avec une puissance beaucoup plus faible à l’arbre de l’hélice. Ce qui s’explique par les différences de courbes caractéristiques du couple des moteurs électriques et celle à essence. Tandis que la courbe du couple d’un moteur à essence présente un pic proéminent avec un point de fonctionnement limité auquel le moteur donne le couple maximum, la courbe du couple en fonction de la vitesse des moteurs électriques est beaucoup plus plate, d’où un couple élevé disponible à toutes les vitesses de rotation. C’est pourquoi les moteurs électriques peuvent entraîner les hélices avec un rendement nettement supérieur. »

Cette revendication est absurde dans son principe même: L’hélice, montée sur l’arbre d’hélice, « ne sait pas » si cet arbre est lui-même entraîné par un moteur électrique, à essence, diesel, à vapeur, ou même par des pédales. Pour un couple et une vitesse donnés, l’hélice aura donc exactement les mêmes performances quel que soit le moteur en amont, du moment qu’il est capable de fournir ce couple à cette vitesse, c’est-à-dire cette puissance. Examinons le plus en détail l’allégation sur les couples :

Quel couple est nécessaire ? Graphe « Couple vs. Vitesse de rotation »
En abscisses, la vitesse de rotation est exprimée en % de la vitesse de rotation à puissance maximum en A.
En Ordonnées, les couples à l’arbre d’hélice sont exprimés en % du couple à puissance maximum en A.

  • La courbe du couple maximum typique d’un moteur thermique (sans turbo), qui croît avec la vitesse de rotation jusqu’à un maximum situé aux alentours du mi régime, et décroît ensuite jusqu’à la vitesse maximum qui correspond à la puissance maximum (point A du graphique, pour Adapté).
  • La courbe du couple maximum d’un moteur à courant continu en régime permanent, qui est à peu près indépendant de la vitesse de rotation. La puissance maximum correspond donc aussi à sa vitesse maximum, au point A. (Cette courbe n’est plate que si l’intensité est constante. Au-delà d’une certaine vitesse, la « force électromotrice » du moteur atteint la tension de batterie, et alors le couple maximum chute brutalement faute d’intensité.)
  • La courbe (en trait plein) du couple requis par une hélice adaptée permettant d’exploiter toute la puissance du moteur (elle dépend évidemment du bateau).
    • Par définition, il est maximum et égal au couple du moteur (quel qu’il soit) en A. C’est donc en ce point, uniquement, que le couple moteur est déterminant.
    • Il  décroît très vite en dessous de la vitesse de rotation maximum, et se trouve donc très inférieur au couple maximum du moteur (quel qu’il soit) à des vitesses de rotation tant soit peu réduites.
    • La forme des courbes de couple n’a donc aucune importance : la courbe plate du moteur électrique n’apporte strictement rien de plus.
  • Les hyperboles en trait fin noir sont les courbes d’iso-puissance à 100%, 75%, 50% et 25% de la puissance maximum. Dans la pratique, la courbe 100% se réduit au seul point A. L’intersection de ces hyperboles avec la courbe verte donne les points de fonctionnement réels à ces puissances.
  • Les courbes des couples requis par :
    • Une hélice de pas trop court (en trait mixte vert) : au régime maximum du moteur (quel qu’il soit), le couple requis est inférieur à la capacité du moteur, et la puissance absorbée en C n’est que d’environ 70% de la puissance du moteur, par manque de couple.
    • Une hélice de pas trop long (en pointillé vert) : le couple maximum du moteur est atteint en L (intersection avec la courbe bleue ou rouge selon le cas), sans  parvenir au régime maximum. La puissance maximum absorbée n’est que d’environ 90% (électrique) ou 97% (thermique) de la puissance du moteur par manque de vitesse.
    • Dans les deux cas, la vitesse du bateau se trouve réduite, par non utilisation de toute la puissance du moteur.
  • Les rendements (=énergie produite / énergie reçue) n’ont rien à voir avec les courbes de couple.
  • L’argumentation de Torqeedo est dénuée de tout fondement. L’excellent niveau de leurs réalisations techniques laisse perplexe sur la possibilité d’une erreur.
En s’appuyant sur son allégation d’équivalence, Torqeedo publie le comparatif ci-dessous qui n’a aucun sens :



