VE7-Comparaison VE / VT Urbain

Le VE : Innovation pérenne ou rêve écologiste ?

« Dans un monde inondé d’informations sans pertinence, le pouvoir appartient à la clarté. »  Yuval Noah Harari

VE1 - L’énergie requise par un véhiculeVE2 - Pollution : Chiffres, normes et opinions

VE2.1 - PlombVE2.2 - SoufreVE2.3 - Monoxyde de carboneVE2.4 - BenzèneVE2.5 - Oxydes d’azoteVE2.6 - OzoneVE2.7 - Particules finesVE3 - CO2 : Pas polluant, mais critique

VE4 - Traces CO2 du VTVE5 - Traces CO2 du VE
VE6 - Comparaison CO2 VE / VT polyvalentVE7 - Comparaison CO2 VE / VT urbainVE8 - Comparaison VE / VT autonomie

VE9.1 – Distorsion € BonusVE9.2 – Distorsion € TICPEVE9.3 – Distorsion € Norme UE émissionsVE9.4 – Distorsion € Totale

Les distorsions « soft » : Infox
VE10 -1 Fukushima par TF1VE10 -2 Diesel par Gérald DarmaninVE10 -3 Pollution et anticycloneVE10- 4 Espérance de vie par l’ADEMEVE10 -5 Ecologie et Politique
VE11 – Conclusion sur le VE

VE7 - Comparaison CO2 VE / VT urbain

7.1. Tableau de calcul du CO₂ en usage urbain

Le tableau de calcul du CO₂ en usage urbain ci-dessous présente 3 différences par rapport au précédent :

• La masse du VE est ramenée de 1 800 à 1 500 kg (batterie moitié)
• La gamme de vitesses de 10 à 70 Km/h (7 lignes par tableau) au lieu de 10 à 130 Km/h (13 lignes)

Les rendements des moteurs thermiques sont abaissés en raison de leur puissance très excédentaire par rapport à un besoin réduit.

Résultats et graphes

Conclusions en usage urbain

• Courbes en pointillé : véhicules tirant toute leur énergie du carburant.
• Le VT à essence est le meilleur jusqu’à 30 000 km
• Le VT diesel est le meilleur de 30 000 km jusqu’à 60 000 km
• Le VT hybride, pénalisé par sa TC de fabrication plus élevée (batterie, double motorisation), ne devient le meilleur qu’au-delà de 60 000 km 
• Courbes en traits plein, relatives à un même VE selon l’origine de l’énergie électrique utilisée :
• Française ou nucléaire ou renouvelable, le gain en CO₂ est massif dès 40 000 km, et au-delà
• Issue du charbon, le VE émet plus que n’importe quel VT
• Issue des autres filières fossiles, 3 courbes proches), le VE est gagnant sur l’hybride :
• gaz à cycle combiné : au-delà de  90 000 km
• gaz (turbine) : au-delà de 110 000 km
• Fioul (turbine à vapeur) au-delà de 200 000 km      
• Issue du mix allemand, au-delà de 150 000 km.
• La seule configuration qui réduit fortement les émissions de CO₂ en usage urbain réunit :
• Le VE
• Et les seules filières décarbonées (92% du mix français)
• Les autres nécessitent des kilométrages irréalistes en usage urbain. 

Il est donc clairement établi qu’en matière de CO2, le VE ne présente d’intérêt que si les recharges sont effectuées avec une énergie électrique décarbonée, et ce, même en usage urbain. Ceci n’est possible que dans un nombre très limité de pays.

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

Table des matières du blog www.8-e.fr

Energie

Bâtiment

Véhicules

Profil

Sujets connexes :

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

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

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

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 longs, l’agrément de conduite impose une boîte pilotée.

Dans la recherche de l’économie, la transmission a ici deux fonctions :

• Non seulement permettre l’utilisation du véhicule dans toutes les conditions de vitesse, de pente et d’accélération, comme d’habitude
• Mais aussi faire fonctionner le moteur dans sa zone du plan « Couple vs. Vitesse » apportant le meilleur rendement, contrairement à la pratique de la plupart des conducteurs de boîtes manuelles. 

