Synoptique énergie France 2010

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Le synoptique 2011 est publié

Synoptique de l’énergie en France en 2010

Les tableaux de chiffres sont nécessaires à l’analyse, mais ils peinent à donner une vision globale propre à une bonne synthèse. Nous avons essayé d’y remédier.

Le synoptique global ci-dessous montre les flux d’énergie partant des énergies primaires (en haut) et allant vers les utilisations (à gauche), avec l’intervention de l’énergie électrique (à droite), sans oublier les énormes pertes de conversion des énergies primaires thermiques vers des utilisations mécaniques ou électriques (en bas). Il est entièrement appuyé sur les chiffres de l’INSEE 2010 récemment publiés, sauf la partie basse (en dessous de la ligne pointillée rouge) qui repose sur une hypothèse de rendement des moteurs thermiques utilisés dans les transports, qui permet de mieux évaluer l’importance  relative des différents flux.

Chaque flux annuel d’énergie est représenté avec une largeur proportionnelle à ce flux. Ils sont exprimés en TEP (Tonne Equivalent Pétrole), en noir, avec mention complémentaire de l’énergie électrique en MWH (Mega Watt Heure) sur la base  TEP = 11,63 MWH, en bleu.

Regardant les énergies primaires (haut du tableau), on est frappé par la place prépondérante de deux poids lourds :

• Les énergies fossiles (50%), entièrement importées, promises à une raréfaction rapide (pétrole et gaz) ou à moyen terme (charbon), très émettrices de CO2 (oui, même le gaz, malgré des publicités abusives le présentant comme vert), mais difficiles à remplacer en raison d’un rapport énergie/masse imbattable.
• L’énergie thermique nucléaire (42%), entièrement destinée à être transformée en énergie électrique avec un médiocre rendement de 33%. L’utilisation de la chaleur, notamment issue de la source « froide », c'est-à-dire du condenseur, est techniquement possible, mais l’eau tiède ayant la fâcheuse propriété de se refroidir assez vite, cette utilisation nécessiterait de mettre le réacteur au cœur de la ville…
• Les énergies renouvelables (9%) sont très diverses. Remarquons que les 3 principales (l’hydraulique, le bois de chauffage et les déchets urbains, soit 71% du renouvelable) sont fort anciennes. L’éolien et le photovoltaïque dont on parle tant, souvent à tort et à travers, ne représentent que 3% du renouvelable, ou 0,3% du total.

Suivons ensuite les flux d’énergie électrique, en violet, sur la droite, du haut vers le bas :

• L'électricité est aux ¾ nucléaire, mais cette moyenne sur l’année cache une réalité plus complexe. Rappelons que la puissance installée du parc nucléaire est de 63 GW (taux de disponibilité d’environ 80%), alors que la puissance demandée par le réseau varie dans des proportions considérables, de 6 à 92 GW. Les pointes sont courtes. Ceci signifie que la plupart du temps, la demande peut être satisfaite par le nucléaire seul, auquel s’ajoutent néanmoins un petit apport des énergies fatales (celles qu’on utilise parce qu’elles sont là : l’hydraulique de basse chute, l’éolien..).
• Si la demande croît, on recourt à l’hydraulique de haute chute, et si c’est insuffisant, aux centrales thermiques. Ces dernières ont une capacité de production élevée, peuvent démarrer presque sans préavis, mais produisent des KWH coûteux et chargés en CO2.

Examinons ensuite les utilisations, sur la gauche du tableau :

• Les activités professionnelles représentent 29% de la consommation, très répartie entres les différentes énergies possibles. On ne peut en tirer aucune conclusion globale à ce stade.
• Le secteur résidentiel et tertiaire, autrement dit logements, bureaux, écoles, hôpitaux, administrations, atteignent 53% de l’énergie consommée, qui se répartissent entre :
•  le chauffage qui atteint 44%, dont environ la moitié par gaz ou fuel, et un quart par électricité.
• les consommateurs électriques spécifiques qui ne dépassent pas 9%.