Il doit être clair que les performances d’un système de propulsion ne dépendent que de deux facteurs :
  • La puissance mécanique à l’arbre d’hélice (couple x vitesse angulaire), et peu importe de quelle manière cette puissance a été obtenue.
  • L’adaptation au bateau de l’hélice et de la transmission. Avec une hélice adaptée au bateau et à la puissance, la vitesse maximum ne dépend que de la puissance. Toutefois, à puissance égale, entre deux bateaux ayant la même coque et la même puissance, mais pas le même poids, et donc différents, le plus rapide sera évidemment le plus léger : le poids des batteries est un paramètre défavorable… 

Les mérites des grandes hélices à pas court sont vantés par Torqueedo avec juste raison : elles permettent de faire avancer des bateaux alourdis par les batteries  avec un rendement correct à vitesse modérée malgré une puissance insuffisante, mais ce dernier point est soigneusement passé sous silence !

Rendements

Examinons objectivement la chaîne des rendements dans les trois hypothèses ci-dessous

Hypothèses 
Moteur thermique
Moteur électrique
Electricité thermique
Moteur électrique
Electricité nucléaire
Energie primaire
Pétrole
Charbon
Chaleur de fission
Rendement de distillation / conversion
98%
35% (Carnot)
33% conventionnel
Rendement de transport
95%
90%
Energie en stock à bord
Essence
Electricité
Rendement de stockage
100%
80% (Batterie)
Rendement moteur
20% (Carnot)
90%
Rendement transmission
95%
95%
Energie finale arbre hélice / primaire
18%
22% à 20%
Rendement d’hélice
Non lié au mode de production de l’énergie mécanique
  • Il est clair que sur la chaîne complète, l’avantage du moteur électrique est peu significatif, d’autant que le rendement de 20% ici adopté pour un moteur hors-bord à essence est un chiffre pessimiste faute d’information fiable de leurs fabricants.
  • Dans l’automobile, les moteurs à essence dépassent 35% au point optimum, et les diesels 40%. Avec ces chiffres la comparaison passe en faveur des moteurs thermiques.  
  • A l’inverse, si l’électricité est produite par une centrale à gaz à cycle combiné (malheureusement rares et sous-utilisées) dont le rendement atteint 58%, la comparaison revient en faveur du moteur électrique.
  • Si elle est produite par une centrale nucléaire, le rendement de Carnot n’a aucune importance, et il n’y a pas d’émission de CO2. Mais ceci est une spécificité française.
On le voit bien : le véritable enjeu du rendement et de l’émission de CO2 n’est pas dans le moteur électrique ou non, mais dans la manière de produire l’électricité ! L’utilisateur souhaitant limiter ses émissions de CO2 utilisera donc un hors-bord allemand Torqeedo en France métropolitaine. Mais s‘il est aussi antinucléaire, il devra rester au Café du Port !

A propos des rendements, Torqeedo publie les éléments suivants :


Ces données très fantaisistes et biaisées appellent les commentaires suivants :
  • Le « Rendement global » n’est pas défini : on peut ainsi raconter ce qu’on veut !
  • En quoi le Torqeedo ne serait-il pas un hors-bord électrique classique ?
  • Qu’est-ce que c’est qu’un « moteur électrique de traîne » ?
  • Le rendement des hors-bords à essence est placé dans une fourchette trop large (un facteur 3 entre 5% et 15%) et très basse. Elle n’est envisageable que pour des vieux moteurs hors-bords 2 temps sans injection directe, utilisés dans de mauvaises conditions, et en incluant son rendement de Carnot-Clausius, ce qui fausse la comparaison (voir notre tableau ci-dessus).
Torqeedo n’échappe pas aux lois de l’économie

L’argumentation développée en page 44, copiée ci-dessous, est surprenante :