Les courbes de rendement utilisées ci-dessous sont des courbes typiques estimées et construites par l’auteur à partir des données du constructeur. Des différences sur la position exacte de ces courbes ne changeraient pas la validité du projet, mais seulement les rapports de transmission.

Les 4 réseaux ci-dessous sont identiques en ce qui concerne la courbe de couple  et les hyperboles iso-puissance. Ils diffèrent par les couples requis selon la déclivité et les km/h en abscisses, paramètres qui dépendent du rapport de transmission.

Le quatrième rapport, à 40 km/h par 1 000 t/min, très long, est celui de l’économie : il doit maintenir dans la zone de rendement élevé les points de fonctionnement usuels en mode thermique permanent compris entre 80 et 160 km/h, pour un régime moteur variant de 2 000 à 4 000 t/min. Le point à 130 km/h est obtenu à 3 250 t/min et 42 Nm, dans la zone de rendement optimum. Il maintiendra cette vitesse sur une côte autoroutière de 2%, mais sans plus. Il ne permet pas d’utiliser la pleine puissance du moteur, et la voiture sera « molle ». C’est le rapport optimum à vitesse constante entre 90 et 130 km/h, occurrence très élevée sur route, voie rapide et autoroute.

 Le troisième rapport, à 25 km/h par 1000 t/min, est celui du confort de conduite péri-urbain et routier, dans une vaste plage de 50 à 150 km/ obtenus entre 2 000 et 6 000 t/min h (maximum du moteur), avec côtes de 3% à la vitesse maximum, 5% à 130 km/h, 6% à 110 km/h et 7% à 90 km/h. Il sera optimum en faibles côtes de 4 à 6%, de 50 à 100 km/h, et peut franchir 8% à 70 km/h, à son couple maximum.

Le second rapport, à 16 km/h par 1 000  t/min, est celui de l’accélération en conduite urbaine et péri-urbaine, dans la plage de 30 à 90 km/h, correspondant à 1 900 à 6 000 t/min moteur. Il permet aussi de gravir une pente à 12% sur toute cette plage, et même 14% entre 50 et 80 km/h. Sur terrain plat, l’accélération sera en moyenne de 1,3 m/sec², soit une reprise franche. A vitesse stabilisée, il est optimum pour des côtes de 8 à 12% gravies à des vitesses entre 30 et 60 km/h., mais permet aussi 12% à 90 km/h au prix d’un moindre rendement. Il n’est optimum à vitesse stabilisé que sur des côtes de  6 à 14% correspondant à des routes de montagne.

Le premier rapport, à 8 km/h par 1 000 t/min, est le rapport permettant le démarrage, les manœuvres et les fortes déclivités, jusqu’à 30% à 44 km/h. Se situant en général à faible couple moteur, il n’est pas destiné à être utilisé en permanence, même en ville, d’autant que dans ce cas, le moteur électrique sera privilégié.

Le rapport « adapté » pour avoir la puissance maximum (34 KW) à la vitesse maximum, serait de 31 km/h par 1 000 t/min et permettrait 175 km/h, illicite en France sur la voie publique, en mode thermique seul. Il conduirait à augmenter beaucoup la consommation, ainsi que les coûts des pneumatiques et des freins. N’étant pas dans l’esprit du véhicule, il n’est pas retenu.

La marche arrière est obtenue sur le premier rapport par inversion du sens de rotation du moteur électrique. Les deux moteurs ayant le même couple, maximum, la capacité en côte est identique à celle du premier rapport en mode thermique, soit 30%, mais à vitesse plus réduite (19 km/h), ce qui n’a aucun inconvénient.

Le calcul des accélérations de 0 à 100 km/h résultant du seul moteur thermique aboutit à :

• En mode économie, avec rapports intermédiaire limités à 4 000 t/min : 27 sec
• En mode performance, avec rapports inférieurs montés à 6 000 t/min : 16 sec

Elles permettent de rouler dans un flux de circulation urbaine ou routière de façon normale, mais n’ont aucune de prétention sportive. L’apport du moteur électrique permettra de réduire significativement ces temps (message suivant).

Cette motorisation minimum assortie de rapports longs en ferait un véhicule peu agréable à conduire sur les deux rapports les plus longs. Ceci sera compensé de deux manières :

• Une boîte pilotée performante, dépourvue de « trous » d’accélération s’impose donc, pour rétrograder rapidement et efficacement chaque fois qu’une accélération sera nécessaire.
• L’apport transitoire du moteur électrique qui augmente de 50% la puissance disponible.

