Renault Twizy: Un véhicule urbain électrique

Renault lance sur le marché un véhicule extrêmement innovant. Le Twizy, dont la motorisation est 100% électrique, est un véhicule urbain d’une nature hybrides qui tient de la berline est du scooter :

De la berline :	Du scooter
Ses 4 roues, dont 2 arrières motrices	Ses deux places en tandem
Le poste de conduite avec un volant et des pédales	L’absence de portes (partielles sur option)
Le toit	La longueur
Les ceintures de sécurité et l’airbag	Ses roues de petit diamètre
Pas de casque	L’absence de chauffage
Essuie-glace	Le classement administratif en quadricycle qui lui interdit les autoroutes

Fiche technique (version 80)

Motorisation par un moteur électrique alimenté par une batterie

Moteur

• Position centrale arrière
• Puissance maximum  8 kw (12 CV)
• Couple maximum 570 Nm

Batterie

• Technologie Lithium-Ion
• Capacité 6,2 Kwh
• Masse 100 kg
• Située sous le siège conducteur
• Rechargeable en 3:30 h sur prise ordinaire (2P+T, 16 A)

Véhicule

• Longueur :           2,34 m
• Largeur :              1,23 m
• Hauteur :             1,45 m
• Masse à vide :    473 kg
• PTRA :               690 kg
• S Cx :                 0,64 m²

Performances

• Vitesse maximum 80 km/h (Renault)
• 0 à 45 km/h en 6,0 secondes (Presse)
• 50 m en 6,5 secondes (Presse)

Autonomie

• Certifiée à 100 km
• Pratiquement 50 à 80 km/h selon le style de conduite

Commentaires

Puissance

Une puissance de 8 Kw est attribuée au moteur, sans autre information sur la manière dont cette puissance est définie. Quelques remarques :

• Selon la modélisation utilisée, qui est ici précise puisque le « S Cx » est donné, la puissance nécessaire pour faire rouler ce véhicule sur sol plan est de 8 kw à 80 km/h, vitesse qu’il peut maintenir raisonnablement pendant :         6,2 Hwh x 90% / 8 kw = 0,6 heures = 36 minutes. On est proche d’une puissance permanente.
• Le régime moteur correspondant à la puissance maximum n’est pas  donné.
• Le couple maximum est donné à 470 Nm, ce qui correspond à une puissance de 8 kw à 1 340 t/min. Il est évident que cette vitesse de rotation n’est pas le maximum, et de loin. Le moteur (avec sa commande électronique) dispose donc d’une plage à puissance constante partant de 1340 t/min.
• La prise en compte dans le modèle, des performances d’accélération, soit 0 à 45 km/h en 6 secondes,  permet d’y voir plus clair : pour y parvenir avec le conducteur seul, il faut que la puissance maximum soit disponible dès 20% de la vitesse maximum, soit 16 km/h.
• On en déduit un ordre de grandeur de la vitesse de rotation maximum du moteur, soit 1 340 / 20% = 6700 t/min ce qui est plausible.

Autonomie

La modélisation permet d’en savoir un peu plus sur cette autonomie :

Vitesse	Autonomie en distance	Autonomie en temps
Constante 45 km/h	100 km	2:15 h
Constante 60 km/h	80 km	1:20 h
Constante 80 km/h	50 km	0:40 h
Trafic urbain typique	50 km	Selon trafic

La première ligne à 45 km/h est commune avec la version 45, assimilée cyclomoteur. La dernière est l’autonomie pratique du véhicule.

Freinage récupératif

Ce serait une illusion de croire que toute l’énergie cinétique est récupérée sous forme électrique au freinage. La modélisation montre une capacité d’accélération qui décroît avec la vitesse :

o   5 m/s²                 à 10 km/h

o   2,4 m/s²              à 20 km/h

o   1,5 m/s²              à 30 km/h

o   1 m/s²                 à 40  km/h

Sa capacité de freinage récupératif n’est pas supérieure à ces valeurs. Dès les vitesses moyennes, et plus encore aux vitesses élevées, tout ralentissement significatif fera intervenir les freins à disques dont le véhicule est heureusement doté. Le conducteur économe devra donc anticiper largement ses arrêts.

Conception générale

Ce véhicule étroit  affiche un S Cx de 0,64, le même qu’une… Renault Laguna qui a un S considérablement supérieur ! Il n’est pas nécessaire d’être expert en mécanique des fluides pour constater que sa forme, innovante et attrayante par ailleurs, est une catastrophe aérodynamique.  Ceci étant, il faut relativiser ce défaut :

• qui est parfaitement négligeable jusqu’à 50 ou 60 km/h, surtout en trafic urbain, mais :
• qui limite à 80 km/h une vitesse maximum qui aurait pu atteindre 90 km/h à puissance égale, 
• ou, en d’autres termes, limite à  50 km une autonomie à 80 km/h qui aurait pu atteindre environ 60 km.

On peut quand même penser que le styliste a pris le dessus sur l’ingénieur. C’est actuellement courant pour un grand nombre de produits. Le marché jugera souverainement !

Economie

La Twizy Color avec portes  ressort à 8 500 €. Ce prix d’achat est relativement élevé mais difficile à comparer, faute de produit équivalent. Néanmoins :

• Une Dacia Logan ou Sandero  coûte à peu près la même chose
• La Smart Fortwo, plus proche, à peine plus longue, démarre à 8 800 €.
• Un scooter Piaggio MP3 coûte entre 6 000 € et 8 400 €
• Une voiturette sans permis est accessible à partir de  10 000 €.