Analysons les chiffres de la première colonne (les autres sont proportionnels) pour 150 cycles par an, basés sur un amortissement de la batterie en 9 ans, durée de la garantie contractuelle annoncée :
  • L’énergie utilisée dans 150 cycles de décharge à 80% est de : 150 x 12,8 KWh x 80% = 1 536 KWh consommés, soit encore après rendements de 90% (moteur) et 95% (réducteur), de 1 300 KWh à l’arbre d’hélice. 
  • 2 413 € de carburant correspondent à 1 600 litres d’essence à 10 KWh/litre, soit 16 000 Kwh avant rendement, soit encore 3 000 KWh à l’arbre d’hélice après rendement de Carnot (20%) et de renvoi d’angle (95%).
Manifestement, l’équilibre économique suggéré ne correspond pas à l’égalité des prestations ! A coût de consommation égal, le moteur thermique aura fourni 2,3 fois plus d’énergie. Ceci reste vrai au prix français de l’électricité, car, dans les chiffres Torqeedo, l’amortissement de la batterie est, à juste titre, très prépondérant sur le prix du carburant. Par surcroît, le bateau dans sa version électrique sera plus lourd d’environ 300 Kg, donc consommera plus d’énergie, notamment s’il déjauge difficilement ou plus du tout. S’il est peu utilisé, l’amortissement annuel étant constant, le prix (amortissement inclus) devient prohibitif.

La propulsion électrique, bien qu’échappant aux lourdes taxes sur les carburants (TICPE et TVA afférente), est finalement beaucoup plus chère, à cause du prix et du poids des batteries, même lithium-ion. Voir message à ce sujet.

Sont-ils vraiment écologiques ?

Indéniablement, les propulseurs électriques ont des avantages importants :
  • Silence de fonctionnement, particulièrement appréciable en eaux plates : lacs, canaux, rivières…
  • Aucune pollution atmosphérique locale
En revanche, et compte tenu de l’absence d’« équivalence » :
  • Leur bilan carbone peut n’être pas aussi bon qu’annoncé, suivant que la recharge est faite en France continentale ou ailleurs, car il faut comparer les émissions de CO2 totales pour une même énergie mécanique produite.
  • Il faut intégrer aussi les émissions liées à l’achat et au remplacement de la batterie. Loin d’être négligeables, elles peuvent être prépondérantes.
  • Ces sujets ont déjà été traités par notre message  relatif aux voiliers à moteur électrique remplaçant des diesels. S’agissant ici de remplacer des moteurs hors-bords à essence dont le rendement est moins bon, une correction s’impose, mais elle ne change pas les ordres de grandeur.
  • Ajoutons que l’argument parlant de la légèreté des propulseurs est lui-même un peu léger : il oublie simplement le poids des batteries, largement prépondérant !

 Conclusion

Les moteurs électriques sur batteries sont appropriés pour la propulsion des bateaux de faible puissance dans certaines applications particulières, parmi lesquelles :
  • Utilisation sur lacs et canaux : faible distance à parcourir, restrictions d’utilisation des moteurs thermiques, pêche
  • Très petites embarcations, non susceptibles de recevoir un hors-bord thermique : canoës, kayaks (analogie avec les vélos électriques qui ne sont pas des cyclomoteurs)
  • Annexes de port
  • Engins de plage
  • Moteurs de voiliers, notamment de régate, réservés aux manœuvres de port

Les produits proposés semblent sérieux et de bonne qualité, bien que nous n’en n’ayons pas l’expérience, mais ils ne peuvent pas remplacer les moteurs thermiques dans leurs applications usuelles.

L’argumentation développée par Torqeedo est erronée à plusieurs égards. Notre message a pour objet de rétablir la réalité technique et d’informer le client des limites inhérentes à cette technologie : autonomie très réduite et poids fortement augmenté par les batteries. On peut légitimement se demander si Torqeedo prend ses désirs pour des réalités, ou enjolive sciemment la vérité : faute de preuves, nous ne conclurons pas.



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vendredi 31 janvier 2014

Projet PSA de véhicule hybride à air comprimé



Position du problème

Outre l’amélioration des moteurs, la recherche d’une moindre consommation des véhicules passe par l’utilisation des moteurs existants dans leur zone de rendement optimum.

