Analyse et optimisation du bilan énergétique

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1 Analyse et optimisation du bilan énergétique de systèmes de transport Auteur: Roland WETTER EPFL-LME 1

2 Généralités sur les transports La vie, c est le mouvement! - recherche de la nourriture - rencontre des personnes - déplacement de produits 2

3 La vie, c est le mouvement! La recherche de la nourriture (autrefois) pedibus cum jambis 3

4 La vie, c est le mouvement! Bistrot 9% Dodo La recherche de la nourriture (aujourd hui) Migros 44% 11% 8% 5% Boulot 24% 4

5 Trop de mouvement nuit! Répartition modale en terme de distance parcourue par personne 2% 6% Autres 2% 5% 17% 68% Source: office fédéral de la statistique micro recensement

6 La question énergétique dans son contexte Accroissement en % de la consommation d énergie selon le secteur (base 100 = 1978) 6

7 Consommation finale d énergie par secteur Transports aériens 21% Ménages 28.4% Services, commerce, agriculture 19.0% Industrie 19.7% Transports 32.9% Transports routiers 76% (dont transports publics = 1%) (dont marchandises = 19%) Transports ferroviaires 3% Source: statistique globale suisse de l énergie

8 Energie spécifique selon le mode de transport kwh par personne et par km Occupation moyenne actuelle Occupation à 100% 8

9 Les transports au début du XXI e siècle Constats : accroissement de tous les trafics (publics, privés, de marchandises); l explosion de la demande en déplacement est un a priori pas mis en question; le transfert modal est essentiellement stimulé par l accroissement de l attractivité des transports concurrents. 9

10 Les défis des transports du XXI e siècle Période Répondre à la demande avec des transports rapides attrayants confortables bon marché Dès 2020? Le pétrole se raréfie. Quelles conséquences pour les transports? 10

11 Les transports du futur? Solution justifiée principalement en substitution à l avion. Pour étapes longues. Maglev Transrapid TGV 11

12 Les transports du futur! économes en énergie transfert modal important en direction du transport public utilisation massive du vecteur énergétique électrique 12

13 Les transports du futur Urbain et suburbain (déplacements de proximité) Performant pour les courtes distances Facile d accès Faibles émissions (air bruit) 13

14 Profil de marche v Accélération Arrêt Décélération t Marche à v constante 14

15 Energies mécaniques en jeu lors du déplacement - Pertes à l avancement - Energie cinétique: E = ½ (m vhc + m tournantes ) v 2 [J] - Energie potentielle: E = m vhc g h [J] 15

16 Pertes à l avancement Frottement de roulement = k 0 m [N] Frottement dans les paliers = k 1 m v [N] Frottement dans les courbes = m (k c1 a + k c2 ) / R [N] Frottement aérodynamique = k a C w A v 2 [N] 16

17 Pertes dans la chaîne de traction 1. Convertisseur de courant 2. Moteurs 3. Transmission (engrenage, réducteur) 17

18 Consommation des auxiliaires Chauffage-ventilation-climatisation Portes Eclairage Surveillance Signalisation 18

19 Energie de freinage E cinétique E potentielle Freinage mécanique I par limitation de l effort Freinage mécanique II à basse vitesse Recyclage dans les auxiliaires embarqués Pertes transmission Pertes moteurs Pertes convertisseur E freinage électrique 19

20 Bilan énergétique d un véhicule Pertes à l avancement Energie freinage électrique 34% 21% 1% 18% 13% 13% Pertes chaîne de traction Pertes freinage électrique Auxiliaires Pertes frein mécanique Cas: métro m2 20

21 Optimisation énergétique (pertes à l avancement) Frottement de roulement = k 0 m [N] Réduction des masses Frottement dans les paliers = k 1 m v [N] Frottement dans les courbes = m (k c1 a + k c2 ) / R [N] Grands rayons de courbure Vitesse réduite Frottement aérodynamique = k a C w A v 2 [N] Meilleur profil aérodynamique 21

22 Optimisation de la chaîne de traction 1. Convertisseur de courant Nombre d étages réduit Rendement amélioré par une meilleure technologie 3. Transmission (engrenage, réducteur) 2. Moteurs Moteurs à aimants permanents 22

23 Optimisation énergétique par l exploitation Réduction de l accélération, de la décélération et de la vitesse v t Accélération Décélération Marche à v constante 23

24 Influence du type de traction 1. Traction par adhérence acier-acier Pente maximum admissible : 70 Rendement élevé 24

25 Influence du type de traction 2. Traction par adhérence pneu-acier Pertes de roulement 4 5 x plus élevée que pour l adhérence acier-acier Adhérence dégradée selon les conditions atmosphériques Roulement avec faible transmission de vibration solidienne 25

26 Influence du type de traction 3. Traction par moteur linéaire Pertes de roulement faibles Masse réduite Faible rendement de la propulsion 26

27 Influence du type de traction 4. Traction par crémaillère Rendement mécanique de la crémaillère d environ 98.5% Bruyant pour vitesse > 40 km/h Transmission de bruit solidien importante 27

28 Influence du type de traction Comparaison des consommations d énergie des véhicules 100% 146% 206% crémaillère acier-pneu linéaire 28

29 Pertes dans le système d alimentation 29

30 Pertes dans les postes de transformation Localisation dans - les transformateurs - les convertisseurs - les filtres et inductances de lissage 30