Mais aucun de ces quatre produits n’est électrique.

Analysons le coût du « carburant » dans deux hypothèses

Hypothèse	Petit rouleur	Gros rouleur
Parcours quotidien	30 km	60 km
Nbre de charges par jour	1	2
Energie par charge	3,75 Kwh	3,75 Kwh
Nombre de jours par an	200	200
Parcours annuel	6 000 km	12 000 km
Energie par an	750 Kwh	1500 Kwh
Coût annuel énergie	80 €	160 €
Contrat de location batteries	50 €/mois si 36 mois et km/an < 7 500	72 €/mois si 12 mois et                    7500 < km/an < 15 000
Coût annuel batterie	600 €	864 €
Coût aux 100 kilomètres	10 €	7,2 €
Equivalent litres 95 SP	6,5 l /100 km	4,7 l/100 km

En raison du coût de location des batteries, relativement élevé,  et fixe par paliers, son coût « carburant » dépend du kilométrage effectué. Il est pénalisé par le coût de la batterie, 5 à 7 fois supérieur à celui de l'énergie électrique. Le Twizy n’est pas particulièrement économique au plan énergétique : il équivaut à celui d’une berline, et reste toujours supérieur à celui d’un scooter.

Circonstance aggravante, si on ne s’en sert pas, il faut continuer à payer le loyer de la batterie. Rappelons que cette comparaison en prix public met en compétition :

• l’électricité taxée d’un coefficient 1,07 (TVA taux réduit)
• la location de batteries taxée d'un coefficient 1,196 (TVA taux normal) 
• l’essence, taxée d’un coefficient 2,72 (TIPP et TVA au taux plein)

Cette comparaison est donc très décevante, puisque le Twizy est fiscalement très avantagé.

Il va de soi que, la TIPP étant la contrepartie de la mise à disposition d’infrastructures et de services pour les utilisateurs, si les véhicules électriques se généralisaient, ils devraient, d’une manière ou d’une autre, contribuer aux infrastructures, notamment si on devait développer des bornes de recharge publiques qui pourraient se financer par un abonnement, par un coût élevé de l’énergie, ou par une taxe spécifique. Dans tous les cas, la compétitivité des batteries s’en trouverait encore réduite.

La raison de cette déception réside dans les batteries : les progrès de leur puissance spécifique permettent de les utiliser pour des véhicule électriques urbains, mais leur rapport longévité / prix n’est pas encore assez bon pour que cette solution soit réellement compétitive, en dépit de ses avantages fiscaux.

En revanche, le Twizy aura des coûts d’entretien extrêmement bas, batterie mise à part, se réduisant aux pneumatiques, freins, essuie-glace.

Son coût d’utilisation devrait ainsi être un peu inférieur à celui d’une voiture d’entrée de gamme, mais supérieur à celui d’un scooter comparable.

Ecologie

• Comme tout véhicule électrique, le Twizy n’a aucune émission au tuyau d’échappement, dont il est d’ailleurs dépourvu. C’est la meilleure formule pour continuer de réduire les pollutions atmosphériques urbaines (CO, NOx, particules).
• Mais pour autant, l’énergie électrique qu’il utilise vient d’une centrale via un réseau de distribution. Selon le lieu (France ou étranger), et le moment (utilisation ou non de centrales thermiques), sa recharge donnera lieu, ou non, à une émission de CO2. En heures de pointes les centrale thermiques émettront autant de CO2 qu’un moteur traditionnel, ou nettement plus s’il s’agit de centrales au charbon. Dans l’état actuel des technologies de production électrique, la promotion des véhicules électriques suppose l’acceptation de l’énergie nucléaire. A défaut, cette promotion n’amène aucune réduction des émissions totales, et n’a donc aucun intérêt écologique autre qu'urbain, l’industrie des batteries de toutes technologies étant tout, sauf verte.

Conclusion

Ce véhicule atypique, avec son excellent confort de conduite, sa simplicité, son originalité, son respect de l’environnement urbain,  pourra-t-il faire oublier son habitacle spartiate et son autonomie limitée ? Il faudra pour cela que son côté « tendance » séduise une clientèle urbaine aisée. Il deviendrait alors le premier véhicule urbain de série à usage privé en tout électrique, et contribuerait, par ses quantités, à l’amélioration des technologies des coûts de batteries, et la mise en place des infrastructures privées pour les recharges.  

Modélisation d'un véhicule

L’analyse des paramètres d’un véhicule nécessite leur mise en relation qui permet de comprendre les marges de manœuvre  en matière de puissance et donc d’économie d’énergie et d’autonomie.

Ceci est particulièrement vrai pour les véhicules hybrides ou électriques, pour lesquels l’appréciation intuitive provenant de l’expérience de véhicules conventionnels ne fonctionne plus.

L’auteur a donc développé sur MS Excel un outil d’analyse simple  permettant de mieux comprendre l’intérêt et les faiblesses des nouveaux véhicules, et de faire parler les données souvent très succinctes, des constructeurs. On peu néanmoins accéder aux informations suivantes :

  

Les paramètres suivants figurent généralement dans les notices techniques :

• Masse (à vide, conducteur inclus)
• Dimensions selon les 3 axes L_x, L_y et L_z
• Puissance maximum P_M
• Couple maximum (pas toujours)
• Vitesse maximum V_M
• Le coefficient roulage / poids a été évalué à 2%, soit 30 daN pour déplacer lentement un véhicule de 1500 kg. C’est peu précis, mais jamais critique, car il est généralement négligeable:
• aux petites vitesses (rarement constantes), par rapport à la force d’inertie
• aux vitesse élevées, par rapport à la force aérodynamique
• le cas échéant, par rapport au profil de la route
• Le SC_x, qui n’est pas un produit, est la surface sur laquelle s’exerce la pression dynamique due à la vitesse relative de l’air. Il est parfois donné. A défaut, il est aisément calculable à la vitesse maximum V_M correspondant (sauf exceptions) à la puissance maximum P_M, comme le quotient de la force P_M / V_M (corrigée de la force de roulage) par la pression dynamique ½ ρV_M².