Les courbes de rendement d’un moteur thermique montrent que ce rendement est optimum (plus de 40% pour un diesel moderne) dans une zone du diagramme Couple vs. Vitesse de rotation, centrée typiquement à 50% de la vitesse maximum et 70% du couple maximum, soit environ 35% de la puissance maximum.

Pour un véhicule de tourisme, cette puissance est suffisante, voire surabondante, pour atteindre les vitesses maximum autorisées sur autoroutes. Le rendement y est relativement bon, mais, pour des raisons d’agrément de conduite et de nombre de rapports, les transmissions sont en général trop courtes pour être à l’optimum. Un message du présent blog y a été consacré. La revue « Ingénieurs de l’automobile » n° 826 d’Octobre 2013, publie à ce sujet un dossier qui montre la tendance vers des boîtes à rapports plus nombreux, jusqu’à 9, avec une « ouverture » (rapport des extrêmes) accrue, et nécessairement automatiques.

En trajets urbains, tous les éléments concourent à un très mauvais rendement pour trois raisons principales :
  1. A l’arrêt (encombrements, signalisation…), le rendement est nul, mais la consommation ne l’est pas !
  2. L’énergie cinétique crée à l’accélération est rapidement gaspillée au freinage.
  3. La très basse puissance moyenne requise se situe dans une zone où le rendement se situe vers la moitié du maximum, de l'ordre de 20% seulement.
Pour résoudre partiellement ce problème, les constructeurs et équipementiers ont étudié des véhicules hybrides non rechargeables, actuellement toujours thermiques / électriques, qui apportent des solutions aux trois problèmes ci-dessus, plus un quatrième avantage :
  1. Arrêt automatique du moteur thermique quelques secondes après l’arrêt du véhicule, et redémarrage du véhicule, et éventuellement du moteur thermique, dès l’action sur la pédale d’accélérateur.
  2. Récupération de l’énergie cinétique par l’alternateur rechargeant la batterie.
  3. Dans les modèles les plus évolués, fonctionnement intermittent du moteur thermique dans une zone de rendement amélioré, l’énergie excédentaire étant renvoyée dans la batterie, puis arrêt total, le véhicule fonctionnant alors en mode électrique.
  4. L’hybridation permet le « downsizing » du moteur thermique (rendu acceptable par la puissance de crête toujours disponible du moteur électrique) qui repositionne le point de fonctionnement en trajet autoroutier vers l’optimum du rendement.
Cette hybridation n’est en rien un recours à l’énergie électrique, puisque finalement toute l’énergie mécanique vient du carburant. Elle s'apparente plutôt à une transmission améliorée, réversible et différée.

Bien que  toutes les réalisations actuelles utilisent l’hybridation électrique avec stockage d’énergie dans la batterie, il pourrait exister d’autres solutions correspondant à d’autres modes de stockage de l’énergie. Citons :
  • Le volant d’inertie, qui a été utilisé sur des autobus, et est utilisé en compétition.
  • Le ressort, a priori non compétitif.
  • Le gaz comprimé, ou sa variante oléopneumatique qui fait l’objet d’un projet est développé par PSA en partenariat avec Bosch et Faurecia, objet du présent message.

 L’Hybridation air de PSA : sources d’information

Dans son même n° 826, la revue « Ingénieurs de l’automobile » publie un article intitulé :
 « Hybrid air overview – Main differences wih hybrid electric vehicle »
Quatre ingénieurs de PSA La Garenne-Colombes y détaillent le projet de PSA pour un système d’hybridation oléopneumatique. Il nous a apporté les bases pour comprendre le principe de fonctionnement, et quelques chiffres permettant à l’auteur de le modéliser les principaux paramètres. Toutefois, ses schémas sont inutilement compliqués, et ses informations incomplètes, ce qui peut s’expliquer par la protection du savoir-faire.

Une très bonne vidéo PSA est aussi disponible en ligne.