31 Energie pour les auxiliaires (I) Systèmes de sécurité: portes palières, vidéo, automatismes, balises, détections Accès aux stations: ascenseurs,escalators, tapis roulants 31

32 Energie pour les auxiliaires (II) - Eclairage - Chauffage des voies 32

33 Flux d énergie dans le système de transport Energie prélevée au réseau à 50 Hz Energie pour les auxiliaires Pertes dans les postes de transformation et les lignes d alimentation Lignes d alimentation de traction Pertes dans les lignes de traction Energie réutilisée par d autres véhicules Energie de freinage électrique Energie de freinage disponible 33

34 Energie de freinage: généralités E freinage disponible E freinage recyclable 2.1. Recyclage à bord du véhicule: - par stockage cinétique - par stockage «ultracap» 1. Renvoi à la ligne de contact 2.2. Recyclage dans le réseau d alimentation: - par stockage cinétique - par stockage «ultracap» - par convertisseur de courant 34

35 Renvoi de l énergie de freinage à la ligne de contact 1. Echange d énergie avec les autres véhicules Métro m2 69.4% 64.5% 53.6% 49.4% 10' 7.5' 6' 6' / 3' Energie renvoyée à la ligne de contact par rapport à l énergie totale de freinage électrique Taux de récupération variable selon l horaire de circulation 35

36 Simulation d un système de transport Simulateur numérique Résultats 36

37 Résultats de la simulation 37

38 Résultats de la simulation Métro m2 Bilan d'énergie pour un seul véhicule SimuLink - Trajet Ouchy - Croisettes et retour Référence Cas étudié vhc à vide 1/3 chrg 2/3 chrg Nombre de passagers à 70 kg E absorbée à la ligne [kwh] [kwh] [kwh] Ouchy -> Croisettes Croisettes -> Ouchy Total Pertes à l'avancement Ouchy -> Croisettes Croisettes -> Ouchy Total Pertes chaîne de traction Ouchy -> Croisettes Croisettes -> Ouchy Total Pertes freinage électrique Ouchy -> Croisettes Croisettes -> Ouchy Total

39 Résultats de la simulation Energies consommées, échangées et récupérables Métro m2 Bilan énergétique sur une heure et potentiel de récupération Horaire 10' 7.5' 6' 6' / 3' Nombre de véhicules engagés trajet complet (tc) trajet partiel (tp) Energie fournie par les postes de transformation traction [kwh] [kwh] [kwh] [kwh] Grancy Riponne CHUV Vennes Total Energie absorbée à la ligne par tous les véhicules (produit val. réf.) Pertes dans les lignes Energie de freinage électrique renvoyée à la ligne (tous vhc) (produit val. réf.) E frein / E tot. fourni par p.t % 37.82% 40.33% 39.70% Métro m2 Energie freinage échangée entre les véhicules E frein échangé / E freinage total 49.43% 53.58% 64.52% 69.39% 39

40 Résultats de la simulation P / W x 10 6 Poste de CHUV t / s P rms + = 627 kw P rms = 144 kw P max = 1633 kw P min = 853 kw E pic nég.* = 2.09 kwh E perdu/écrêt / h = 0.00 kwh E pertes récup / h = kwh E récup net / h = kwh Métro m2 40

41 Flux d énergie selon la cadence horaire Métro m2 41

42 Influence du nombre de voyageurs Taux de récupération inter véhicules Charge 100 passagers (référence) véhicules àvide 200 passagers nombre de passagers variable 69.39% 70.92% 68.18% 68.66% Energie encore disponible [kwh] Métro m2 42

43 Variations d horaire Métro m2 43

44 Récupération d énergie Métro m2 Analyse des puissances et énergies aux postes de transformation Récupération d énergie par stockage cinétique Période d observation: de 900 à 1350 s (durée = 450 s) P / W x 106 Poste de Grancy t / s Horaire 7.5 cas référence Caractéristiques du stockeur cinétique : P max = 900 kw P maintien = 10 kw eta = 0.94 P rms + = 473 kw P rms = 103 kw P max = 1563 kw P min = 701 kw E pic nég.* = 1.62 kwh E perdu/écrêt / h = 0.00 kwh E pertes récup / h = kwh E récup net / h = kwh 44

45 Récupération d énergie Métro m2 45

46 Consommation d énergie comparée métro / trolleybus Energie [kwh] Consommation énergétique par nombre de voyageurs pour un parcours Ouchy-Croisettes- Ouchy Avec récupération inter-véhicules et prise en compte des énergies annexes Métro Trolleybus Nom bre de voyageurs 46

47 Facteurs d influence et d optimisation Valeur de référence Valeur modifiée Ecart énergie Vitesses maximale 50 km/h 40 km/h % 50 km/h 60 km/h % Moteur thermique 1.5 tonnes 0 tonne % Nombre d'arrêts dus au trafic 20 arrêts 10 arrêts % 20 arrêts 30 arrêts % Dénivellation 340 mètres 170 mètres % Variante trolleybus 47

48 Conclusion Les économies les moins coûteuses sont atteintes au niveau du concept général du système de transport. Le potentiel de récupération de l énergie de freinage dépend fortement du taux de récupération intervéhicule. Le retour sur investissement relativement faible conduit souvent à négliger les aspects énergétiques, car notre société est en crise financière et pas (encore) en crise énergétique. Le potentiel d économie actuel le plus important se situe avant tout dans le choix du mode de transport 48