Energie actuelle du transport routier

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Energie

Bâtiment

Véhicules

Profil

Sujets connexes au présent message

Modélisation du véhicule-type et validation

Architecture et énergie des véhicules alternatifs

Quels scénarios pour le futur ?

Résumé

• La consommation française totale de carburant pour usage routier, ici considérée comme énergie primaire, s’élève à 9,7 millions de mètres cubes d’essence et 40,4 millions de mètres cubes de gazole.
• L’énergie mécanique finale, nécessaire à la propulsion, qui en découle, est moins bien connue, car le rendement qui les lie selon le principe de Carnot est mauvais, et très variable selon une foule de paramètres.
• Le parc routier français comporte 38 millions de véhicules de diverses catégories,  faisant ici l’objet de pondération selon leur taille, qui parcourent annuellement l’équivalent de 636 milliards de kilomètres de véhicule de particuliers.
• Il en ressort une consommation moyenne de 7,8 litres de gazole aux 100 Km.

Dans le deuxième message, partant d’un véhicule-type diesel actuel et d’une utilisation-type, nous calculerons les diverses énergies finales, principalement mécaniques, nécessaires à la propulsion, puis évaluerons le rendement du moteur thermique dans ses différentes conditions d’utilisation pour parvenir à une consommation calculée, dont la coïncidence avec la consommation constatée validera la modélisation.

Dans le troisième message, 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.

Basé sur les trois précédents, un quatrième message tentera de décrire les scénarios les plus probables

1.     Besoins primaires actuels

Consommation nationale de carburant

En 2012, le parc routier circulant en France a consommé 9,7 millions de mètres cubes d’essence et 40,4 millions de mètres cubes de gazole (chiffres Union Routière de France) correspondant à 523 TWh d’énergie thermique. Ces carburants sont utilisés par des moteurs thermiques qui les transforment en énergie mécanique destinée à vaincre les forces de roulement, aérodynamiques, d’inertie et de gravité du véhicule, et à entraîner des auxiliaires : compresseur de climatisation, et alternateur fournissant l’énergie électrique nécessaire aux équipements électriques (éclairage, électronique, servomoteur, parfois chauffage des sièges…).

Si l’énergie ici primaire (carburants consommés) est ainsi bien connue, il n’en va pas de même de l’énergie finale mécanique produite, qui est liée à la première par un rendement :

• assez mauvais en application du principe de Carnot-Clausius,
• variable selon les véhicules et leur état d’entretien,
• très variable selon les conditions de circulation et le comportement du conducteur
• généralement évalué entre 25 et 30% en moyenne, à l’intérieur d’une très large fourchette de 10% à 40% selon le point de fonctionnement du moteur dans le diagramme « Couple vs. Vitesse de rotation », et même 0% au ralenti avec auxiliaires inactifs.

1.2. Parc routier

Dans les statistiques de l’URF, le parc actuel (2012) est segmenté :

• Par carburant : Essence ou Gazole,
• Par type de véhicule :
• VP : Véhicules de Particuliers
• VUL : Véhicules Utilitaires légers (PTC < 3,5 tonne)
• VI : Véhicules Industriels (3,5 < PTC < 44 tonnes)
• C&B : Car et Autobus

Quantité (K unités)	Essence	Diesel	Total
VP	12 223	19 377	31 600
VUL	417	5 479	5 896
VI	0	541	541
C&B	0	87	87
Total	12 640	25 484	38 124

1.3. Parcours routier 

La même source donne le parcours annuel par catégorie. Il est facile de l’extrapoler par carburant, en vert, en conservant la moyenne pondérée.