Le système « Hybrid air », qui est destiné à de petits véhicules (segment B) à usage essentiellement urbains, pourrait être moins cher qu’un système hybride électrique, pour des résultats voisins. Il cherche essentiellement à récupérer l’énergie de freinage et à la réutiliser pour le redémarrage du véhicule. L’énergie cinétique d’un véhicule urbain à 55 km/h est de l’ordre de 180 Kj, soit 10 Kw pendant 18 secondes. C’est l’ordre de grandeur du stockage par air comprimé envisagé.

Stockage d’énergie dans un gaz

L’ensemble du système « Hybrid air » est représenté par le schéma ci-dessous :



Le système se compose principalement de :
  • Un moteur à essence [1], 3 cylindres, 60 Kw
  • Une boîte de vitesse [5] à transmission continue (pas d’information sur son principe),
  • Une pompe hydraulique [3] qui mène la couronne de différentiel par un pignon dont le rapport nécessite le découplage au-delà de 60 km/h
  • Un moteur hydraulique [2] en parallèle sur la pompe, qui mène la couronne par un pignon plus grand, toujours couplé semble-t-il,
  • La pompe et le moteur hydrauliques sont en parallèle au point de vue du circuit hydraulique,
  • Un réservoir haute pression [4] dans lequel de l’azote est plus ou moins comprimé selon la quantité d’huile qui s’y trouve, et qui constitue le réservoir d’énergie,
  • Un réservoir basse pression [10], analogue au précédent mais avec des dimensions et pressions différentes.
 Son principe de fonctionnement est simple :
  • En entrée en stock, par exemple au freinage, la pompe hydraulique absorbe l’énergie cinétique du véhicule qui ralentit de ce fait, et refoule l’huile sous pression dans le réservoir HP.
  • En restitution, par exemple à l’accélération, l’huile sous pression sortant du réservoir HP alimente le moteur hydraulique qui, agissant seul ou en complément du moteur thermique, accélère le véhicule
  • Toute entrée d’huile dans le réservoir HP, sous l’action de la pompe, augmente la pression dans ce dernier, mais se traduit par une sortie identique d’huile du réservoir BP dont la pression baisse. Ce processus est inversé si le moteur fonctionne.
  • Malgré son nom « hybrid air », le gaz comprimé n’est pas de l’air, mais de l’azote, principal constituant de l’air. Pourquoi ce choix dont l’article ne dit rien?
    • Pas pour des propriétés physiques : L’azote et l’oxygène sont deux gaz diatomiques (même comportement thermodynamique) qui peuvent ici être considérés comme parfaits.
    • Probablement pour ses propriétés chimiques : l’azote, peu réactif aux températures envisagées, évitera l’oxydation de l’huile et des métaux.
  • Malgré les apparences, le rôle des deux réservoirs n’est pas du tout symétrique: 
    • Le réservoir HP stocke l’énergie sous forme d'azote à haute pression.
    • Le réservoir BP n’est nécessaire que pour maintenir une basse pression suffisante pour assurer le bon fonctionnement des organes hydraulique (pas de cavitation) et pour réduire les variations relatives de la haute pression dans sa zone d'utilisation (voir courbe noire du graphe ci-dessous). Il permet aussi d'isoler l’azote de l’air atmosphérique. Sans ces impératifs, un simple bac à huile (appelé « bâche ») non pressurisé aurait suffi.

 Modélisation des compressions

Les 3 schémas superposés ci-dessous montrent :
  • A gauche la situation des niveaux d’huile dans les réservoirs (ici supposés verticaux et identiques), successivement :
    • à l’équilibre, quand la pression est la même dans les 2 réservoirs,
    • en cours de charge,
    • à charge maximum.
  • A droite, en remplaçant l’huile qui détermine les compressions dans les deux réservoirs, par un piston mobile dans un réservoir cylindrique, dans les trois mêmes situations.
On verra plus loin que la position d’équilibre ne sera pratiquement pas réalisable. Sa prise en compte reste cependant éclairante pour comprendre et modéliser le fonctionnement  dans une plage plus large que la réalité.



