ELECTRIC, HYBRID, AND NON CONVENTIONAL PROPULSION SYSTEMS - Introduction. Pierre DUYSINX

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1 ELECTRIC, HYBRID, AND NON CONVENTIONAL PROPULSION SYSTEMS - Introduction Pierre DUYSINX LTAS Automotive Engineering University of Liege Academic year

2 Contexte «L automobile, c est la liberté» Automobile a connu un développement remarquable depuis un siècle et surtout dans les dernières décennies Automobile = composante essentielle de la vie économique: mobilité des marchandises et des personnes caractéristique des pays développés condition / conséquence du développement la croissance appelle plus de mobilité Automobile = composante de notre vie sociale et de notre style de vie: mobilité individuelle pour le travail, les loisirs réponse à une aspiration profonde de liberté de déplacement 2

3 Contexte L automobile est victime de son succès Développement du trafic routier et augmentation du parc automobile Croissance des trajets et des distances de déplacement Congestion des grands centres urbains Les transports routiers consomment 70 % pétrole de l Union Européenne Question de la pérennité du secteur transport Approvisionnement énergétique suffisant et à quel coût? Pollution atmosphérique locale Accroissement des émissions de gaz à effet de serre Augmentation des nuisances sonores 3

4 Contexte : croissance du parc automobile Vers le milliard de véhicule en circulation dans le monde 4

5 Croissance et domination de la route 5

6 Contexte : croissance du parc automobile Evolution du parc automobile en Belgique (source FEBIAC) 6

7 Contexte : croissance du parc automobile Evolution du kilométrage moyen en Belgique (source FEBIAC) 7

8 Contexte: émissions de carbone 8

9 Emissions de co 2 et réchauffement global Accroissement des émissions de CO 2 Menace d un réchauffement global Protocole de Kyoto pour réduire les émissions de CO 2 9

10 Contexte: diminution des réserves de combustibles fossiles 10

11 Déplétion des ressources de pétrole Ressources en pétrole ~ 35 à 40 ans Réserves en pétrole ~ 60 ans Source: fr.wikipedia.org 11

12 Evolution du prix du pétrole Le prix du pétrole atteint le seuil des 100 $ le barril Source: BBC news 12

13 État de la situation: Tendances dans l Union Européenne 13

14 TENDANCE DANS L UNION (LIVRET BLANC DE LA D.G. ÉNERGIE & TRANSPORT) Le parc automobile a augmenté d un facteur 3 en 30 ans (+ 3 millions par an) Entre 2000 et 2010: le trafic poids lourds a augmenté de 50% Émissions de CO 2 dans l Union Européenne: Le transport routier = 24% des émissions de l UE! Les émissions de CO 2 ont augmenté d environ 50% entre 1990 et 2010 Sécurité d approvisionnement en énergie: Le transport est dépendent à 98 % du pétrole, dont 70% est importé 14

15 Croissance et domination de la route Conséquences: Congestion des réseaux transeuropéens Pollution 84% des émissions de CO 2 du transport Sécurité d approvisionnement Transport dépend à 98% du pétrole importé à 70% Insécurité routière morts sur les routes de la CE 15

16 Les émissions et la pollution Propositions de DGET: Réduction des polluants et des émissions (normes Euro IV et Euro V) Diversification des sources d énergie Rationalisation du transport urbain Soutenir les recherches sur les technologies propres Promouvoir les bonnes pratiques 16

17 Les émissions et la pollution Une énergie diversifiée pour les transports Objectif 2020: la part des carburants de substitution doit passer à 20% Proposition d un % minimal d utilisation des biocarburants: 2%, puis 6% en 2010 COP15: Réduction de 20% des émissions de CO 2 Soutenir les technologies de voitures propres via le Programme Cadre de Recherche Promouvoir les bonnes pratiques: Villes pionnières, recours accrus aux véhicules propres et aux transports en commun 17