C’est ici que l’on voit l’intérêt du chauffage par pompes à chaleur qui, selon leur technologie, permettent un chauffage de 2,5 à 3,5 fois la puissance électrique consommée. Ceci veut dire que si l’intégralité des locaux chauffés électriquement utilisait des pompes à chaleur (disons coefficient 3), la puissance électrique ainsi économisée serait suffisante pour substituer des pompes à chaleur la totalité  des chauffages au fuel et au gaz. Les émissions françaises de CO2 seraient réduites d’environ un quart, sans extension du parc nucléaire. Ceci ne signifie évidemment pas qu’il soit possible de réaliser cette évolution rapidement su le parc de bâtiment existants, pour de multiples raisons. Elle n’est possible que progressivement, avec un investissement élevé, surtout pour l’habitat neuf, mais elle est parfaitement raisonnable et très efficiente. C'est une voie ou la France est très en retard, notamment par rapport à la Suisse ou la Finlande, elles aussi productrices d'électricité décarbonée.

• En dehors de la petite exception ferroviaire, les transports n’utilisent que du pétrole, et en quantités considérables : 46 MTEP, soit 56% de la consommation française. Mais l’usage, notamment de l’INSEE, de chiffrer la consommation énergétique des transports en pétrole, n’est qu’une simplification qui biaise l’appréciation : pour faire rouler un véhicule terrestre (40 MTEP), il faut évidemment de l’énergie mécanique et non de la chaleur. Or cette conversion est faite par des  moteurs thermiques dont le rendement effectif en situation n’excède pas environ 20%, chiffre pris par hypothèse dans le synoptique. Le rendement d’un turboréacteur, plus difficile à définir puisqu’il fournit une poussée statique et non une puissance, n’est pas meilleur pour les mêmes raisons. Tout le reste, soit 39 MTEP, est dissipé en chaleur perdue.

On ne peut pas raisonner correctement sur la problématique de l’énergie sans examiner ces pertes en elles-mêmes 

• Elles sont monstrueusement élevées : 140 MTEP, soit 52% de la puissance primaire totale consommée en France. Qui sont les coupables ? Les moteurs, au sens large : moteurs de véhicules, turbines à gaz ou à vapeur, qui transforment l'énergie thermique (d'origine chimique) en énergie mécanique:
• Mais ces moteurs ont deux avocats, ou plutôt deux physiciens qui en on fait la théorie:
• Le français Sadi Carnot (1796-1832) a posé le 2^ème principe de la thermodynamique selon lequel le rendement de conversion de l’énergie thermique en énergie mécanique ne peut pas dépasser  1 - T₂ / T₁, où T₁ et T₂ sont les températures initiale et finale du fluide thermodynamique, exprimées en ° Kelvin (= °C + 273).
• Partant des travaux du précédent, l’allemand Rudolf Clausius (1822-1888) a généralisé cette théorie avec la fonction entropie : (E = ∫ dq / T). Nous y reviendrons dans un message ultérieur.

La pratique étant toujours moins favorable que la théorie, les rendements de conversion  d’un moteur thermique à pistons sont souvent inférieurs à 20%, et n’atteignent 35% que dans les conditions idéales de fonctionnement. Les turbines à gaz et à vapeur ne font pas beaucoup mieux, seules les récentes turbines à cycle combiné (gaz + vapeur) arrivent à dépasser les 50%. Les progrès technologiques ont permis, et permettront encore, de grapiller quelques points, mais sans changer radicalement la face des choses.

• Ces loi de la physique n’ont pas que des inconvénients : elles permettent la pompe à chaleur, qui restitue 2 à 3 fois plus d’énergie thermique qu’elle ne consomme d’énergie mécanique. C’est un frigo à l’envers : on refroidit l’air ou le sol, voire l’eau si on en a, et l’énergie thermique gratuite ainsi récupérée dans la nature vient s’additionner à l’énergie mécanique (d’origine électrique) consommée.
• Il faut retenir de tout cela que :
• Il y a des énergies nobles (mécanique et électrique), aisément convertibles l’une dans l’autre, avec un très bon rendement, et en chaleur, avec un rendement de 100%.
• L’énergie thermique est d’autant moins noble, c'est-à-dire d’autant plus difficile à transformer en énergie mécanique, qu’elle est disponible à basse température : l’eau tiède, même en grande quantité, ne permet pas de faire de la vapeur à haute pression pour faire tourner des turbines.
• C’est vrai à l’envers : le rendement d’une pompe à chaleur utilisant de l’énergie mécanique sera d’autant meilleur que les températures T₁ (fluide de chauffage)  et T₂ (air ou sol) seront proches.
• Il ne faut pas perdre de vue les autres pertes, même si elles sont minoritaires :
• Les rendements de conversion : cokéfaction du charbon, distillation du pétrole, transformation  de tension électrique…
• Les rendements de transport : énergie consommée, perte en lignes électrique…

