Les agroéquipements: spécificités et voies d amélioration de leur efficacité énergétique

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1 Les agroéquipements: spécificités et voies d amélioration de leur efficacité énergétique Frédéric Vigier, Délégué à l'expertise, Irstea Conseiller technologique, SIMA et SITEVI Pour mieux affirmer ses missions, le Cemagref devient Irstea Stéphanie Lacour, Christophe Burgun, Adrien Sabourin, Sylvain Descloux, Equipe «efficacité énergétique des machines thermiques», LGP2ES Irstea 26 mars 2013 Conférence SIA 2013: Utilisation rationnelle de l énergie et environnement 26 mars 2013

2 Les agroéquipements; spécificités et voies d amélioration de leur efficacité énergétique Machines agricoles : Moteurs: - Fonctions et indicateurs de performance énergétiques - caractéristiques -carburants -pollution Transmission de puissance: - boîte, roue, adhérence - outil: prise de force, hydraulique, électrique 2

3 Les agroéquipements : analyse fonctionnelle 3 Echelle macro économique: choix de mécanisation Organisation: - individuel - cercle d échange - coopérative de matériel: CUMA - entreprise de travaux: EDT Choix d investissement: - dispositifs fiscaux - de 50 ke à 500 ke selon les machines

4 Les agroéquipements : analyse fonctionnelle 4 Fonction «transport déplacement» l/km Rayon d action - saison: matériel de récolte = 12 km - journalière: ferme-parcelle = 2.2 km

5 Les agroéquipements : analyse fonctionnelle 5 Fonction «transport marchandise» P = F.v Rayon d action : (silo, stockage) parcelle: 2-10 km Masse transportée: de 3 à 20 tonnes Limitation de vitesse

6 Les agroéquipements : analyse fonctionnelle 6 Au champs: traction pure P = F.v Un tracteur est capable de tirer son poids Sa puissance en traction est limitée par l adhérence ou la puissance du moteur

7 Les agroéquipements : analyse fonctionnelle 7 Au champs: traction pure La performance énergétique s apprécie - en énergie : consommation surfacique - en puissance: vitesse d exécution des travaux

8 Les agroéquipements : analyse fonctionnelle 8

9 Les agroéquipements : analyse fonctionnelle 9 Au champs: traction et prise de force P = F.v + C ω La force de traction est moins importante qu en traction pure Un couple est produit en sortie arrière du tracteur, à la prise de force Répartition: de 25 à 50 % de la puissance mécanique pour la traction de 50 à 75% pour l animation d outil

10 Les agroéquipements : analyse fonctionnelle 10 Au champs: traction et prise de force Pour un cultivateur, selon la vitesse d exécution et la profondeur de travail, le tracteur consomme de 1 à 3 fois plus d énergie

11 Les agroéquipements : analyse fonctionnelle 11 Au champs: traction, prise de force et hydraulique P = F.v + C ω + q. P

12 Les agroéquipements : analyse fonctionnelle 12 Exemple des consommations typiques d un tracteur de 150 Ch pour différents outils

13 Les agroéquipements : analyse fonctionnelle 13

14 Les agroéquipements : analyse fonctionnelle 14 Tracteur ou moteur thermique «fixe» ou valet de ferme Irrigation Déchiqueteuse (280 ch pour 60 m3/h) (25 à 95 ch) Manutention, distribution du fourrage

15 Les agroéquipements; spécificités et voies d amélioration de leur efficacité énergétique 15 Motorisation

16 Les agroéquipements : motorisation 16 Une puissance en constante augmentation 10 ch en 10 ans, 20 ch en 20 ans * Moins de 5 litres: moins de 100 Ch * 7/8 litres: entre 100 et 180 Ch Plus de 12 litres au delà de 180 Ch Le tracteur moyen grossit

17 Les agroéquipements : motorisation 17 Exemple d un résultat d essais OCDE 2012

18 Les agroéquipements : motorisation 18 Du diesel, avec : - un couple de 500 Nm pour 100 KW - une forte réserve de couple pour supporter les variations de charges

19 19 Les moteurs sont en général turbocompressés, avec refroidissement d air Intermédiaire. On trouve encore des moteurs atmosphériques sur les petits modèles, mais ceux-ci tendent à disparaitre

20 Les agroéquipements : motorisation 20 Ventilateur et refroidissement Avec les ventilateurs visco-statiques, la puissance de refroidissement n est pas directement proportionnelle au régime moteur La puissance de refroidissement peut atteindre 15 kw pour un tracteur délivrant 110 kw à la prise de force