Selon PSA, les compressions et détentes seront isothermes, et non adiabatiques. Si cette condition n’était pas, ou pas totalement, satisfaite, le rendement du système s’en trouverait significativement affecté. Sa réalisation a aussi l’ « avantage » de nous permettre une modélisation très simple : à température constante, les pressions dans chaque réservoir sont proportionnelles aux volumes :
  • Vh = (Vb0 + Vh0) – Vb
  • Ph = P0 Vh0 / Vh
  • Δv = Vb - Vb0
Ces relations permettent d’établir le graphe des pressions Ph et Pb de chacun des réservoirs HP et BP, ainsi que leur écart ΔP (qui est la pressions utile au système), en fonction de ΔV qui est la variation de volume commune aux deux réservoirs (au signe près), c’est-à-dire le volume ayant traversé l’une ou l’autre des machines hydraulique :




Sans surprise, on constate que, depuis l’équilibre (ΔV = 0) :
  • La pression HP croît de 14 à 35 Mp, valeur que PSA ne souhaite pas dépasser
  • La pression BP décroît de 14 à 4 Mp
  • Leur écart ΔP croît de 0 à 32 Mp
Ci-dessous, les valeurs sur fond jaune sont données par l’article, les autres résultent du calcul qui figure en annexe ci-dessous.
L’énergie en stock est l’aire entre la courbe et l’axe des abscisses. Au vu de ce graphe, on comprend que PSA envisage de limiter la zone d’utilisation effective aux abscisses supérieures à ΔV = 8,5 dm3  matérialisées par le trait rouge vertical sur le graphe, cette valeur étant dans la pratique l’état initial caractérisé par :
  • ΔV = 8,5
  • Ph = 20,2 Mp avec Vh = 20 dm3
  • Pb = 5,3 Mp avec Vb = 13,6 dm3

L’état final (réservoir complètement chargé) est obtenu avec :
  • ΔV = 16,9
  • Ph = 35,1 Mp avec Vh = 11,5 dm3
  • Pb = 11,5 Mp avec Vb = 22,0 dm3

L’énergie disponible est l’aire entre la courbe et l’axe des abscisses dans l’intervalle de 8,5 à 16,9 dm3, c’est-à-dire 187 Kj.

A titre indicatif, les volumes, températures et pressions étant connus, il est facile de calculer la masse d’azote dans chacun des réservoirs :
  • HP : 470  grammes
  • BP : 84 grammes

Hydraulique

Le paragraphe précédent ne préjuge pas de quelle manière les pressions et débits peuvent être transformés en énergie mécanique utilisable, c’est-à-dire couple x vitesse angulaire.
  • L’utilisation d’un couple compresseur et moteur alternatifs est théoriquement possible, mais se heurterait à un mauvais rendement pour cause de frottement et de transformations adiabatiques (car rapides) indésirables.
  • L’utilisation d’un couple compresseur et turbine rotatifs nécessitant des débits très élevés, des pressions relativement basses et des puissances très importantes, aux antipodes du problème posé, est impossible.
  • L’intermédiaire hydraulique s’impose donc sans surprise. Rappelons la puissance fournie par un fluide hydraulique :Puissance (watts) = ΔPression (Mpascal) x débit (cm3/sec). Rappelons qu’un mégapascal vaut 10 bars.
L’utilisation d’une machine hydraulique réversible unique vient à l’esprit. PSA en a décidé autrement, probablement en raison des puissances et plages d’utilisation assez différentes des deux machines :
  • La récupération d’énergie est limitée à l’énergie cinétique usuelle en trafic urbain, et « bénéficie » des pertes de toutes sortes qui contribuent à ralentir le véhicule. Elle intervient probablement dès le relevé complet de l’accélérateur.
  • La propulsion est au contraire pénalisée par ces mêmes pertes. La présence du moteur hydraulique autorise un « downsizing » du moteur à condition que la puissance de crête de moteur hydraulique puisse maintenir la capacité d’accélération, et donc l’agrément de conduite.
Aucun détail n’est fourni sur le circuit hydraulique : vannes, anti-retours…, ni sur le rendement du moteur et de la pompe qui peut poser problème.