Bilan énergie de la France en 2010

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5/12/2012 : Le synoptique 2011 est publié

Voir aussi le tableau synoptique de l'énergie en France





















Energies primaires

On appelle ainsi les énergies de base qui préexistent à l’état naturel, avant traitement ou transformation.  Elles sont exprimées en TEP (Tonne Equivalent Pétrole). Rappelons que:

1 TEP = 11,63 MWH (Méga Watt Heure) = 42 GJ (Giga Joule)

Pour déterminer cette équivalence, on compare le pouvoir calorifique de chacune avec celui du pétrole brut, qui est de l’ordre de 42 MJ/kg :

• Les hydrocarbures liquides, voisins de 44 MJ/Kg
• Les hydrocarbures gazeux,  légèrement supérieurs, parmi lesquels le méthane (à peu de choses près le « Gaz naturel », norme « G20 ») culmine à 50 MJ/Kg.
• Le charbon est nettement inférieur, avec 20 à 25 MJ/Kg, le bois encore notablement inférieur.
• La chaleur d’origine nucléaire, difficile à mesurer et purement locale, est par convention égale au triple de l’énergie électrique produite par la centrale électronucléaire.
• Les énergies d’origine mécanique (hydraulique, éolienne, marémotrice…) sont comptées directement en MJ.

On verra plus loin que cette mise en équivalence est :

• Pertinente pour les applications thermiques dont le but final est de chauffer (eau sanitaire, locaux, procédé industriel…)
• Biaisée quand il s’agit de produire de l’énergie mécanique ou électrique, en raison de facteurs de rendement très différents.

Les secteurs du grand cercle ci-dessous montrent les grandes énergies primaires :

• L’énergie nucléaire primaire est la plus importante. Il s’agit bien ici de la chaleur produite par la réaction de fission nucléaire, qui n’est jamais utilisée directement, et non de l'énergie électrique produite.
• La moitié de ces énergies primaires est d’origine fossile, principalement du pétrole et du gaz naturel, avec une petite part (4%) de charbon. Ils sont tous entièrement importés (>98%), car la France en est dépourvue. Face à l’accroissement de la demande, avec une production stagnante  et une demande en très forte hausse du fait des pays émergents, leurs prix vont continuer de croître très vite avec leur raréfaction en une génération, environ 30 ans. Les réserves de charbon peuvent atteindre un siècle ou deux, sauf si on le substitue aux hydrocarbures, ce qui en accélérerait l’épuisement.
• L’énergie hydraulique est presque idéale : son apport est significatif, elle est principalement nationale, dépourvue d'émissions, renouvelable, silencieuse, capable de participer aux pointes de production selon leur site, totalement prévisible à moyen terme. Son seul défaut est qu’en France tous les sites raisonnablement possibles sont déjà équipés : on ne peut guère la faire croître.
• Le bois est la plus ancienne des énergies primaires. Il ne s’utilise qu’en chauffage et demande beaucoup de main d’œuvre. Il n’est renouvelable et dépourvu d’émissions que si on ne le consomme pas plus vite que les forêts ne le produisent, ce qui ne doit pas être oublié. Pour cette raison, il peut difficilement se substituer aux autres modes de chauffage.

Le secteur rose des énergies alternatives ne représente que 2% du total. Pour plus de lisibilité, il est repris et éclaté dans le petit cercle à secteurs en dessus, où les % sont en fait des « % de 2% ». Les surfaces des deux cercles sont à la même échelle.

• La combustion des déchets urbains, des résidus agricoles, ou du gaz de fermentation (biogaz)  est une méthode raisonnable, mais limitée de produire de la chaleur (chauffage urbain) ou de l’électricité.
• Les biocarburants, pratiquement mélangés aux  carburants, ont un apport significatif, 0,8% du total. Mais leur production par l'agriculture rentre en concurrence avec l'alimentation animale et humaine, ce qui en limite fortement les perspectives. 
• En France, la géothermie, dont l’Islande volcanique tire la majeure partie de son énergie, est malheureusement limitée tant dans le territoire français (certaines zones volcaniques) que par des températures peu élevées, qui peuvent assurer du chauffage, mais pas faire de la vapeur permettant la production d’énergie électrique.
• L’éolien et le photovoltaïque seront traités ci-dessous à propos de la production électrique. Leur extrême médiatisation et leur visibilité considérable ne doit pas faire oublier qu’ils sont, en 2010, insignifiants.