Les paramètres sans dimension V_K, V_L et P_K ont été créés pour définir la forme de la courbe de puissance maximum du véhicule en fonction de sa vitesse. P_K, ainsi que V_K et V_L sont des pourcentages appliqués respectivement à P_M et V_M.

Pour obtenir une courbe :

• du type A, il suffit de poser P_K  =  V_K = V_L = 1
• du type B, il suffit de poser P_K  =  1 et V_K = V_L

• La courbe du type C correspond à une approximation d’une boîte de vitesses manuelle ou pilotée à un embrayage :

Le segment OK correspond au démarrage à couple constant par glissement de l’embrayage

Le segment KL correspond au passage des rapports intermédiaires avec des temps morts d’autant plus fréquents qu’il sont courts, ce qui est pris en compte par la pente de la courbe.

Le segment LP correspond à la puissance pratiquement constante sur le rapport adapté à la vitesse maximum, en général le plus long.

Une fois toutes les cases jaune correctement paramétrées en fonction du véhicule étudié, il reste à choisir (en vert) la pente de la route, le plus souvent 0, mais qui permet aussi de vérifier l’aptitude en côte autoroutière (4%) et en montagne. Les vitesses de 0 à 230 km/h sont intégrées dans le tableur.

  

Le tableur calcule pour chaque intervalle de vitesse de 5 km/h, et de haut en bas :

la résistance s’opposant à l’avancement, par nature F_r, F_p,F_a, et totale F_t

la puissance absorbée = résistance x vitesse

la puissance disponible résultant de la modélisation

l’accélération =  puissance disponible / (vitesse x masse)

le temps de parcours de chaque intervalle de vitesse et le cumul de ces temps

la distance parcourue pendant chaque intervalle et la distance cumulée.

Dans l’exemple ci-dessus, les performances d’accélération du véhicule apparaissent (sur fond jaune ci-dessus):

Le temps de 0 à 100 km en lecture directe

Les temps aux 400 m et 1000 m au prix d’une petite interpolation

Les temps de reprise au prix d’une soustraction.

Ce modèle a été validé sur une vingtaine de véhicules conventionnels pour lesquels ses résultats confirment, éclairent ou complètent les données constructeur, notamment pour les véhicules innovants, hybrides à transmission planétaire ou tout électriques. C’est d’ailleurs à cet effet que l’auteur l’a élaboré.

Hybride série GM : Opel Ampera ou Chevrolet Volt

Table des matières de ce blog

GM lance en Europe sous le nom d’Opel Ampera, un véhicule identique à la Chevrolet Volt, qui appartient à la catégorie encore peu représentée des véhicules hybrides série. Son schéma utilise astucieusement les propriétés des engrenages planétaires,  rejoignant en cela la Toyota Prius, mais selon des modalités assez différentes :

 

	Chevrolet Volt ou Opel Ampera	Toyota Prius
Couronne périphérique	Bloquée par C1, ou couplée par C2 à la machine électrique réversible… …liée ou non par C3 au moteur thermique 63 KW	Moteur électrique 63 kw solidaire de la sortie vers les roues
Soleil (entrée centrale)	Moteur électrique 111 KW	Machine électrique réversible
Planétaires (épicycloïdaux)	Sortie vers les roues	Moteur thermique 76 KW

GM a eu recours à deux machines électriques:

• L’une est toujours motrice, sauf en freinage récupératif, et mécaniquement couplée à l’entrée centrale du système planétaire.
• L’autre peut être indifféremment motrice ou génératrice selon les cas. Elle peut être mécaniquement couplée à un moteur thermique, ou  à la couronne périphérique du système planétaire, ou aux deux, par deux embrayages C2 et C3.
• Rappelons que les Toyota n’ont pas d’embrayage.

Les 3 modes de fonctionnement figurent ci-dessous :

(images empruntées à Opelblog)

En mode électrique monomoteur normal, à vitesse modérée (probablement moins de 100 km/h) la batterie alimente le moteur qui est couplé à l’entrée centrale de la boîte de vitesses. L’autre entrée (la couronne) est bloquée par l’embrayage C1. Le rapport de démultiplication du moteur aux roues est alors fixe, et les propriétés des systèmes planétaires ne sont pas utilisées.

 

Quelle est la puissance du moteur principal de traction ?

GM annonce 111 KW et 370 Nm sans indiquer à quelles vitesses ces valeurs sont obtenues. Mais on a vu que la puissance d’un moteur électrique, contrairement à celle d’un moteur thermique, nécessite d’être définie, ce qui n’est pas le cas. Essayons d’y voir plus clair. 

