Synthèse voiture du futur

1 Synthèse voiture du futur Eléments de cours Environnement et Développement Durable proposés dans les Universités et Ecoles d Ingénieurs. www.hkw-aero.fr Michel Kieffer - Ewald Hunsinger 2006-2011 Indice E2 le 10.5.2013

2 Introduction Dans le cadre des investissements d'avenir, les ministères en charge de l'écologie et des transports, de l'enseignement supérieur et de la recherche, de l'industrie et de l'énergie ont annoncé le 15 juillet 2011 le lancement d'un appel à manifestations d'intérêt (AMI) dédié à l'allégement, l'aérodynamique et l'architecture des véhicules routiers, des deux roues jusqu'aux poids lourds, quelle que soit la technologie de propulsion. L'objectif d'allègement du véhicule est d'au moins 20 % par rapport au véhicule de référence.

3 Extrait : ''La réduction de la masse est l'un des axes principaux d'amélioration de l'efficacité énergétique d'un véhicule, grâce aux effets directs qu'elle permet sur le redimensionnement de la motorisation et sur la réduction des puissances effectivement appelées en usage, précise le communiqué de presse. De plus, l'indicateur masse intègre les effets d'autres facteurs ayant une influence sur la consommation d'énergie, comme la taille du véhicule, qui pénalise également l'efficacité énergétique au travers des pertes aérodynamiques''.cet AMI vise l'allégement des véhicules par l'utilisation de nouveaux matériaux ou de nouvelles applications et usages de matériaux connus et l'allégement et la réduction de la résistance à l'avancement grâce à la révision de l'architecture du véhicule. Les projets soumis doivent présenter une évaluation de l'impact

4 environnemental à l'échelle du véhicule complet. La date limite de dépôt des dossiers est fixée au 12 décembre 2011. http://www2.ademe.fr/servlet/getdoc?cid=96&m=3&id=78048&p1=1 Voici qui mérite d être souligné : cet AMI vise à agir sur l origine de la consommation d énergie de nos véhicules quels qu ils soient (terrestres, aériens ). Réduire la masse et améliorer l aérodynamique permettent de réduire considérablement le besoin en énergie de nos véhicules. Il s agit donc d un préalable avant de rechercher d autres sources d énergies ou d autres motorisations (cf. développements et modélisations pages suivantes).

Il est intéressant de relever que ces fondamentaux, alléger et profiler, sont connus de longue date 5

Que permet de gagner une réduction des masses de 20 % (objectif minimum de l AMI)? 6 Réduire les masses de 20% entraîne, sur cycle mixte NEDC (voir définition pages suivantes), une réduction de la consommation d environ 14%.

L exposé et les modélisations ci-après démontrent qu il est possible voire facile de dépasser l objectif de -20 % sur les masses. Nous pouvons envisager une réduction des masses de 50% pour les véhicules 4 places et de bien plus encore en développant des véhicules biplaces. De tels véhicules seraient largement suffisants pour nos déplacements quotidiens. Ceci est facilité par le «coefficient spirale» qui amplifie les résultats de l allégement. 7

Ces problématiques et modélisations sont largement développées sur le site de la société HKW-aero. 8 En complément de ces travaux, la société HKW-aero développe aujourd hui : - un avion biplace particulièrement optimisé et donc très économique ; - des modélisations en vue de réduire les consommations, de 30 à 50%, des avions de transport régional.

9 Sommaire : 1- Objectif CO2 2- Carburants fossiles, alternatives et illusions 3- Electricité et CO2 4- Données de calculs 5- Eco-design 6- Rendement d une voiture 7- Energie utile au déplacement d une voiture 8- Coefficient spirale 9- La voiture 2 litres au cent, c est facile

10- Le «poids» de la technologie 11- Energie récupérable lors des ralentissements 12- Les véhicules hybrides 13- Voitures électriques 14- Eco-conception, transports et matériaux 15- Voitures optimisées 16- La voiture du futur 17- Eco-marketing 18- Conclusion 10

11 1- Objectif CO2 Face à la double problématique, gaz à effets de serre et raréfaction des énergies fossiles, l objectif 2050 est de diviser nos émissions de CO2 actuelles par 4. Soit 2000 kg par personne dont 260 kg sont allouables au transport des personnes.