21 Les agroéquipements : motorisation 21 Carburant : contraintes globales - Stockage et approvisionnement: de à litres par an et par exploitation - Autonomie et ravitaillement 8 heures / jour à 15 l/h 120 litres 15 heures / jour à 40 l/h 800 litres - Composition / Stabilité / Qualité

22 Les agroéquipements : motorisation 22 Carburant : contraintes réglementaires En 2011 application de la directive 2009/30/CE remplacement du fioul domestique par du gazole non routier (GNR) destiné soufre: mg/kg soufre : 10 mg/kg - aux engins mobiles non routiers, - aux tracteurs agricoles et forestiers, -aux bateaux de navigation intérieure et aux bateaux de plaisance lorsqu ils ne sont pas en mer Spécification identique au routier, à l exception de la couleur

23 Les agroéquipements : motorisation 23 Valorisation en circuits courts Carburant et biocarburants Flex-fuel diesel + huile végétale pure: John Deere, SameDeutz. Procédé de production local et moteur Dual-Fuel diesel + biogaz: Valtra (AGCO SISU POWER),. Méthanisation à la ferme et moteur

24 Les agroéquipements : motorisation 24 Electricité stockée en batterie Recharge sur réseau EDF Carburant: Autres énergies Hydrogène + Pile à combustible Procédé de production local et motorisation éléctrique Exploitation agricole Production d électricité Electrolyse et stockage hydrogène

25 Les agroéquipements : motorisation 25 Pollution et réglementation Comparatif des législations européenne et américaine Année Législation européenne Législation américaine Vue d'ensemble des pays liés à la directive sur la réduction des émissions à l'échappement Stage I Tier Stage II Tier Stage IIIa Tier Stage IIIb Tier 4i 2014 Stage IV Tier 4

26 Les agroéquipements : motorisation 26 Pollution et réglementation Puissance du moteur (kw) Phase Date de mise en œuvre CO (g/kwh) HC (g/kwh) NOx (g/kwh) HC+NOx (g/kwh) PM (g/kwh) Phase III A 31/12/ Phase III B 31/12/ Phase IV 31/12/ Phase III A 31/12/ Phase III B 31/12/ Phase IV 31/09/ Phase III B 31/12/

27 Les agroéquipements : motorisation 27 Procédés de dépollution: SCR «Selective Catalytic Reduction» Principe: le procédé de réduction catalytique sélective, transforme les NOx en azote et eau par injection» dans l échappement d'une solution aqueuse d'urée synthétique «AdBlue», Avantage: maintien combustion optimale rendement moteur conservé Inconvénient: Réservoir additionnel pour «AdBlue» + coût solution

28 Les agroéquipements : motorisation 28 Procédés de dépollution: EGR «Exhaust Gas Recirculation» John Deere Power Systems Avantage: pas de second réservoir pas d additif supplémentaire Contrainte: le recyclage des gaz d'échappement nécessite un filtre à particules sur l échappement plus complexe qu'un catalyseur car les particules collectées par les filtres doivent être brûlées régulièrement (régénération) besoin système adéquat

29 Les agroéquipements; spécificités et voies d amélioration de leur efficacité énergétique 29 Transmission de puissance

30 Les agroéquipements : transmission de puissance 30 Rappel des fonctions à assurer ROULER TIRER / POUSSER LEVER ANIMER Transmission du moteur au roues X X Prise de force X Hydraulique X X

31 Les agroéquipements : transmission de puissance 31 Contraintes liées à la diversité des travaux et aux trois natures du sol: - Parcelles (sols meuble avec ou sans cultures, de constitution pédologiques et de structure variables) V = 3 à 15 km/h variations du couple au travail importantes ( lié à : effort de traction + couple prise de force + pression hydraulique) besoin de nombreux rapports voire de changement de rapport sous charge contact pneumatique-sol spécifique et très variable - Chemins (de terre, empierrés,,) V = 3 à 30 km/h - Routes (bitumées, de largeurs variables) V = 3 à 30 km/h

32 Les agroéquipements : transmission de puissance Rapports de boites de vitesses: exemple de typologie d utilisation 32

33 Les agroéquipements : transmission de puissance 33

34 Les agroéquipements : transmission de puissance Adhérence des pneumatiques 34 Pour les pneumatiques «dits» agraires : - Amélioration de l adhérence par protubérances (barrettes ou crampons) entrainement par obstacle proche système «pignon-crémaillère» - structure renforcée utilisation possible à faible pression, pour limiter le tassement du sol et compenser le manque de suspension

35 Les agroéquipements : transmission de puissance 35 Arrivée du pneu capteur Pneu doté de capteurs pour estimer simultanément des paramètres liées: - au véhicule (charge, couple), - au sol (portance) sur lequel il circule Intérêt pour:: - amélioration de la sécurité et des performances énergétiques, - suivi des dégradations et/ou régénérations du sol... EP (IT, DE, HU, GB, FR) - System for characterising the action of a vehicle tire on the ground and for characterising the ground. FR Système de caractérisation de l action d un pneumatique d un véhicule sur le sol et du sol lui-même.

