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juin 2010

Énergie et motorisation pour les transports de demain

Quelles énergies pour les transports ?

Le transport est un secteur extrême­ment énergétivore. Dans le monde, il consommait en 2005 l'équivalent de 2 140 millions de tonnes de pétrole. Pour la France, le transport est même le deuxième secteur consommateur d'énergie, après le résidentiel-tertiai­re, avec 31% de la consommation énergétique du pays.

Les transports d'aujourd'hui sont très dépendants du pétrole

Aujourd'hui, le secteur des transports est étroitement lié au pétrole même si les alternatives sont potentiellement nom­breuses. Les sources d'énergie exploitables pour les trans­ports couvrent les ressources fossiles, la biomasse et les éner­gies renouvelables ou nucléaires (via la production d'électri­cité). À partir de ces ressources, plusieurs types de vecteurs énergétiques peuvent être obtenus puis utilisés dans diffé­rents types de véhicules. Ceux-ci peuvent se classer en quatre grandes catégories (voir graphique ci-dessous) parmi lesquelles les véhicules équipés de moteurs à combustion interne, les plus répandus à l'heure actuelle, ou les véhicules hybrides en cours de mise sur le marché.

Les filières énergétiques

Les carburants conventionnels issus du pétrole assurent actuel­lement l'immense majorité (entre 95% et 98%) des besoins en énergie pour la mobilité des personnes et des biens.

Le transport aérien est, quant à lui, encore plus intimement lié au pétrole car les avions sont alimentés à plus de 99,9 % en kérosène (jet fuel), produit dérivé du pétrole.

De plus, la consommation énergétique du secteur des trans­ports augmente à un rythme annuel proche de 2%. Les car­burants liquides fossiles présentent en effet des atouts consi­dérables pour le transport. Leur densité énergétique impor­tante permet une autonomie appréciable des véhicules (plus de 600 km). Les techniques de raffinage sont éprouvées et peu coûteuses (hors coût d'approvisionnement).

L'extrême dépendance pétrolière des principaux modes de transport pose des problèmes complexes aux plans écono­mique et environnemental.

En plus d'efforts sur la demande (comportements de conduite, modifications des habitudes de déplacement, etc.), une diversification des sources d'énergie dans le trans­port routier s'impose comme le levier d'action majeur dans la lutte contre les émissions de CO2 et la réduction de la consommation de ressources non renouvelables. L'électricité est certes le vecteur le plus versatile mais les carburants alternatifs présentent l'intérêt majeur de pouvoir être très rapidement diffusés sans le besoin d'une révolution des technologies ou des usages.

Les carburants alternatifs au pétrole

Le GPL

La consommation de GPL représentait 5,7 Mtep (Millions de tonnes équivalent pétrole) en 2006 en Europe OCDE, en croissance de 6% par rapport à 2005, notamment grâce à l'apparition de parcs de véhicules GPL dans les pays d'Europe de l'Est. En revanche, en France, le parc de véhi­cules GPL reste modeste et son développement semble quasi en suspens à l'heure actuelle.

Le GNV

Le Gaz Naturel Véhicule (GNV) a fait l'objet d'un intérêt important lié au développement du marché du gaz naturel, à ses performances environnementales et aux disponibilités a priori plus durables que le pétrole.

La consommation de GNV en Europe représentait 0,55 Mtep en 2006. En France, la consommation 2006 représentait environ 60 ktep. Malgré des avantages incontestables sur le plan environnemental, la filière GNV est pénalisée par la réduction d'autonomie induite par les réser­voirs de gaz sous pression et par un réseau de distribution trop peu développé.

Les biocarburants

Le principal biocarburant en termes de volumes consommés est le bioéthanol. Ainsi, 20 Mtep ont été produites dans le monde en 2006, essentiellement au Brésil et aux États-Unis. Dans le même temps, la production de biodiesel (ester méthylique d'huile végétale) a atteint 4,9 Mtep.

L'atout principal des biocarburants est qu'ils peuvent être mélangés à l'essence et au gazole, profitant ainsi des réseaux de distribution classiques de carburants, et qu'ils ne néces­sitent pas de bouleversement technologique majeur au niveau des moteurs des véhicules. Mais se pose le problème du partage des ressources entre une utilisation alimentaire et une utilisation destinée à satisfaire nos besoins énergé­tiques.