Production d’électricité

L’énergie électrique est une énergie finale qui, contrairement aux autres, n’existe pas sous cette forme dans la nature. C’est une énergie « noble », en ce sens qu’elle peut être aisément convertie en énergie mécanique avec un excellent rendement, ou thermique avec un rendement de 100%, voire beaucoup plus, jusqu’à 300% avec  un artifice : les pompes à chaleur. Son principal inconvénient est de n’être pratiquement pas stockable à l’échelle d’un réseau de distribution.

Le cercle ci-dessus donne la répartition de la production entre les principales filières de production :

• Le nucléaire assure l’essentiel (76%) de la production. Ce pourcentage est une moyenne :
• en été, la puissance nucléaire additionnée aux filières fatales (hydraulique au fil de l’eau, marémotrice, éolienne…) fait face à le demande sans utiliser tous les réacteurs, et se trouve donc proche de 100%.
• En pointe, par grand froid, en soirée d'un jour ouvrable, elle ne produit, à pleine puissance disponible, qu’une part minoritaire de l’énergie demandée.

Il a beaucoup de qualités : disponibilité, coût marginal de production très bas après un investissement très important amorti sur une longue durée de vie, absence d’émissions de CO₂. Il est pourtant controversé en raison de sa dangerosité potentielle, mais jamais avérée dans sa technologie EPR. Son principal défaut objectif est un manque de souplesse : sauf à accepter un moindre rendement des barres de combustible, il vaut mieux le cantonner à deux états : proche de la puissance nominale, ou arrêt.

• Les combustibles fossiles (charbon, pétrole et gaz, soit 11% au total) sont au contraire utilisés par des filières de pointe qui  fournissant une énergie chère et émettrice de CO₂ quand la demande du réseau excède la capacité de production du nucléaire et de l’hydraulique.
• L’hydraulique de haute chute a presque toutes les qualités : coût marginal de l’énergie presque nul après un investissement important amorti sur une durée de vie pratiquement illimitée pour le génie civil (prépondérant). Mais elle est limitée. Sa dangerosité potentielle existe, mais n’émeut plus guère, malgré l’écroulement du barrage de Malpasset sur le Var, près de Fréjus, qui fit 423 morts en 1959, mais qui n’était pas hydroélectrique.
• Les renouvelables électriques sont tout petit (éolien, moins de 2 %) ou insignifiant (photovoltaïque qui ne dépasse pas l’épaisseur du trait). Ils sont portant très visibles dans le paysage comme sur la dernière ligne des factures d’ERDF, la CSPE. En plus, ce sont des énergies fatales, qui tombent quand elles tombent, dans une large mesure quand on  n’en n’a pas besoin. Leur suppression du jour au lendemain, ne poserait aucun problème à ERDF ! Elles contribuent quand même à économiser un petit peu…d’uranium, mais ne réduisent que rarement le CO₂, car elles ne produisent jamais (photovoltaïque) ou rarement (éolien) pendant les soirées de grands froids.

Consommation d’énergie finale 2010 par secteur

Les utilisateurs consomment de l’énergie sous 5 formes :

• Pétrole et dérivés, Electricité, Gaz naturel, Charbon, Renouvelables thermiques

Dans 4 types d’utilisations :

• Professionnelles, Résidentiel et tertiaire (habitations et bureaux), Transports (routiers, ferroviaires, aériens), Non-énergétique (pétrochimie, plastiques…)

La répartition figure dans le tableau ci-dessous. Les constations suivantes s’imposent :

• La part importante du pétrole partout, sauf dans le transport ferroviaire. Il est exclusif dans les transports routiers et aériens, en y incluant les carburants de synthèse renouvelables, applications pour lesquelles il est difficilement substituable.