18 ENJEUX ENVIRONNEMENTAUX 18

19 Réduire la pollution locale Automobiles quasi toutes équipées de moteurs thermiques alimentés en carburants liquides issus du pétrole La combustion génère un certain nombre de polluants monoxyde de carbone (CO) oxydes d azote (NO et NO2) hydrocarbures imbrûlés (HC) particules de suie et d imbrûlés (PM) Secteur transport = premier contributeur pour CO et NOx contributeur important pour HC et PM 19

20 Réduire la pollution locale 20

21 Réduire la pollution locale C est pourquoi la réglementation anti-pollution européenne se base sur des cycles de conduite urbaine et périurbaine pour l homologation des véhicules Conditions de fonctionnement difficiles: faible charge, vitesse moyenne faible, démarrage à froid, accélérations / décélérations Depuis les années 1970, les normes anti-pollution ont connu une sévérisation importante Les limites d émission ont été diminuées d un facteur 10 à 100! 21

22 Cycle européen Nouveau cycle européen (1996) 22

23 Abaissement des émissions dans la CEE 23

24 Abaissement des émissions en Europe 24

25 Réduire la pollution locale Progrès technologiques: Amélioration de la qualité des carburants: teneur en benzène, composés aromatiques, en soufre Éviter la formation de polluants: Pilotage électronique du moteur, de l injection, de l allumage et de l alimentation en air Injection directe haute pression pour les moteurs diesel Amélioration de la combustion Systèmes de post-traitement catalytique des polluants. Catalyse dite 3 voies permet la réduction simultanée du CO, NOx et HC avec 99% d efficacité 25

26 Réduire la pollution locale Réduction des émissions en Belgique (source FEBIAC) 26

27 Réduire la pollution locale Réduction des émissions en Belgique (source FEBIAC) 27

28 Réduire la pollution locale 28

29 Réduire la pollution locale Succès de la conjonction réglementation et progrès technologiques Diminution effective des rejets de polluants atmosphériques liés à l automobile des émissions globales des polluants toxiques en Europe Le CO 2 ne suit pas cette même évolution! CO 2 = traceur de la consommation accroissement du parc, du trafic routier et du poids des véhicules pas possible de l éliminer des gaz d échappement 29

30 Réduire les émissions de CO 2 CO 2 est un des gaz à effet de serre impliqués dans le processus de réchauffement climatique Augmentation des émissions de CO 2 = indicateur d une croissance de la consommation Protocole de Kyoto: la Communauté Européenne doit réduire ses émissions de CO 2 de 8% entre 1990 et 2012 Dans ce contexte: l ACEA (Association des Constructeurs automobiles) s engage volontairement à réduire les émissions moyennes des véhicules commercialisés à 140 g/km en g/km en

31 Réduire les émissions de CO 2 31

32 Réduire les émissions de CO 2 32

33 Réduire les émissions de CO 2 Objectifs: 130 gr CO2 / km en gr CO2 /km en

34 Réduire les émissions de CO 2 Deux voies principales: utilisation de carburants à faible teneur en carbone ou carburants ayant un cycle de vie conduisant à des émissions réduites réduction de la consommation des véhicules Amélioration des moteurs à combustion interne Motorisations alternatives Motorisations hybrides Autres principes de conversion de l énergie chimique: la pile à combustible 34

35 Carburants alternatifs plus propres Carburants alternatifs: Gaz Naturel comprimé (CNG) Liquefied Petroleum Gas (LPG) Alcools (éthanol, méthanol) Bio diesel (DME, etc.) Hydrogène Accroissement des parts de marché des carburants alternatifs (Livret blanc de la D.G. Énergie & Transport): Objectif pour 2020: 20% du marché Bio carburants: 6% en 2010 Suppression des taxes sur l hydrogène 35

36 Le choix du carburant Valeur énergétique des carburants 36

37 Le choix du carburant Mais aussi Le système de stockage (volume, poids, coût ) Le temps de remplissage du réservoir Une autonomie aussi grande que possible La sécurité 37

