Analyse et optimisation du bilan énergétique de systèmes de transport Auteur: Roland WETTER EPFL-LME 1
Généralités sur les transports La vie, c est le mouvement! - recherche de la nourriture - rencontre des personnes - déplacement de produits 2
La vie, c est le mouvement! La recherche de la nourriture (autrefois) pedibus cum jambis 3
La vie, c est le mouvement! Bistrot 9% Dodo La recherche de la nourriture (aujourd hui) Migros 44% 11% 8% 5% Boulot 24% 4
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 2000 5
La question énergétique dans son contexte Accroissement en % de la consommation d énergie selon le secteur (base 100 = 1978) 6
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 2003 7
Energie spécifique selon le mode de transport kwh par personne et par km Occupation moyenne actuelle Occupation à 100% 8
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
Les défis des transports du XXI e siècle Période 2005-2020 Répondre à la demande avec des transports rapides attrayants confortables bon marché Dès 2020? Le pétrole se raréfie. Quelles conséquences pour les transports? 10
Les transports du futur? Solution justifiée principalement en substitution à l avion. Pour étapes longues. Maglev Transrapid TGV 11
Les transports du futur! économes en énergie transfert modal important en direction du transport public utilisation massive du vecteur énergétique électrique 12
Les transports du futur Urbain et suburbain (déplacements de proximité) Performant pour les courtes distances Facile d accès Faibles émissions (air bruit) 13
Profil de marche v Accélération Arrêt Décélération t Marche à v constante 14
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
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
Pertes dans la chaîne de traction 1. Convertisseur de courant 2. Moteurs 3. Transmission (engrenage, réducteur) 17
Consommation des auxiliaires Chauffage-ventilation-climatisation Portes Eclairage Surveillance Signalisation 18
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
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
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
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
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
Influence du type de traction 1. Traction par adhérence acier-acier Pente maximum admissible : 70 Rendement élevé 24
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
Influence du type de traction 3. Traction par moteur linéaire Pertes de roulement faibles Masse réduite Faible rendement de la propulsion 26
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
Influence du type de traction Comparaison des consommations d énergie des véhicules 100% 146% 206% crémaillère acier-pneu linéaire 28
Pertes dans le système d alimentation 29
Pertes dans les postes de transformation Localisation dans - les transformateurs - les convertisseurs - les filtres et inductances de lissage 30
Energie pour les auxiliaires (I) Systèmes de sécurité: portes palières, vidéo, automatismes, balises, détections Accès aux stations: ascenseurs,escalators, tapis roulants 31
Energie pour les auxiliaires (II) - Eclairage - Chauffage des voies 32
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
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
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
Simulation d un système de transport Simulateur numérique Résultats 36
Résultats de la simulation 37
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 0 100 200 E absorbée à la ligne [kwh] [kwh] [kwh] Ouchy -> Croisettes 102.80 112.60 122.40 Croisettes -> Ouchy 33.58 35.62 37.65 Total 136.38 148.22 160.05 Pertes à l'avancement Ouchy -> Croisettes 11.65 12.82 13.98 Croisettes -> Ouchy 11.98 13.21 14.44 Total 23.63 26.03 28.42 Pertes chaîne de traction Ouchy -> Croisettes 13.51 14.98 16.44 Croisettes -> Ouchy 3.40 3.71 4.02 Total 16.91 18.69 20.46 Pertes freinage électrique Ouchy -> Croisettes 3.05 3.24 3.41 Croisettes -> Ouchy 14.52 16.21 17.89 Total 17.57 19.45 21.30 38
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) 4 6 7 7 trajet partiel (tp) 0 0 0 4 Energie fournie par les postes de transformation traction [kwh] [kwh] [kwh] [kwh] Grancy 231.4 300.3 375.0 513.7 Riponne 172.1 237.7 284.4 491.9 CHUV 177.4 241.1 271.8 467.5 Vennes 200.3 283.0 314.2 392.3 Total 781.3 1062.2 1245.4 1865.4 Energie absorbée à la ligne par tous les véhicules 918.3 1261.0 1548.5 2344.1 (produit val. réf.) 918.1 1260.8 1548.5 2344.1 Pertes dans les lignes 19.4 26.3 34.7 58.2 Energie de freinage électrique renvoyée à la ligne (tous vhc) 301.2 401.7 502.3 740.5 (produit val. réf.) 301.3 401.8 502.2 740.5 E frein / E tot. fourni par p.t. 38.56% 37.82% 40.33% 39.70% Métro m2 Energie freinage échangée entre les véhicules 148.9 215.2 324.1 513.9 E frein échangé / E freinage total 49.43% 53.58% 64.52% 69.39% 39
Résultats de la simulation P / W 2 1.5 1 0.5 0 0.5 x 10 6 Poste de CHUV 1 900 1000 1100 1200 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 = 12.40 kwh E récup net / h = 38.29 kwh Métro m2 40
Flux d énergie selon la cadence horaire Métro m2 41
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] 203.6 172.4 234.3 217.7 Métro m2 42
Variations d horaire Métro m2 43
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 1.5 1 0.5 0 0.5 2 x 106 Poste de Grancy 1 900 1000 1100 1200 1300 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 = 11.41 kwh E récup net / h = 22.43 kwh 44
Récupération d énergie Métro m2 45
Consommation d énergie comparée métro / trolleybus Energie [kwh] 200 180 160 140 120 100 80 60 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 40 20 0 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 Nom bre de voyageurs 46
Facteurs d influence et d optimisation Valeur de référence Valeur modifiée Ecart énergie Vitesses maximale 50 km/h 40 km/h - 7.8 % 50 km/h 60 km/h + 15.3 % Moteur thermique 1.5 tonnes 0 tonne - 4.6 % Nombre d'arrêts dus au trafic 20 arrêts 10 arrêts - 7.2 % 20 arrêts 30 arrêts + 5.6 % Dénivellation 340 mètres 170 mètres - 19.1 % Variante trolleybus 47
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