• Le charbon n’est utilisé que par des industriels, notamment par la sidérurgie pour laquelle il n’est pas substituable (fabrication de fonte dans les hauts-fourneaux, qui nécessite du coke, carbone presque pur résultant de la distillation du charbon).
• Le gaz est pratiquement utilisé pour des applications de chauffage (procédé industriel, locaux, cuisson…), mais a peu d’applications spécifiques en dehors de la chimie.
• L’électricité est utilisée, aussi bien à titre professionnel que tertiaire, dans deux types d’application : spécifiques (moteurs, éclairage, électrolyse, informatique et vidéo, climatisation, micro-ondes, plaques à induction), ou thermiques (chauffage industriel, de locaux, d’eau sanitaire, cuisson). Dans les premières, elle n’est pas substituable, dans les dernières, elle est le plus souvent en concurrence avec le gaz ou le pétrole.
• Il résulte des deux paragraphes précédents qu’il existe plusieurs manières (non antagonistes) de réduire notablement les émissions françaises de CO2 en augmentant la part de l’électricité dans les applications thermiques, au détriment du gaz et du pétrole :
• En augmentant le nombre de chauffages résidentiels « bi-énergie » et de tarification du KWH à un prix variable « Tempo » ou plus élaborée, pour saturer les capacités de production nucléaire existantes (investissement faible).
• A capacité nucléaire constante, en généralisant les pompes à chaleur, de préférence « géothermiques » chaque fois que possible, à défaut « aérothermiques », en substitution des chauffages électriques conventionnels ET des chauffages à gaz (investissement réparti lourd, mais possible).
• En augmentant la capacité nucléaire (investissement centralisé lourd, mais possible), pour étendre le chauffage électrique conventionnel au détriment du gaz et du fioul.

Un message ultérieur, en cours de préparation, détaillera et chiffrera ces évolutions.

La Toyota Prius et son système HSD

Les illustrations de cette fiche viennent de Wikipedia

Ce véhicule comporte 3 moteurs :

·        Un moteur thermique M_th conventionnel à cycle d’Atkinson

·        2 machines électriques synchrones à aimants permanents, « brushless » :

o   1 machine dite M₁ ou « vitesse » utilisée le plus souvent en génératrice

o   1 machine dite M₂ ou « couple » utilisée le plus souvent en moteur

La transmission de puissance depuis le moteur thermique jusqu’à l’utilisation repose sur un train épicycloïdal dont il est nécessaire de comprendre la nature et les propriétés. Il est composé

·        d’un pignon central (beige) de n₁ dents relié à la machine M₁

·    de quatre pignons planétaires (bleus, aussi appelés satellites) de n₂ dents engrenés sur le pignon central, dont les axes sont parallèles et fixés à un flasque tournant solidaire d’un axe central tubulaire concentrique à l’axe du pignon central, et lié au moteur thermique M_th

·       d’une couronne à denture intérieure ayant n₁+ 2 n₂ dents, engrenée sur les 4 planétaires, solidaire d’un arbre de sortie qui est celui de la machine M2 et de la transmission qui va attaquer le couple conique. 

Un tel train épicycloïdal a des propriétés particulières :

·        Les couples des 3 axes Г₁, Г_th et Г₂ sont dans un rapport constant :

Г₁ / k = Г₂ / 1 = Г_th / (1+k)

où k = n₁ /n₂

·        Les vitesses angulaires ω₁, ω_th et ω₂ des 3 axes sont liées par 

ω₂ = ω_th (1+k) / k - ω₁ / k

Ces propriétés sont exploitées dans le HSD (Hybrid Synergy Drive).

En fonctionnement thermique, par définition, la batterie n’est pas sollicitée. La transmission électrique reste indispensable, car la transmission mécanique est dans un rapport fixe, et est toujours en marche avant, faute d’inverseur mécanique. Le moteur thermique fournit la puissance mécanique aux planétaires, et via ces dernier à la machine M₁, ici génératrice. Cette dernière la transforme en puissance électrique fournie à la machine M₂, ici moteur, qui est solidaire de la couronne et ajoute un couple supplémentaire à celui (Г₂) résultant du train épicycloïdal. Le ratio transmis par voie mécanique ou par voie électrique est géré par le système HSD, mais de manière générale, la transmission électrique est prépondérante à petite vitesse, puis décroît aux vitesse moyennes pour devenir négligeable ou nulle aux vitesses élevées.

                                     Schéma établi par l'auteur. La "Boîte de vitesses" est ici le train épicycloïdal

En fonctionnement électrique pur, le moteur thermique est arrêté (ce qui ne veut pas dire à couple nul). Les machines M₁ et M₂ sont toutes deux motrices, la répartition de puissance entre elles résultant du couple de chacune des deux machines (toujours dans un rapport k) multiplié par sa vitesse angulaire, gérées par le système.

En fonctionnement mixte, la batterie est sollicitée. Deux cas sont possibles :

·       Charge de la batterie par la machine M₁ utilisée en générateur, au détriment de l’apport de puissance à M₂ Ceci se produit en cas du ralentissement ou de freinage récupératif, mais aussi en cas de nécessité de recharge de la batterie.

·        Décharge de la batterie par la machine M₂, et éventuellement M1, suivant une répartition gérée par le système, pour obtenir une accélération plus forte, ou gravir plus rapidement une forte pente.