• Une telle puissance, avec une transmission adaptée, devrait être capable d’entraîner une carrosserie aussi bien profilée à plus de 200 km/heure, ce que la batterie ne pourrait supporter que pendant  16 kwh x 75% / 111 kw = 0,11 heure = 7 minutes. D’ailleurs le véhicule est limité à 160 km/h, ce qui nécessite environ 47 KW soit une autonomie de 16 kwh x 75% / 47 kw = 0,25 heure = 15 minutes. Ni 111 kw, ni 47 kw ne peuvent donc être des puissances permanentes.
• En régime permanent dans le mode « prolongateur » qui s’affranchit de la capacité de la batterie (voir ci-dessous), il n’est pas nécessaire que le puissance permanente du moteur de traction excède les 47 KW ci-dessus, à réduire selon la dérivation de puissance directe du moteur thermique dans le système planétaire que les données disponibles ne permettent pas de calculer.
• En revanche GM annonce que ce véhicule de 1730 kg est capable d’accélérer de 0 à 100 km/h en 9 secondes. Belle performance! Notons ici que, le rapport de transmission étant fixe pendant cette accélération, celle-ci s’effectue :
• au couple maximum du moteur, très probablement constant dans la plage basse dans laquelle la puissance fournie est donc proportionnelle à la vitesse, jusqu’à 65 km/h, 
• et à  la puissance maximum du moteur, et donc à couple décroissant, dans la plage haute, supérieure à 65 km/h.

Une modélisation faite par l’auteur montre qu’un tel moteur donnant 370 Nm de 0 à 65 km/h, puis 110 kw de 65 à 100 km/h (graphe ci-dessous), permet d’obtenir ces 9 secondes. La vitesse maxi dans ce mode n’est qu’une hypothèse, faute de données suffisantes.

 

Dans ce mode, le véhicule est nerveux malgré sa masse imposante, capable d’accélérations de l’ordre de 3,5 m/s² jusqu’à 65 km/h, et restant supérieures à 2 m/s² au delà. Toutefois, l’utilisation de cette capacité d’accélération très « énergivorace » ne se fera qu’au détriment de l’autonomie électrique. 

En mode électrique à vitesse élevée, soit plus de 100 km/h dans l’hypothèse ci-dessus, la batterie alimente les deux moteurs électriques qui sont couplés respectivement directement sur l’entrée centrale (moteur primaire) et à la couronne par l’embrayage C2 (machine secondaire). Ils ont donc des rapports de démultiplication différents, et donc des couples à tout instant proportionnels. Les rapports de réduction n’étant pas publiés, on ne peut pas calculer ce coefficient de proportionnalité.

Alors qu’environ 17 kw (fournis par le moteur électrique principal à vitesse maxi et couple réduit) sont suffisants pour entraîner le véhicule à 100 km/h, environ 47 kw seront nécessaires pour l’entraîner à 160 km/h en vitesse stabilisée. Dans le même temps la modélisation du véhicule montre que le couple va croître d’un facteur 1,70.

La puissance du moteur principal, toujours à la même vitesse maximum, va donc monter à environ :

17 kw x 1,7 = 29 kw par augmentation du couple.

Par les vertus des systèmes planétaires dans les quels les vitesses d’entrée s’additionnent (à un facteur près), la machine électrique réversible travaillant ici en moteur va donc fournir :

 47 kw – 29 kw = 18 KW.

L’une comme l’autre sont loin de leurs limites, car la vraie limite du véhicule n’est pas la puissance des moteurs électriques, mais la capacité de la batterie.

 

En mode prolongateur utilisant le moteur thermique, la deuxième machine électrique est couplée au moteur thermique par l’embrayage C3 et à l’entrée de la boîte de vitesses par l’embrayage C2. Le couple du moteur thermique, plus (moteur) ou moins (génératrice) le couple de la machine secondaire, est transmis à la deuxième entrée de la boîte de vitesses.

 

Puissance du moteur thermique à essence de 1400 cm3 : 63 KW à 4800 t/min. Réservoir 35 litres. Couplé à la machine électrique réversible par l’embrayage C3, il tourne donc à la même vitesse qu’elle.

S’agissant ici d’une puissance permanente, on peut raisonnablement supposer que la machine électrique réversible associée a une puissance permanente inférieure à celle du moteur thermique, sans pouvoir déterminer de combien.

En effet, une partie de la puissance du moteur thermique est transmise directement à l’entrée « couronne » du système planétaire, et la puissance électrique est alors réduite d’autant.

D’un autre côté, on a vu ci-dessus qu’à la vitesse stabilisée de 160 km/h le véhicule nécessite 47 kw, nécessairement fournis par le moteur thermique, et transmis simultanément: 

• par voie mécanique via C3 et C2, 
• et par voie électriques via la machine réversible utilisée en génératrice, et le moteur électrique principal.

A cette vitesse maximum, une marge de puissance reste disponible (63 kw – 47 kww = 16 kw) sans tirer sur la batterie. Elle peut être utilisée pour recharger la batterie, la machine travaillant alors en génératrice, ou pour obtenir une accélération jusqu’à la vitesse maximum, la machine étant électriquement à vide.

Cette accélération pourrait être augmentée en faisant travailler la machine en moteur alimenté par la batterie, mais cette configuration très consommatrice ne figure pas sur les schémas Opel.

Notons toutefois, au vu du schéma ci-dessous, que la revendication d’un véhicule dont les roues ne sont entraînées que par des moteurs électriques est fausse : Une partie de l’énergie vient, via l’embrayage C2, de la machine secondaire couplée au moteur thermique par l’embrayage C3.

Si cette configuration est nuisible à l’image de véhicule « presque tout électrique », elle est en revanche favorable au rendement, puisqu’elle élimine une partie des pertes cumulées des deux machines électriques.