Parcours unit. (Km)	Essence	Diesel	Moy. pond	Commentaires
VP	9 054	15 000	12 700	Validé par la ligne VP du tableau suivt.
VUL	11 760	16 000	15 700	VUL essence rares. Peu critique
VI	0	33 100	33 100
C&B	0	36 200	36 200

Aux fins de valider cette extrapolation, on pondère les véhicules au prorata de leur consommation estimée en conservant pour base le VP diesel, de loin le plus répandu :

Pondération	Essence	Diesel	Commentaires
VP	0,9	1,0	Les VP essence sont en moyenne plus petits
VUL	1,3	1,6	La plupart des VUL a des « S Cx » plus élevés
VI		5,0	Un VI consomme en moyenne 5 fois plus qu’un VP
C&B		3,0	Un bus consomme en moyen. 3 fois plus qu’un VP

Le produit terme à terme des 3 tableaux ci-dessus permet d’aboutir au parcours (en milliards de Km) d’un parc constitué de véhicule-type, correspondant au VP diesel moyen, en quantité majorée selon les coefficients de pondération, et aboutissant à la même consommation globale :

Parcours total (G Km)	Essence	Diesel	Total
VP	100	291	390
VUL	6	140	147
VI	0	90	90
C&B		9	9
Total	106	530	636

1.4. Consommation moyenne par véhicule

Ces totaux peuvent être rapprochés des consommations annuelles constatées (en millions de m³) par carburant pour aboutir à la consommation moyenne du véhicule-type :

Consommation (M m3)	Essence	Diesel	Total
Ensemble	9,7	40,4	50,1
Coeff. équivalence gazole	93%	100%
Consom. ramenée au gazole	9,0	40,4	49,4
Consom. moy. l/100 Km	8,53	7,62	7,77

Ce chiffre peut paraître élevé en regard des consommations affichées par les constructeurs selon cycle NDEC. Il n’en n’est rien, car ces dernières sont purement théoriques et pratiquement non reproductibles, alors que le chiffre ci-dessus intègre les conditions de trafic difficiles, les véhicules anciens (moyenne du parc tourisme de 8,3 ans), le mauvais entretien, les conducteurs maladroits, nerveux ou sportifs, les freins aérodynamiques (galeries, vélos…), la consommation des auxiliaires (climatisation, éclairage, servomoteurs, électronique), etc.

1.5. La transition énergétique

Que ce soit pour des préoccupations écologiques ou en raison de l’épuisement des  ressources en pétrole, il est nécessaire d’envisager, à très long terme, un parc routier sans carburants fossiles.

La substitution des biocarburants ne pourrait être qu’une solution partielle, et probablement provisoire, car ils sont en concurrence avec l’alimentation humaine, laquelle est en croissance démographique et qualitative. Leur mise en œuvre dans les véhicules étant quasi-identique, elle ne nécessite pas de connaître l’énergie finale avec précision. Pour ces deux raisons, nous ne les considérerons pas dans cette analyse.

Les véhicules hybrides apportent une amélioration significative de l’efficacité énergétique en milieu urbain, et connaissent de ce fait une croissance rapide. Néanmoins, ils tirent du carburant toute (si non connectables) ou la majeure partie (si connectables) de leur énergie primaire. Nous ne les considérerons donc pas non plus ici.

Les solutions alternatives reposent toutes sur l’utilisation de l’énergie électrique selon 3 familles pouvant être hybridées entre elles :

• Stockage dans des batteries
• Utilisation de l’hydrogène électrolytique comme vecteur d’énergie
• Utilisation directe à partir de caténaires.

Il va de soi que si, dans un avenir lointain, tout le parc routier devait être électrique, ses besoins en énergie électrique nécessiteraient un développement important des moyens de production. Pour l’évaluer, nous procéderons en  deux étapes, chacune dans un message dédié, selon le schéma ci-dessous :

Dans le second message, analyse du véhicule diesel-type sur le trajet type, c’est à dire la situation actuelle:

• En 3.1. paramètres du véhicule-type et en 3.2.  profil d’utilisation
• En 3.3 besoins en énergie finale (principalement mécanique) :
• En 3.4.1. hypothèses de rendement déterminant en 3.4.2. le besoin en énergie primaire (ici carburant) et modification ou validation en 3.4.3. des hypothèses ci-dessus

Dans le troisième message, analyse des véhicules alternatifs sur le même trajet-type, et de leur consommation électrique

• Architectures alternatives et de leur rendement pour les mêmes des paramètres et profil d’utilisation que le véhicule-type
• Besoin des architectures alternatives en énergie primaire (ici électrique), et évaluation de l’énergie supplémentaire requise pour un parc entièrement électrique.