La marche arrière est purement électrique.

En freinage, avec ou sans moteur thermique, M2 transforme, dans la limite de sa puissance de crête et de la capacité de charge de la batterie, l’énergie cinétique du véhicule en énergie électrique qui charge la batterie.

Le démarrage du moteur thermique est possible :

·        A l’arrêt du véhicule (M₂ arrêté ce qui ne veut pas dire à couple nul),

·        En marche

Pratiquement, le système HSD arbitre entre les différents modes de fonctionnement ci-dessus en fonction d’un grand nombre de paramètres et d’algorithmes qui font partie du savoir faire du constructeur, et donc non communiqués.

Cette conception très innovante :

·        ajoute 2 machines électriques synchrones, une batterie, un train épicycloïdal et un système de commande numérique HSD,

·        mais supprime  un embrayage, une boîte de vitesse,  un alternateur et un démarreur.

En termes d’économie de carburant, et donc d’émissions de CO₂, ce HSD permet :

• une variation continue de la plupart des paramètres (Г_th, Г_M1, ω_M1 et ω_th) pour les placer au mieux dans les courbes de rendement du moteur thermique,
• d’optimiser l’utilisation à faible vitesse, et donc à très faible puissance (vitesse inférieure à 40 ou 50 km/h), alternativement en électrique pur et en thermique avec recharge de la batterie,
• de récupérer l'énergie cinétique au freinage au lieu de la dissiper en chaleur.

Ses limites résident dans :

·      Le rendement de la chaîne de transmission de puissance mécanique depuis l’entrée de M1, via une transformation en énergie électrique, jusqu’à à la sortie de M2 sous forme mécanique. Des sources citent 75%, probablement à pleine puissance, donc sans doute nettement meilleur à puissance intermédiaire, mais loin du rendement d’une boîte mécanique.

·        Un couple de sortie limité par le couple du moteur thermique, par la puissance instantanée de la batterie et par les rapports fixes du train épicycloïdal.

En termes de rendement, l’intérêt d’une telle transmission par rapport à une boîte  conventionnelle :

·        soit mécanique conventionnelle à 6 vitesses très bien utilisée,

·        soit automatique pilotée, par exemple à 6 vitesses, ou type DSG de Volkwagen à 7 vitesses et 2 embrayages,

reste à démontrer. Ses points forts demeurent  les très petites vitesses, et la récupération d’énergie au freinage (descente ou ralentissement) qui caractérisent la circulation urbaine.

La Toyota Prius affiche pourtant une émission de CO2, et donc une consommation, inférieures aux véhicules conventionnels comparables en cycle routier. Pourquoi ? Il y a deux raisons, qui n'ont rien à voir avec sa transmission hybride :

• Aérodynamique :La Prius affiche un Cx de 0,25 un peu inférieur à celui de ses proches concurrentes
• Motorisation : La Prius 3 est équipée d’un moteur thermique à cycle Atkinson. Cette variante du cycle Beau de Rochas, anciennement connue, mais très rarement utilisée, permet d’améliorer le rendement au détriment de la puissance pour une cylindrée donnée. L'amélioration n'étant significative que dans une plage de fonctionnement assez étroite, cette technologie est donc ici bien adaptée car l'hybridation permet précisément de faire travailler le moteur le plus souvent dans cette plage.

Véhicules hybrides non rechargeables

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Parmi les véhicules dits « électriques », cette catégorie est actuellement de loin la plus répandue, tirée par Toyota avec sa Prius et son « Hybrid Synergy Drive », et poussée par des subventions.

Remarques préalables :

« Hybride » signifie que le véhicule dispose, en plus du moteur thermique conventionnel, d’un ou plusieurs moteurs électriques, et d’une batterie associée. On peut imaginer que l'hybridation soit autre qu'électrique, et notamment à volant d'inertie ou à air comprimé permettant de stocker l'énergie.

« Non rechargeable » ou « no plug » signifie que la batterie n’est en aucun cas rechargée par le réseau électrique, mais toujours par le moteur thermique via le moteur électrique alors utilisé en générateur.

Il s’en suit que ces véhicules, bien que dits hybrides, n’utilisent en fait qu’une seule énergie : celle du carburant transformée en énergie mécanique par le moteur thermique. Le caractère hybride ne concerne que la transmission de cette énergie mécanique:

·        par voie mécanique, ou par voie électrique,

·        pour cette dernière, immédiate, ou différée par la batterie.