Les chiffres donnés par l’article sont partiels. Les autres, calculés, peuvent être approximatifs ou incertains:

Moteur hydraulique :
  • Cylindrée 56 cm3
  • D’où couple à 20 MP de 180 Nm de 0 à 2 500 t/min (60 km/h)
  • Puissance maximum : 50 Kw de 2 500 à 5 000 t/min (120 km/h)


Pompe hydraulique :
  • Puissance 20 Kw à 60 km/h (5 000 t/min)
  • Couple 40 Nm de à 60 km/h (à 20 MP ?)
  • Cylindrée 11 cm3 ?
  • Découplée au-dessus de 60 km/h
  • Permet un ralentissement de 1 m/sec² pour un véhicule de 1 500 kg à 60 km/h.
  • Temps de ralentissement : 17 secondes
  • Distance parcourue : 140  mètres ou 700 tours
  • Energie absorbée = 175 Kj soit l’énergie cinétique du véhicule ci-dessus.

On peut raisonnablement supposer que la gestion du système sera assurée de manière à ce que toute variation d’énergie cinétique soit compensés par une variation opposée de l’énergie stockée par le système, au moins dans la limite de 60  km/h qui caractérise le trafic urbain.

Le système offre les différents modes de fonctionnement, comme un hybride électrique :
  • Moteur thermique seul
  • Mode combiné
  • Mode zéro émission (air comprimé seul), inévitablement limité à quelques centaines de mètres
  • Mode freinage avec récupération d’énergie




Conclusion

Ce principe devrait aboutir à un gain en consommation urbaine proche d'un hybride électrique.

PSA revendique les chiffres suivants :
  • « 69 g CO2/km en homologation soit 2,9 l/100 km (référence thermique BVM* à 104 g CO2/km) sur une silhouette conventionnelle du marché de type Citroën C3 ou Peugeot 208 (sans adaptation spécifique) »
  • « Gain de 45 % à l'usage en conditions urbaines permettant une autonomie accrue de 90 % par rapport à une motorisation conventionnelle »
Si ces chiffres sont atteints, et les prix effectivement inférieurs à une hybridation électrique, ce projet pourrait connaître un bel avenir sur son segment du petit véhicule urbain économique.
Il restera cependant limité et ne pourra pas être considéré comme « zéro émission » en raison de son stockage énergétique très réduit, de l’ordre de 0,05 Kwh au lieu de 1 à 2 Kwh pour un véhicule « full hybrid » usuel.

Ce projet a été abandonné par PSA en 2016, probablement parce qu'il est insuffisant pour satisfaire les normes UE d'émissions WLTP. de 2020 et suivantes.

Annexe : Calcul des volumes, pressions et énergies en 10 intervalles.
Les chiffres sur fond jaune sont des données PSA
les chiffres sur fond vert sont les bases du calcul, compatibles avec les précédents.

Pond Vb
1,00
0,90
0,80
0,70
0,60
0,50
0,40
0,30
0,20
0,10
0,00


Initial








Final
dm3
Vb
5,1
6,8
8,5
10,2
11,9
13,6
15,2
16,9
18,6
20,3
22,0
dm3
Vh
28,4
26,7
25,0
23,3
21,6
20,0
18,3
16,6
14,9
13,2
11,5
dm3
Δv
0,0
1,7
3,4
5,1
6,8
8,5
10,1
11,8
13,5
15,2
16,9
Mp
Ph
14,2
15,1
16,1
17,3
18,6
20,2
22,1
24,3
27,1
30,6
35,1
Mp
Pb
14,2
10,7
8,5
7,1
6,1
5,3
4,8
4,3
3,9
3,6
3,3
MP
ΔP
0,0
4,4
7,6
10,2
12,5
14,9
17,3
20,1
23,2
27,0
31,8
Kj
ΔH
0,0
3,7
10,1
15,0
19,2
23,2
27,2
31,6
36,6
42,4
49,7
Kj
H





0
27
59
95
138
187



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