Paramètres de l’Opel Ampera

Batterie Lithium-Ion de 16 KWH pesant 200 kg. Temps de charge 4 heures avec prise 16 A. Autonomie en mode électrique 40 à 80 km. La charge complète est possible par exemple en 5 heures avec une prise ordinaires 230 V 16 A.

Dimensions : 4,50 x 1,79 x 1,44 – Masse 1732 kg à vide

Consommation mixte :             1,2 l/100 km

CO2 : 27 g/km

Performances :        Vitesse maxi 160 km/h

                                       Accélération 0 à 100 km/h en 9 secondes.

Autonomie

La limitation de vitesse à 160 km/h, qui correspond probablement plus à la vitesse maximum des deux moteurs qu’à un bridage au sens des moteurs thermiques, apparaît absolument nécessaire et relativement optimiste : ceux qui l’utiliseront n’iront pas loin. La modélisation réalisée par l’auteur donne le graphe suivant de résistance sur sol plan qui croît très vite au-delà de 60 à  80 km/h. L’autonomie, qui est l’inverse, décroît alors très vite.

 

L’automomie annoncée en mode électrique de 40 à 80 km s’entend à faibles puissance et vitesse : typiquement, 80 km parcourus en 1 heure et 20 minutes avec une puissance moyenne inférieure à 12 kw, soit 15 CV. Rappelons d’ailleurs que 16 KWH  = 58 MJ dans la batterie, qui produiront environ 54 MJ d’énergie mécanique, alors qu’un litre d’essence contient environ 30 MJ d’énergie primaire dont on peut tirer environ 10 MJ d’énergie mécanique. La batterie  équivaut à un peu plus de 5 litres d’essence.

L’Ampera stocke ainsi 35 litres d’essence dans son réservoir, plus l’équivalent de 5 litres sous forme électrique, soit au total l’équivalent de 40 litres. C’est peu, et cela caractérise une voiture résolument destinée à une utilisation urbaine ou périurbaine.

Emissions

La consommation mixte à 1,2 l/100 km et les émissions de 27 g/km, qui résultent d'un essai normalisé qui n'a pas été prévu pour un véhicule rechargeable, n’ont strictement aucun sens : cela revient à dire que quand la voiture marche en mode tout électrique, elle ne consomme pas d’essence et n’émet donc pas de CO2. C’est oublier un peu vite qu’elle consomme alors autant d’énergie mécanique que n’importe quel autre véhicule, et même un peu en plus cycle urbain puisqu’elle est plus lourde, et que cette énergie vient de quelque part!

Selon l’origine de l’énergie électrique, le fonctionnement en mode électrique pourra aboutir à des émissions de CO2 :

• nulles (électricité nucléaire, hydraulique ou autres renouvelables)
• du même ordre qu’un véhicule conventionnel (électricité thermique gaz ou fuel)
• deux fois supérieure (électricité thermique au charbon).

Pratiquement, par rapport à un véhicule conventionnel, l’Ampera émettra moins de CO2 si elle est rechargée en France, et plus si elle est rechargée hors de France. Pour assurer son avenir et celui de ses cousines, encore faut-il ne pas renoncer à l’énergie nucléaire !

Le bilan carbone doit intégrer aussi les émissions sur l’investissement, pas toujours négligeables par rapport à celles qui résultent de l’exploitation. Ici, faute de donnée précise, nous nous limiterons à appliquer au coût supposé des batteries (10 000 €) le ratio usuel d’une tonne de CO2 émis par 1000 € d’investissement. La batterie « vaut » donc 10 tonnes de CO2 qui auraient pu être produites par la combustion de gazole fournissant 40 Mwh thermiques, soit environ 12 Mwh électrique, soit encore l’énergie stockée par 750 cycles successifs qui correspondent à peu près à la durée de vie de la batterie. En termes plus simples, l’émission de CO2 liée à la fabrication de la batterie sera tout juste compensée par son utilisation en lieu et place d’un moteur thermique.

Mais il ne faut pas perdre de vue que ce type de véhicule fera sans doute au moins la moitié de sa distance parcourue en mode « prolongateur ». L’amélioration probable du rendement du moteur par un meilleur point de fonctionnement sera grevée par le rendement  de la transmission électrique qui ne dépassera probablement pas 90%, voire moins. Cette configuration, moins favorable que l’hybride parallèle,  n’apporte donc rien en utilisation routière.

En utilisation urbaine, et en l’absence de toute donnée constructeur, on peut penser que la présence de machines électriques très puissantes et d’une batterie de capacité importante permet de disposer d’un freinage récupératif capable de décélérations jusqu’à -4 ou -5m/s², pratiquement suffisantes dans le trafic urbain, évidemment hors l’indispensable freinage d’urgence conventionnel, rarement utilisé.

Economie

Se plaçant au point de vue de l’utilisateur, de nombreux articles de presse (au titre parfois humoristique : « Qui Ampera l’addition ? » ) ont souligné que  l’économie due au faible coût marginal de l’énergie électrique du réseau ne pourra jamais amortir le surcoût très élevé du véhicule. Voir :

http://automobile.challenges.fr/essais/20110720.LQA1054/essai-opel-ampera-qui-ampera-l-addition.html

L’énergie électrique n’est pas vraiment moins coûteuse….