Puissance électrique d’un véhicule hybride

Contrairement à un moteur thermique, un moteur électrique, capable de fournir en permanence une puissance déterminée, est aussi capable de fournir beaucoup plus en étant suralimenté, au prix d’un échauffement qui limite la durée de cette puissance accrue, d’autant plus courte qu’elle sera élevée. Les puissances annoncées pour les moteurs électriques sont des puissances de crête, ou proches de celles-ci.

Un véhicule hybride va donc disposer :

·      d’un moteur thermique de cylindrée plus ou moins réduite, fournissant un peu plus de la puissance maximum nécessaire pour rouler à la vitesse de croisière sur sol horizontal,

·       d’un ou plusieurs moteurs électriques dont les fonctions dépendent du niveau d’hybridation, lui-même dépendant principalement de la puissance du moteur électrique et de la capacité de la batterie associée, comme explicité ci-dessous.

Niveaux d’hybridation

L’énergie électrique peut intervenir de différentes manières  dans le fonctionnement des véhicules comportant un moteur thermique. On classe les véhicules par niveau d’hybridation croissant, comme suit :

Stop and Start (Microhybride) : L’alternateur et le démarreur conventionnels sont remplacés par une machine électrique unique, couplée au moteur par courroie,  qui permet :

·        de charger la batterie quand le moteur tourne, comme un alternateur,

·        de faire démarrer le moteur thermique quand il est arrêté, comme un démarreur, mais silencieux et avec une durée de vie accrue.

Le moteur du véhicule s’arrête automatiquement quelques secondes après l’arrêt du véhicule. Il redémarre automatiquement dès que l’accélérateur est sollicité. Ceci permet de réduire la consommation et les émissions en utilisation urbaine et dans les encombrements.

Start and Go (Freinage récupératif) : Avec les seuls éléments ci-dessus un peu plus largement dimensionnés, on peut obtenir un premier niveau de freinage par la machine électrique qui transforme l’énergie cinétique du véhicule en énergie électrique stockée dans la batterie. La limite de ce freinage est liée à la puissance de l’alternateur  (4 Kw dans l’exemple ci-dessous) et à la capacité de la batterie.

·        Un véhicule de 1400 kg roulant à 36 km/h (10 m/s) a une énergie cinétique de 70 KJ qui peut être absorbée par un alternateur de 4 Kw en 16 secondes (ralentissement très lent).

·        Le même véhicule roulant à 144 km/h (40m/s) a une énergie cinétique de 1 120 KJ qu’un freinage d’urgence doit absorber en 5 secondes. La puissance moyenne requise est de 224 Kw, qui seront dissipés à 98% par le freinage conventionnel.

·        En descente, la capacité récupérative de l’alternateur se limite à une pente de 1,5% à 72 km/h (20m/s), hors forces de roulement et aérodynamique prépondérantes. Elle est très faible. 

Ces exemples montrent que le freinage récupératif est un avantage essentiellement urbain. Un conducteur anticipant ses arrêts en tirera le meilleur parti.

Tableau extrait du rapport Syrota 2009

Mild hybrid (hybride léger) : Cette catégorie est dans son principe proche de la précédente, sauf en ceci que :

·        la machine électrique est montée entre l’embrayage et la boîte de vitesses,

·        sa puissance peut atteindre ou dépasser 10 Kw,

·        la capacité de batterie est augmentée en proportion.

Toutes les fonctions précédentes sont maintenues, mais la puissance électrique accrue permet :

·        un freinage récupératif 3 fois plus efficace, qui devient significatif

·        une petite aide aux accélérations qui aboutit à maintenir les performances avec un moteur thermique un peu moins puissant.

Cette solution réduit comme les précédentes, et un peu mieux qu’elles, la consommation et les émissions en ville, et apporte en plus un léger gain en utilisation routière en raison de l’utilisation d’un moteur moins surabondant, ayant donc un meilleur rendement. Elle ne permet pas un fonctionnement uniquement électrique du véhicule : en dehors de l'arrêt du véhicule, le moteur thermique tourne en permanence.

Full hybrid (hybride intégral) : Cette catégorie accède au fonctionnement uniquement électrique sur des distances courtes, tout en conservant le carburant comme unique source d’énergie. Elle requiert une puissance électrique d’au moins 30 kw, et une batterie d’une capacité d’au moins 1 Kwh pouvant fournir par exemple 10 Kw pendant 6 minutes à petite vitesse, soit une autonomie (à pleine décharge) de l’ordre de 4 km.