Les carburants de synthèse

Ces carburants sont produits en deux étapes. D'abord, la matière première est convertie en gaz de synthèse, puis en produits liquides par le procédé Fischer-Tropsch pour obte­nir du gazole et du kérosène/jet. Cette voie produit des car­burants, et en particulier du diesel, de très bonne qualité. Le gaz naturel, le charbon et la biomasse peuvent servir de matière première : on parle des filières XtL (Something to Liquids) avec des avantages et coûts environnementaux et économiques différents. Cependant, pour le GtL et le CtL se pose la problématique des émissions de CO2 qui sont supé­rieures à celles des filières traditionnelles.

Les biocarburants de deuxième génération

La dernière ressource envisageable pour la production de carburants de synthèse est la biomasse (BtL : Biomass to Liquids). Cette filière, qui n'a pas la maturité technologique du GtL ou du CtL, en est encore au stade de la recherche-développement, en particulier autour de la conversion de la biomasse lignocellulosique en éthanol par voie biochimique : la fermentation des sucres contenus dans la lignocellulose produit de l'éthanol substituable à l'essence traditionnelle. Dans ce domaine, des opérations de démonstration ont été lancées, notamment en France (projets BioTfuel et Futurol). À long terme, la biomasse marine (algues) pourrait consti­tuer une autre ressource mobilisable pour la production de nombreux carburants : la voie privilégiée à l'heure actuelle consiste en la production de biodiesel à partir d'huiles algales.

Les motorisations des véhicules routiers

La consommation des véhicules routiers est directement liée à la puissance délivrée par le moteur pour suivre la consigne de vitesse demandée par le conducteur. Cette puissance est utilisée pour contrebalancer trois forces résistantes :

  • la force de frottement intégrant les efforts de roulage (pneu, roulement) et de transmission ; elle est très sensible à la vitesse du véhicule ;
  • la force aérodynamique qui dépend de la surface frontale du véhicule (S), du coefficient de pénétration dans l'air (Cx) est fonction du carré de la vitesse ;
  • la force d'inertie lors des phases d'accélération due à l'iner­tie du véhicule et des pièces en rotation (principalement les roues et la transmission).

La réduction des forces résistantes et du poids des véhicules est donc une manière efficace de réduire la consommation des véhicules. Mais c'est l'amélioration du rendement éner­gétique du système de motorisation lui-même qui apporte­ra une bonne partie de la solution. Le rendement des moteurs à combustion interne ne dépasse pas en moyenne 20% dans le cadre d'une utilisation en milieu urbain, et donc le système moteur-transmission possède encore, en dépit de plus d'un siècle de développement, un excellent potentiel de progrès en termes de consommation de carbu­rant et d'émissions de CO2 et il est possible de l'exploiter au travers de diverses approches technologiques. Certaines approches sont communes, d'autres spécifiques aux moteurs essence et diesel.

Progrès technologiques communs aux moteurs essence et diesel

Le rendement des moteurs thermiques devrait continuer à s'améliorer au delà de la qualité de la combustion, grâce aux approches technologiques suivantes :

  • La réduction des frottements internes au moteur, apportée par des formulations de lubrifiants avancés, une meilleure maîtrise de la thermique du moteur, des nouveaux traite­ments de surface et une réduction des surfaces de frotte­ment.
  • L'évolution de la transmission avec l'augmentation du nombre de rapports de boîte de vitesses, associé à un pilo­tage automatique précis de la transmission, afin de solli­citer les zones de fonctionnement plus optimales.
  • L'amélioration de la gestion des auxiliaires, notamment via leur électrification et l'introduction d'alternateurs pilotés.
  • L'amélioration de la gestion thermique du moteur pour rédui­re le temps de montée en température ou permettre un fonc­tionnement améliorant le rendement de la combustion.

Progrès technologiques spécifiques au moteur essence Le moteur essence présente des émissions de CO2 nettement supérieures à celles du moteur diesel, de l'ordre de 20% à 30%. Ceci est dû principalement à son mode de contrôle de la charge et à un rapport volumétrique de compression.