En se plaçant au niveau macroéconomique, c’est plus grave : on compare le coût marginal de l’énergie électrique à 7% de TVA, avec celui du carburant chargé d’une très lourde TIPP, avec en facteur une TVA à 20%.  Rappelons que la TIPP, taxe très ancienne, est la légitime contrepartie de la mise à la disposition des infrastructures routières et des services associés, dont les véhicules électriques ont le même besoin. Une comparaison équitable doit donc porter sur les prix marginaux HT :

• 1 kg de carburant (essence ou gazole) coûte 0, 80 € HT et apporte 43 MJ thermiques, soit environ 13 MJ mécaniques (rendement 30%), soit 3,6 Kwh à 0,22 € l’unité.
• Après rendement de 80% de charge /décharge de batterie, le kwh électrique, pour être compétitif, doit coûter moins de 0,17 € HT, soit 0,18 € TTC. Ce sera généralement le cas en France, mais pas nécessairement à l’étranger, notamment en Allemagne. L’écart reste faible et ne permet absolument pas d’amortir le surcoût du véhicule.

… et ne permet pas d’amortir le surcoût lié aux batteries !

Un facteur supplémentaire doit être pris en compte : le renouvellement des batteries. En se plaçant dans l’hypothèse optimiste d’une durée de vie de 800 cycles, soit environ 50 000 km en mode électrique, soit encore 4 ans d’utilisation pendant 200 jours par an et 60 km par jour, il faudra changer les batteries au moins une fois dans la durée de vie de la voiture. Le prix de ce remplacement n’est pas connu, mais un ordre de grandeur de 10 000 € n’est pas absurde. C’est le prix de 80 000 kwh au tarif français, soit 5 000 recharges de 16 kw. Pour 800 cycles réellement effectués!

Le coût de l’énergie électrique contenue dans une batterie est 5 à 10 fois inférieur au coût de remplacement de la batterie ramené au nombre de charges !

Conclusion

L’Ampera, alias Volt, malgré une conception innovante et intéressante, affiche des résultats décevants en matière économique, écologique et d’autonomie. Ses performances routières sont correctes quoi qu’inférieures à celles d’un véhicule conventionnel de même prix. Il n’est pas sûr que son agrément de conduite urbain, son silence, son caractère innovant et son image soient suffisants pour en faire un succès commercial.

Le choix d’un fonctionnement durablement tout électrique s’ajoutant à une autonomie essentiellement thermique, faisant appel à trois modes cinématiques, vient compliquer la conception et pénaliser le prix, le poids et l’autonomie sans apporter d’avantage déterminant. 

Finalement, elle est pénalisée par le poids, le prix et la durée de vie de ses batteries de grande capacité qui ne lui apportent pas grand-chose de plus qu’une hybride non connectable muni d’une petite batterie, si ce n’est une autonomie augmentée en mode électrique qui ne présente qu’un intérêt limité : l’absence d’émissions locales, sans baisse des émissions totales.

L’avenir des véhicules électriques rechargeables passe par la poursuite de l’amélioration de la durée de vie des batteries et de la baisse de leurs coûts. Le niveau requis pour une compétitivité sans subvention, ni réglementation contraignante, est encore lointain! 

Halidade : Une éolienne offshore D 150 m - 6 MW

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Une merveille technologique

Dans le cadre du développement des énergies renouvelables, le gouvernement a décidé la création de cinq grands parcs éoliens en mer, dits "offshore": Dieppe (750 MW), Fécamp (500 MW), Courseulles (500 MW), St Brieuc (500 MW), St Nazaire (750 MW). L’appel d’offre national relatif à ces 5 parcs,  pour un coût total estimé à 10 milliards d’Euros, vient d'aboutir:

• Alstom associé à EDF remporte les parcs de Fécamp, Courseulles et Saint Nazaire, soit  1 750 MW
• Areva allié à l'espagnol Iberdrola rempporte le parc de Saint Brieuc, soit 500 MW
• Pour le parc du Tréport, l'appel d'offres est déclaré infructueux
• GDF-Suez associé à Siemens n'a donc rien obtenu.

Alstom est donc le grand vainqueur de cette compétition. Ce Groupe a annoncé fin mars 2012 avoir construit au Carnet, sur la rive sud de l’estuaire de la Loire, une éolienne baptisée « Halidade » présentée comme la plus puissante du monde avec un diamètre d’hélice de 150 mètres et une puissance nominale de 6 MW. Elle a aussi la particularité, quoiqu'installée à terre, d’être le prototype des éoliennes offshore destinées à être implantées dans ces parcs. Elle apporte des caractéristiques très innovantes qui sont sans doute à l'origine de son succès.

Sa destination maritime est visible sur les photos : le mât a une hauteur limitée à un rayon seulement (75 mètres), mais il est fixé sur un support en treillis tubulaire (« jacket » en bon franglais) ici limité à 25 mètres, mais qui devra, dans les applications offshore, avoir une hauteur égale à la profondeur de la mer aux plus hautes marées majorée de quelques mètres (vagues, sécurité, couche limite).

    

Ses caractéristiques, annoncées ou calculées par l’auteur, sont impressionnantes :

• hélice tripale de 150 m de diamètre
• section de la veine d’air balayée par l’hélice : 1,8 hectare !
• Energie primaire = énergie cinétique de la veine d’air = 20 000 KW
• puissance 6 000 KW (soit un rendement de 30% par rapport à l’énergie primaire gratuite)
• hauteur 175 mètres (soit un diamètre + le support)
• dans l’hypothèse plausible d’une vitesse de rotation à puissance nominale de 12 t/min, soit 1,2 rad/s, le couple de l’hélice atteint la valeur impressionnante de 5 000 000  mN, soit 500 tonnes à un mètre, chaque pale supportant à son encastrement (rotatif puisque le pas est variable) dans le moyeu, un moment de flexion à deux composantes (rotation et flexion) dont la résultante est du même ordre de grandeur, 500 Tm.
• Dans la même hypothèse de vitesse, la périphérie des pales se déplace à 94 m/s (340 km/h) et est soumise à une force d’inertie (souvent appelée à tort « centrifuge ») de 117 m/s², soit 12 « g ».