La diversité des fonctions assurées, et la recherche de l’optimisation des rendements, notamment du moteur thermique, par une commande numérique complexe, amène à des architectures de transmission variées, pouvant être très différentes des architectures conventionnelles. Voir fiche sur la « Toyota Prius 3 ».

La puissance électrique significative permet :

·        un freinage récupératif beaucoup plus important : pente à 10% à 20 m/s, ou de 20 m/s à l’arrêt en 9 secondes sur du plat,

·        une assistance significative aux accélérations qui permet elle-même..

·   une réduction significative de la puissance du moteur (« downsizing ») permettant d’améliorer son rendement en toutes circonstances, sans perte de perfomance,

·        un fonctionnement purement électrique en usage urbain ou encombré sur de courtes distances.

Architectures des transmissions hybrides

Hybride série : c’est une transmission purement électrique : le moteur thermique  et la génératrice constituent un groupe électrogène qui alimente un moteur électrique qui entraîne l’arbre de transmission. La batterie située sur la transmission électrique permet de stocker ou au contraire de fournir de l’anergie selon les conditions d’utilisation.

Cette transmission a l’inconvénient évident d’un rendement médiocre, produit des rendements de chacune des deux machines électriques. Pratiquement, on ne la rencontrera que sur des véhicules hybrides connectables ayant une batterie de bonne autonomie. Le groupe électrogène est alors qualifié de "prolongateur".

Hybride parallèle : Un moteur thermique est suivi d’une transmission classique : embrayage, boîte de vitesses. Le couple d’entrée de boîte peut se voir augmenté ou réduit par l’intervention d’une machine électrique reliée à une batterie et couplée à la même entrée. Cette transmission est pratiquement la seule utilisée dans les premiers niveaux d’hybridation.

  

Hybride à dérivation de puissance : Outre une transmission mécanique conventionnelle ou non, la transmission comporte deux machines électriques :

·        l’une essentiellement génératrice, en sortie du moteur thermique,

·        l’autre, essentiellement moteur, en sortie de transmission mécanique.

Il est ainsi possible de transmettre de l’énergie mécanique à l’arbre de transmission :

·        en partie par voie mécanique, comme dans un véhicule conventionnel,

·        en partie par voie électrique, comme dans un hybride série,

·        et de maîtriser cette répartition.

La batterie intervient, en apport ou prélèvement d’énergie, au niveau de la chaîne de transmission électrique.

Cette dualité permet une simplification importante de la chaîne de transmission mécanique. La médiocrité du rendement évoquée à propos des transmissions série subsiste, mais est limitée à une petite partie de la puissance.

Ce type de transmission est notamment celui de la Toyota Prius qui fait l'objet d'un message dédié.

Avantages possibles du véhicule hybride (selon les architectures)

·    Moteur thermique plus petit, fonctionnant plus près de sa plage de rendement optimum, consommant un peu moins en fonctionnement routier ou autoroutier usuel.

·        Capacité de freinage récupératif : le premier niveau de freinage est assuré par le moteur électrique fonctionnant en générateur qui transforme l’énergie cinétique du véhicule en énergie électrique stockée dans la batterie, dans la limite de sa capacité, au lieu de la dissiper en énergie thermique dans les freins.

·       Capacité à rouler en mode électrique en circulation urbaine encombrée, moteur thermique arrêté, avec une consommation énergétique nulle à l’arrêt et très faible à petite vitesse.

·        Tous les facteurs ci-dessus aboutissant à une baisse très significative de la consommation, particulièrement en trafic urbain.

·        Silence incomparable en mode électrique

Limites des véhicules hybrides

·        Très faible autonomie en mode électrique, limitée à quelques kilomètres

·        Intérêt limité sur trajets routiers ou autoroutiers

·        Compliqué et coûteux

·        Plus lourd et moins de volume utile à cause des batteries

·        Durée de vie limitée et prix élevé des batteries

Conclusion

En l’absence de subventions, ce type de véhicule n’est compétitif que pour une utilisation essentiellement urbaine et périurbaine.

Les subventions ajoutées à l’effet de mode verte habilement utilisée par les constructeurs, ont élargi son marché à l’utilisation mixte, grâce à une autonomie normale, mais sans avantage particulier.

Cette situation pourrait évoluer à moyen terme avec l’augmentation du coût des produits pétroliers, et/ou la réglementation des émissions de CO₂, qui justifieraient l’investissement dans un véhicule plus coûteux, mais consommant moins.