Une réduction des émissions sera obtenue par les moyens suivants :

  • La réduction de la cylindrée, rendue possible par la surali­mentation des moteurs essence pour augmenter couple et puissance spécifiques, présente le plus gros potentiel pour réduire les émissions de CO2 avec des gains pouvant atteindre 25% et même plus par combinaison avec des technologies permettant de faire varier le taux de com­pression.
  • La combustion stratifiée dans le moteur a été introduite sur le marché avec des gains en consommation sur cycle de l'ordre de 10% et un potentiel de l'ordre de 15%.
  • Les nouveaux modes de combustion, comme le CAI1 (auto-inflammation contrôlée du carburant), devraient permettre des gains en consommation de 10 à 20% aux faibles charges (utilisation urbaine du véhicule) avec un fonctionnement en mélange pauvre.
  • La déconnexion de cylindres, qui consiste à désactiver des cylindres à charges partielles, permet des gains de l'ordre de 10 à 15%. Dans le futur, l'application pourrait être étendue aux moteurs quatre cylindres en ligne.
  • La distribution variable présente différents niveaux de complexité : allant d'un simple déphaseur, en passant par des systèmes mécaniques permettant une levée variable. Enfin, l'utilisation de systèmes plus complexes, sans arbre à cames, pourrait offrir des gains de 10 à 13% et jusqu'à 18%, avec de la déconnexion de cylindres.

 

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Progrès technologiques spécifiques au moteur diesel

Comparé au moteur à allumage commandé, le moteur die­sel possède un très bon rendement, notamment aux charges partielles fréquemment utilisées sur véhicule particulier. En revanche, son principe de fonctionnement conduit à des émissions de NOx qu'il est difficile de post-traiter par un catalyseur. Des technologies permettront d'améliorer le compromis consommation/émissions de polluants :

  • Les systèmes d'injection à rampe commune, très majori­tairement utilisés, ont largement contribué à améliorer la combustion des moteurs diesel avec l'augmentation des pressions d'injection (2000 fois la pression atmosphé­rique) et la mise en oeuvre d'injections multiples. Parmi les technologies à venir, on peut citer les injecteurs à contrôle direct de la levée de l'aiguille. Combinée à de plus forts taux de gaz recirculés, cette technologie permet des gains en consommation de l'ordre de 4% en ajustant le profil de la combustion à iso-émissions de polluants.
  • L'utilisation de systèmes de distribution variable peut réduire les émissions de polluants avec un effet positif sur la consommation (3 à 4%).
  • Les nouveaux modes de combustion bas-NOx comme la combustion basse température (LTC : Low Temperature Combustion) devraient voir leur champ d'application étendu.
  • Des systèmes de suralimentation évolués, comme la sur­alimentation double étage récemment commercialisée sur des véhicules haut de gamme, permettent des gains en rendement, grâce à une augmentation du débit d'air.
  • Les nouveaux systèmes de post-traitement des oxydes d'azote comme la réduction catalytique sélective (SCR) permettent de déplacer le compromis NOx/consomma­tion des moteurs et d'améliorer ainsi sensiblement les émissions de CO2.

L'électrification du transport routier

L'énergie électrique assure d'ores et déjà de nombreuses fonctions dans les domaines du confort, de la sécurité ou de la communication à bord des véhicules automobiles. Les puissances électriques moyennes sont déjà proches de 2 à 5 kW. À noter que les puissances moyennes mises en jeu pour assurer le déplacement d'un véhicule sont inférieures à 10 kW pour des trajets urbains à plat. Demain, les puis­sances et les consommations électriques des véhicules auto­mobiles vont continuer leur croissance et selon toute vrai­semblance affecter directement la fonction propulsion du véhicule.

Les différentes fonctionnalités listées ci-après sont implé­mentées dans le véhicule avec comme objectif principal la recherche d'une réduction des émissions de CO2 du véhicu­le, soit par l'amélioration du rendement énergétique, soit par l'introduction d'une énergie à basse teneur en carbone au travers de l'électricité réseau.

Système Stop-Start

La fonctionnalité implémentée dans ce système, également dénommé micro hybrid, est l'arrêt du moteur thermique lorsque celui-ci ne produit pas de force motrice pour le véhicule, c'est-à-dire essentiellement la suppression des phases de ralenti.

Le démarrage est réalisé par une machine plus puissante qu'un démarreur conventionnel (2 à 4 kW), qui pourra être liée par courroie au moteur thermique et utilisée également comme générateur. Le gain en énergie atteint 10 à 15% en ville.

Système Stop-Start avec récupération d'énergie au freinage

Ces systèmes sont dérivés des précédents mais utilisent une machine plus puissante (4 à 6 kW entraînée par courroie) et un stockage associant une batterie au plomb et des super-condensateurs. Cette configuration permet de récupérer une part de l'énergie disponible lors des freinages et d'augmenter le gain en consommation qui pourra alors atteindre pour un véhicule particulier 10 à 12% sur le cycle normalisé.