36 Les agroéquipements : transmission de puissance 36 Prise de force: cahier des charges: - Permettre la connexion d arbres à cardans pour la transmission de puissance du tracteur aux outils animés standardisation / normalisation des positions, formes et dimensions de l arbre de sortie du tracteur, - Adapter le régime de la transmission de puissance aux divers outils pour respecter les contraintes mécaniques liées à leur conception et à la qualité du travail attendue plusieurs régimes normalisés

37 Les agroéquipements : transmission de puissance Régimes constants normalisés tr/mn: : le plus répandue régime du moteur proche du régime nominal (en général aux alentours de 2000 tr/mn) tr/mn: également nommé 540 E (E pour économique) 540 tr/mn à bas régime moteur (environs 65 % du régime : 1600 tr/mn). Pour besoin faible puissance (fenaison, épandage d engrais, pulvérisation, etc.). Permet de réaliser de sérieuses économies de carburant tr/mn: surtout utilisé par les tracteurs de fortes puissances (supérieur à ch.). couple transmis plus faible (P= C, ω) donc lignes d'arbres de plus faibles dimensions moins encombrantes tr/mn: régime également nommé 1000 E (E pour économique).mêmes objectifs que le régime 750 tr/mn, - Régime "proportionnel à l'avancement": de moins en moins utilisé.

38 Les agroéquipements : transmission de puissance 38 Hydraulique: cahier des charges: - Pression débit et puissance pour: * relevage(s), vérins et moteurs hydrauliques des outils attelés, * composants et asservissements du tracteur (ex: CVT ) - Optimisation des débits, pressions et puissances disponibles/ demande des outils - Limitation des pertes de charges et des températures d huiles système de refroidissement de l huile Exemple de Puissance maximale actuelle: ( Extrait des résultats d essais OCDE):

39 Les agroéquipements : transmission de puissance Hydraulique: des utilisations omniprésentes 39

40 Les agroéquipements : transmission de puissance 40 Electrique: en émergence forte Hybride Motoréducteur électrique DARIO DEVELOPPEMENT Automoteur de débroussaillage hybride radiocommandé BONFIGLIOLI TRANSMISSIONS Motoréducteur électrique pour transmission haute puissance sur véhicules agricoles hybrides ou tout électrique KREMER ENERGIE Tracteur enjambeur électrique T4E 100 ch - Autonomie de 8 h 00

41 Les agroéquipements; spécificités et voies d amélioration de leur efficacité énergétique 41 Conclusion et perspectives

42 Les agroéquipements : conclusion et perspectives Evolutions JOHN DEERE 42 Des motorisations thermiques: * moins de pollution et moins de carburant * usage de carburants alternatifs * énergie calorifique de l échappement récupérable ( fortes charges 300 à 500 c à l échappement) Champ d étude/recherche à approfondir dans ce secteur d activité Tracteur polycarburant propre Des procédés de conversion d énergie tracteur

43 Les agroéquipements : conclusion et perspectives 43 Mais aussi évolution: - des stratégies d utilisation et d équipements - Des méthodes de conception: Ecoconception, Sécu-conception CLAAS - Des moyens de contrôle des machine et des flux d information Augmentation: *des usages de l informatique et l électronique embarquée (ex: Isobus) *Des services à distance aux utilisateurs (réglage, Maintenance,,,,,,) Application Terminal Universel Isobus pour tablettes

44 MERCI DE VOTRE ATTENTION Frédéric Vigier, Délégué à l'expertise, Irstea Conseiller technologique, SIMA et SITEVI Pour mieux affirmer ses missions, le Cemagref devient Irstea Conférence SIA 2013: Utilisation rationnelle de l énergie et environnement 26 mars 2013

45 Les agroéquipements : analyse fonctionnelle Stock 45 Récolteuse de betterave Source ITB

46 Les agroéquipements : analyse fonctionnelle 46 Mesures de consommations et d efficacité de tracteurs réalisées en Europe pour différents outils