38 Contraintes de masse et de volume embarqués Objet premier des systèmes de transport: être capables de transporter des passagers et des marchandises dans des conditions de vitesse et de sécurité satisfaisantes Dans un véhicule, la masse et le volume du système de propulsion doivent être minimaux pour une puissance donnée La voiture est un bien de grande consommation Le prix est critique On veut également Un démarrage rapide Un entretien facile Une sécurité de fonctionnement 38

39 Variabilité du fonctionnement Problème du fonctionnement des systèmes de propulsion: la très grande variabilité des régimes de fonctionnement Objectif: dimensionner à la puissance moyenne! Moyen: stocker l énergie véhicule hybride Source G. Coquery, INRETS 39

40 Principe de fonctionnement des nouveaux systèmes de propulsion Couper le moteur à l arrêt Carburants avec moins de carbone Maîtrise des équipements Réduction de masse, du S Cx, de la résistance des pneumatiques Simplification transmission Améliorer le rendement du moteur, downsizing du moteur, réduction des frottements internes Récupération d énergie au freinage source: 40

41 Réduire les émissions de CO 2 Pour atteindre les objectifs de Kyoto, nécessité de placer l effort principal sur des nouveaux développements technologiques Différentes actions possibles pour réduire la consommation: le rendement du moteur (action la plus directe) la réduction de masse, mais en opposition avec la demande d un plus grand confort, d une plus grande sécurité et des voitures de plus haut de gamme la réduction des frottements internes du moteur augmentation du couple spécifique: réduction de la cylindre à performances égales, c est-à-dire le downsizing réduction de la traînée aérodynamique évolution de la transmission 41

42 Réduire les émissions de CO 2 42

43 Réduire les émissions de CO 2 Jusqu à présent la réduction de la consommation moyenne des véhicules s est faite en Europe par une diésélisation des véhicules neufs (environ 45%) recourt à l injection directe (+15% de rendement) downsizing grâce à la turbo suralimentation Cette tendance va se poursuivre partiellement, mais elle n évitera pas de nouveaux développements technologiques pour atteindre les objectifs à plus longs termes 43

44 Nouveaux systèmes de propulsion Les NOUVEAUX SYSTÈMES DE PROPULSION sont basés sur les mêmes idées de base: Arrêter le moteur si à l arrêt: 8% gain de CO 2 Récupération d énergie au freinage : 13% de CO 2 Downsizing du moteur : 30% CO 2 de gain Hybridation complète: 45% CO 2 de gain MAIS on doit également jouer sur D AUTRES LEVIERS: Structure légères : aluminium, matériaux composites, formes et profils optimisés de la structure Pneus à bas coefficient de résistance au roulement Amélioration des performances aérodynamiques (C x, surface frontale) CARBURANTS avec moins de carbone H 2, CH 4. 44

45 VOITURE ELECTRIQUE Historique: Les voitures électriques ont été très populaires entre 1905 et Regain d intérêt à chaque crise énergétique Mais jamais de succès commercial Avantages: Mode à zéro émission Très faible niveau sonore Confort de conduite en ville Désavantages: Autonomie limitée (< 200 km) Temps de recharge ( ~ 6 heures) Bolloré BlueCar Le problème des véhicules électriques = les batteries: 200 fois moins d énergie par kg que dans le pétrole! 45

46 Les 6 défis des batteries Améliorer l autonomie = augmenter l énergie et la puissance spécifique Allonger la durée de vie Raccourcir le temps de recharge Rendre les batteries plus sûres et fiables Abaisser le coût et économiser les matériaux Organiser le recyclage 46

47 Véhicules hybrides électriques Combinent deux sources d énergies i.e. deux types de motorisations (i.e. thermiques et électriques) et deux types de stockage. Les VEH permettent de tirer profit des avantages des voitures électriques tout en gardant les avantages des moteurs à combustion interne (autonomie facilité de recharge, etc.) L hybridation conduit à de nombreuses voies d optimisation de l énergie à bord du véhicule L hybridation permet de réduire fortement les émissions de polluants et la consommation (gain jusqu à 40 ou 50%) Inconvénient persistant: surcoût et accroissement de la masse Le succès commercial et en train de venir (e.g. Toyota Prius II, Honda Insight, Lexus RX400h, Ford Escape ) 47