Assistance au moteur thermique

Dans cette configuration (dénommée mild hybrid), l'utilisa­tion d'une machine électrique plus puissante (10 à 20 kW) va permettre, en plus des fonctions précédentes, d'assister le moteur thermique en fournissant un couple additionnel durant les phases motrices, ce qui permet de conserver de bonnes performances dans les faibles régimes, à l'image d'un moteur diesel suralimenté, tout en utilisant un moteur essence associé à une forte réduction de cylindrée (downsi­zing) (le gain de consommation est de l'ordre de 30% en conditions urbaines, de 15 à 25% sur le cycle normalisé européen MVEG et très faible en conditions extra urbaines).

Mode tout électrique

Cette fonctionnalité correspond à un usage possible du véhi­cule hybride à partir de sa motorisation électrique seule, c'est-à-dire que le moteur thermique pourra être isolé de la transmission et stoppé durant ces phases. Ce type de confi­guration, dite full hybrid, offre beaucoup plus de possibili­tés d'optimisation dans le fonctionnement du moteur ther­mique puisqu'une grande part des situations défavorables pourra être réalisée en mode tout électrique. Le degré d'op­timisation très important du moteur thermique va condui­re à l'obtention de gains en consommation extrêmement élevés, jusqu'à 40% en conditions urbaines. Ces gains rela­tifs vont se réduire, entre 10 à 20% en conditions routières pour se réduire à quelques % sur autoroute. La complexité de ce système et le dimensionnement de ses composants induisent cependant un surcoût important.

Mode électrique avec autonomie

Ce mode est complémentaire du mode électrique. Il s'en distingue par le fait que l'arrêt du moteur thermique pour­ra être décidé par le conducteur, ou éventuellement par une infrastructure extérieure, et maintenu sur une distance significative (all electric range de l'ordre de 5 à 20 km pour l'Europe, jusqu'à 60 km envisagés aux États-Unis). Les per­formances dynamiques du véhicule dans ce mode seront donc liées à la puissance disponible sur la machine et la bat­terie (20 à 50 kW) et l'autonomie à l'énergie contenue dans la batterie (5 à 20 kWh au total).

Dans un hybride non rechargeable sur le réseau, l'état de charge de la batterie est constamment maintenu autour d'une valeur moyenne. Dans le cas de la recharge réseau, le système de gestion de l'énergie laisse dériver la charge jus­qu'à atteindre une valeur limite. La batterie peut alors être rechargée sur le réseau (hybride dit plug-in).

Cette fonctionnalité va permettre d'effectuer un transfert de consommation vers d'autres sources d'énergies primaires via le vecteur électricité, ce qui peut conduire à un gain d'émis­sions en fonction des modes de production du réseau élec­trique.

Du fait du dimensionnement de la batterie, le surcoût induit par les solutions autonomie et recharge réseau sera important.

Gestion optimisée de l'énergie

La mise en oeuvre de ces différents modes de fonctionne­ment doit être réalisée de façon dynamique au cours de l'usage du véhicule et prendre en compte l'état des diffé­rents composants, la charge du système de stockage d'éner­gie notamment. Cette gestion complexe ne peut être laissée à l'initiative du conducteur mais à des logiciels de contrôle.

L'objectif est d'assurer une gestion et un pilotage optimal des composants afin de minimiser la consommation d'éner­gie du véhicule tout en préservant ses performances et en améliorant si possible son agrément de conduite.

Perspectives

Le moteur à combustion interne avec des carburants liquides a un potentiel considérable d'amélioration. En outre, l'hybridation des motorisations permet d'augmenter de façon importante les gains en consommation d'énergie et émissions de CO2. La figure ci-dessous résume de façon synthétique le potentiel de progrès.

De nombreux programmes de recherche sont conduits en Europe, en Amérique du Nord et en Asie afin de progresser sur ces différents points. Parallèlement, de nombreux constructeurs prévoient une mise sur le marché de la pre­mière génération de modèles dès 2011-2012, après validation sur flottes de tests.

Dans un contexte économique difficile, une telle évolution nécessite la mise en place de nombreuses collaborations entre les partenaires, que l'on constate déjà entre construc­teurs et fournisseurs de systèmes de stockage ainsi qu'entre constructeurs et fournisseurs d'énergie électrique. Parallèlement, les collaborations avec les autorités locales et nationales devront être renforcées afin de progresser sur les aspects normatifs, incitatifs et les infrastructures énergé­tiques. •

 

1Controlled Auto Ignition

 

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