Leurs concepteurs sont en revanche avares d’informations techniques. La forme de la nacelle, radicalement différente de la forme habituelle allongée, est courte et de très grand diamètre. Ceci est à rapprocher de l’absence annoncée de « boîte de vitesses » (sic).

Ceci peut s’interpréter comme suit :

• Dans la quasi-totalité des éoliennes, dont la vitesse de rotation est très basse, l’arbre d’hélice entraîne un multiplicateur mécanique de vitesse à engrenages, (qui évidemment réduit le couple dans la même proportion, et conserve la puissance au rendement près) aboutissant à une vitesse de l’ordre de 2 à 3000 t/min (quoique variable) qui permet d’entraîner en sortie l’alternateur à une vitesse suffisante et donc à un couple suffisamment bas, puisqu’en matière de machines électriques, c’est, à peu de chose près, le couple qui fait le poids et le prix. Sans information des constructeurs, et pour un rapport des vitesses ultime de l’ordre de 3000 t/min / 15 t/min = 200, le multiplicateur est certainement du type planétaire à 3 étages. C’est sans doute ce que le communiqué de presse qualifie de « boîte de vitesses ».
• Ici, le diamètre très important visible sur la photo ci-dessus laisse prévoir un alternateur de grand diamètre. Il s'agit d'un alternateur à aimants permanent et entraînement direct développé par Converteam (General Electric). Leur site en montre une image (ci-dessous) qui permet d'en évaluer les dimensions à environ 7 mètres de diamètre par 2 mètres d'épaisseur, mais n'explique rien et laisse l'ingénieur sur sa faim: Quel circuit magnétique? Forme de l'entrefer? Combien de paires de pôles? Combien de phases?  Tension nominale?

• La présence d’aimants permanents est intéressante, mais ne pose pas de problème particulier dès l’instant où l’alternateur d'une éolienne, contrairement à ceux des lignes de production classiques, n’est pas couplé directement au réseau, mais passe par un convertisseur électronique AC/DC/AC qui permet d’ajuster tensions et fréquences.
• L'absence de multiplicateur de vitesse suppose que cet alternateur de 6 MW soit capable d'absorber le couple très élevé de l'hélice, soit 5 millions de mN. Par comparaison avec un alternateur conventionnel de 1650 MW tournant à  1500 t/min,  soit un couple de 10 millions de mN, l'alternateur ci-dessus est 270 fois moins puissant, mais pour un couple seulement moitié...   Etonnant, mais très intéressant : le multiplicateur de vitesse, qui est de façon évidente le point faible des éoliennes actuelles, soumis à maintenance et à usure, donc de durée de vie limitée, disparaît!
• En termes de coût, il reste à démonter que l'augmentation évidente du prix de l'alternateur est compensée par la suppression du réducteur. Nous pencherions plutôt pour un prix total nettement plus élevé, mais rendu acceptable par l'augmentation de l'espérance de vie de toute l'éolienne. 

Nous attendons avec impatience d’en savoir plus !

Mais est-ce un bon choix stratégique ?

Nous pouvons aisément faire parler d’autres chiffres.

• L'ensemble des parcs éoliens envisagés aurait donc une puissance installée de 3 GW pour un coût de 10 G€, soit à peu près la même puissance et le même prix que 2 tranches EPR (1,65 MW et 5 G€ chacun, coûts ultimes incus).
• Dans un cas comme dans l’autre, le prix de l’énergie primaire est nul (vent) ou négligeable (uranium).
• Peut-on en déduire qu’ils sont équivalents ? Surtout pas ! 

L’éolien souffre en effet de plusieurs handicaps majeurs :