48 Véhicules hybrides électriques Toyota Prius II Ford Escape Honda Insight Lexus RX400h 48

49 Véhicules hybrides électriques Véhicule hybride parallèle Véhicule hybride série 49

50 Puissance Machine électrique [kw] Hybrides: comment ça marche? Le freinage régénératif Récupérer (partiellement) l énergie du freinage Stockage dans l accumulateur (batteries, supercaps, volant d inertie) Lissage des pics de puissance Réduction de taille du moteur Temps [s] Améliorer l utilisation du moteur thermique Réduction de cylindrée en préservant le couple Réduction des frictions internes du moteur Fonctionnement du moteur en grande majorité dans sa meilleure plage de rendement et de moindres émissions 50

51 Véhicules hybrides électriques Réduction de consommation possible pour un véhicule de 1300 kg 51

52 Pile à combustible Système de conversion directe de l énergie d un combustible en électricité par un processus électrochimique Réaction électrochimique (oxydo-réduction) sans combustion Réactifs constamment introduits, consommés et renouvelés et les produits de réaction enlevés en continu Les protons / ions sont transportés à travers l électrolyte De chaque côté des électrodes, on a des plaques conductrices chargées de collecter le courant Les électrons sont dérivés par le circuit extérieur 52

53 Véhicules à pile à combustible Les enjeux pour la commercialisation des véhicules à piles à combustible restent importants: réduire le coût des composants améliorer le rendement effectif des membranes PEM: surtout à cause de la consommation des auxiliaires améliorer la durabilité et fiabilité moyen de stockage de l hydrogène à bord infrastructures de distribution de l hydrogène mesure et règles de sécurité pour la conception des véhicules à hydrogènes et de la distribution de l hydrogène définir des filières énergétiques de production de l hydrogène à partir d une source primaire: coût, disponibilité, sécurité, efficacité énergétique, émission de CO 2 sur le cycle de vie. 53

54 Conclusions 54

55 Échéances prévisibles pour l application des nouvelles technologies Chang & Chau: Développement des tendances en EV et HEV 55

56 LE FUTUR Véhicules multi sources 56

57 Concept de mobilité personnelle Vision de plus petits véhicules très mobiles et très intelligents Motorisation électrique Batteries ou pile à combustible Matériaux légers Adaptés à la circulation urbaine Personnal Mobility Concept de Toyota 57

58 Concept de véhicule intelligent Fonction d intelligence et de communication 58

59 Conclusions L automobile fait partie de notre vie doit faire face à des défis majeurs à l aube du 21 ème siècle Nouveaux développements à court et moyen termes Améliorer les moteurs à combustion interne Recherche et développement pour le moyen et long termes Véhicules hybrides électriques (5 à 10 ans) Piles à combustible (10 à 15 ans?) Le pétrole et les moteurs à pistons ne pourront être remplacés que par plusieurs solutions alternatives (carburants et systèmes de propulsion), chacun étant le mieux adapté dans une niche. 59

60 Références Livret Blanc de la DG Énergie et Transport de la Commission de la CE sur la «Politique européenne des transports à l horizon 2010 : l heure des choix» disponible sur le site Ph. Pinchon. «Futures évolutions des motorisations dans l automobile». L automobile du futur: les technologies de l IFP. 6 mai Vlacic L. Parent M. & Harashima F. : «Intelligent Vehicle Technologies». Butterworth Heinemann, CC Chan & KT Chau Modern Electric Vehicle technology. Oxford Science Publication, CM Jefferson & RH Barnard. Hybrid Vehicle Propulsion. WIT Press Energy Technology and Fuel Economy. US Department of Energy. FEBIAC: 60