• En offshore, les conditions de vent un peu plus favorable que celles de la terre permettent d’escompter une production moyenne sur l’année égale à environ 25% de la puissance installée (au lieu de 18% en moyenne terrestre française), alors que celle d’un réacteur thermique ou nucléaire n’est limitée que par la maintenance et peut dépasser 90%. Le coût d’investissement par MWh effectivement produit est donc quatre fois supérieur. C'est le facteur de coût prépondérant.
• Mais surtout, il faut se convaincre que le problème de la production d’énergie électrique n’est absolument pas de produire des MWh sur l’année, ce à quoi les parcs éoliens vont quelque peu contribuer, mais à produire des MWh à l’instant précis où on en a besoin, et nul ne peut prédire si à cet instant il y aura du vent !
• Il ne faut pas compter sur une valeur minimum de l’ensemble des 5 parcs, au motif parfois avancé que si l’un n’a pas de vent, l’autre en aura. En effet, leur localisation en Manche et dans le nord du Golfe de Gascogne les rend fortement dépendants des dépressions qui passent sur les Iles Britanniques. En cas de régime anticyclonique sur la moitié nord de la France, leur production sera extrêmement faible, voire nulle. Or les pointes de consommation résultent des froids extrêmes, qui coïncident très souvent avec des régimes anticycloniques d’hiver. Les champs d’éoliennes ne participeront donc que rarement aux pointes, et ne se substitueront ainsi à aucun autre moyen de production.  En d’autres termes ces champs d’éoliennes ne permettront de fermer ni des centrales thermiques émettrices de CO2, ni des centrales nucléaires si fortement contestées. Elles permettront seulement, avec un peu de chance, de les utiliser un peu moins, en distinguant deux cas :
• Si la demande est faible (cas le plus courant), le parc nucléaire suffit pour assurer la production. Celle des éoliennes viendra alors réduire très légèrement la consommation d’uranium, sans économie perceptible.
• Si la demande est élevée (cas minoritaire), alors la production éolienne se substituera à la production thermique, évitant la consommation de combustible fossile et l’émission correspondante de CO2. Parmi les méthodes permettant de réduire les émissions de CO2, celle-ci est sans aucun doute une des plus chères et des moins efficaces. Voir Négawatts.
• L’énergie éolienne est parfois qualifié de fatale (du latin « fatum » = destin), en ce sens que personne ne peut rien à sa survenance qui reste localement peu prédictible malgré les progrès des prévisions météorologiques. Et ceci a un grave inconvénient : comme la production doit être à chaque instant égale à la consommation, l’augmentation ou la baisse de production éolienne doit être instantanément compensée par une variation inverse d’un autre moyen de production. Or un réacteur nucléaire, qui a beaucoup d’inertie, peut plus ou moins anticiper des variations prévues et lentes, mais ne peut pas réagir à des variations rapides ou impromptues. La solution idéale pour y pallier est l’énergie hydraulique, mais celle-ci n’est pratiquement disponible que dans la moitié sud-est de la France, là où sont les montagnes, mais pas les parcs éoliens offshore. Il n’y aura donc pas de choix : seules les centrales thermiques, de préférence au gaz car plus souples, sont capables de se substituer aux éoliennes : il y a mieux pour réduire les émissions de CO2 ! Notons d’ailleurs qu’une centrale à gaz à cycle combiné (dernière technologie très sophistiquée assurant un rendement exceptionnel annoncé à 58%) a été inaugurée en 2011 à Montoir-de-Bretagne près de St Nazaire, et donc tout près du Carnet où est implantée l’Halidade prototype, et non loin du parc prévu au large de St Nazaire.
• L’offshore ouvre de vastes espaces, mais en contrepartie de coûts élevés :
• De construction : le coût de l’éolien offshore est, à puissance nominale égale, à peu près le double du terrestre. Le taux d’utilisation accru de 18% à 25% ne compense évidemment que très partiellement.
• De maintenance : fixer le mât sur un support de plusieurs dizaines de mètres de hauteur, lui-même sur un soubassement construit au fond de la mer dont l’eau salée est fortement corrosive, n’est pas neutre. Alors qu’une fourgonnette suffit en toutes circonstances à des visites de maintenance d’une éolienne terrestre, celles d‘une éolienne offshore nécessitera une barge ou un hélicoptère qui ne pourront intervenir que par beau temps. Les câbles sous-marins sont aussi de points de fragilité : corrosion, ancres, végétation, apparaux de pêche… Ils devront converger vers une sous-station à terre pour être connectés au réseau.
• De renouvellement : des mécaniques complexes, sujettes à usure, faisant intervenir des engrenages (sauf l'Halidade), le tout en brouillard salin, n’auront qu’une duré de vie relativement courte, certainement inférieures à celles des éoliennes terrestres, pourtant déjà limitée. Par comparaison, les centrales hydrauliques, thermiques ou nucléaires utilisent une turbine (à vapeur ou à eau) qui entraîne directement un alternateur, dans un milieu sec, propre et de maintenance aisée. Leur durée de vie atteint le demi-siècle, et même plus pour l’hydraulique, pratiquement illimitée. Il ne faut par rêver : Si une éolienne offshore atteint 10 à 15 ans au prix d’une lourde maintenance, ce sera déjà magnifique !
• Cet « offshore », malgré son nom, ne comportera que des zones maritimes très peu profondes, car la profondeur augmente le coût du soubassement, du support, de l’installation et du raccordement au réseau terrestre. Le choix des 5 parcs en résulte : toutes ces zones disposent de fonds qui n’excèdent pas 20 mètres. Elles sont malheureusement côtières, et non au grand large.

Conclusion

Ces parcs éoliens, munis de leurs merveilleuses et coûteuses machines permettront sans aucun doute :

• de faire plaisir aux militants écologistes qui n’ont pas tout compris,
• de contribuer à remplir les objectifs français de production d’énergie électrique renouvelable selon les critères du protocole de Kyoto et du Grenelle de l’environnement,
• de fournir de l’activité génératrice d’emplois aux entreprises impliquées dans leur construction, leur installation, leur exploitation et leur maintenance,

mais

• elles mécontenteront l’abonné qui verra que la dernière ligne baptisée « CSPE Contribution au Service Public de l’Electricité » continue à augmenter, ramenant les emplois ci-dessus au rang d’emplois indirectement aidés qui finalement plombent l'économie,
• elles ne permettront de  fermer aucune centrale nucléaire ou thermique
• elles ne réduiront les émissions de CO2 que de façon homéopathique,
• elles ne feront plaisir ni aux amoureux de paysages maritimes (un parc éolien sera visible par beau temps à 40 kilomètres), ni aux pêcheurs, ni aux plaisanciers, ni aux oiseaux marins hachés par les pales des hélices, mais ceci est de moindre importance.

Chacun jugera si ce maigre bilan justifie la décision de faire investir 10 G€ par des partenaires privés en contrepartie d’un prix de vente du MWh lourdement subventionné par la CSPE. Rappelons que la croissance, tant attendue, ne peut résulter que d’activités compétitives. Manifestement, la production d’énergie éolienne, si belle soit-elle au plan technique, ne l’est pas…