Cet objectif est atteignable au prix d une optimisation extrême de nos moyens de transports associée à une relative diminution de nos déplacements. Par exemple : 12 Sujet développé dans le document : «Objectif CO2», 14/12/2009

2- Carburants fossiles, alternatives et illusions Les carburants fossiles se caractérisent par une densité énergétique phénoménale que nous pouvons convertir 13

14 en équivalent cyclistes : 1 kg de carburant fossile = 100 cyclistes entrainés pendant une heure. Aucune autre énergie ne présente une telle densité énergétique. Voir «Carburant fossile, alternatives et illusions», 16/2/2007

15 3- Electricité et CO2 L électricité, comptetenu de ses moyens de production, génère aujourd hui et pour longtemps encore des déchets «encombrants» et des émissions de CO2 conséquentes.

En prenant pour référence la production Européenne, nous obtenons : - 1 joule d énergie finale (électricité à la prise) nécessite 2,8 joules d énergie secondaire* (à l entrée de la centrale de production électrique) ; - 1 mega Joule (MJ) d énergie finale émet 0,128 kg de CO2*. Non comprisl impact de «l énergie grise» de l énergie électrique, voir «Electricité et CO2», 12/12/2008 16

17 4- Données de calculs Le calcul des rendements et du potentiel de telle ou telle solution technique nécessitent de nombreuses données plus ou moins difficiles à trouver.

18

19 5- Eco-design La consommation de nos voitures a pour origine deux causes : - la masse du véhicule ; - son aérodynamique. En usage ville route, la masse mobilise 70% de l énergie, l aérodynamique 30%.

20 Mais ceci, les anciens le savaient déjà Voir «Eco-design», 17/3/2010

21 6- Rendement d une voiture Le carburant consommé par une voiture est pour l essentiel perdu sous forme de chaleur. Le calcul démontre que le rendement d un véhicule sur cycle mixte NEDC représente environ 19% pour un véhicule diesel et environ 15,5% pour un véhicule essence.

Mais attention, une part non négligeable du rendement supérieur du véhicule diesel est perdue pour cause de masse plus élevée du moteur diesel : 22 Voir «Rendement d'une voiture», 5/6/2009

7- Energie utile au déplacement d une voiture La détermination du rendement d un véhicule (rv) nécessite de connaître son énergie consommée (Ec) et l énergie utile (Eu) pour déplacer le véhicule. 23

Ec et Eu dépendent du type d utilisation du véhicule. Nous devons donc faire référence à un cycle normalisé. Pour nos calculs, nous utilisons le cycle mixte ville route NEDC : 24

Nous pouvons ainsi formuler Eu très simplement : Eu (MJ au cent) = S.Cx.19,2 + Cr.m.0,82 + m.0,011 25 Eua (énergie utile aérodynamique) S = surface frontale (m2) Cx = coef efficacité aérodynamique Eur (énergie utile roulement) Cr = coef résistance au roulement m = masse (kg) Eug (énergie utile accélérations) m = masse (kg)

26 8- Coefficient spirale Le coefficient spirale (Cs) traduit l impact d une variation de masse sur la masse finale d un véhicule. C'est-à-dire que rajouter par exemple 100 kg d équipements conduit à augmenter la dimension des roues, des suspensions, de la carrosserie, la puissance du moteur, la quantité de carburant embarqué Le Cs se détermine à partir de données statistiques sur la masse des voitures. Nous obtenons Cs = 2,0

c'est-à-dire : 27

28 Mais l inverse est heureusement aussi vrai!

9- La voiture 2 litres au cent, c est facile Cet exposé est en partie redondant avec «éco-design», toutefois cet exposé illustre bien le coefficient spirale objet du chapitre précédent. Le point de départ étant les masses excessives et l aérodynamique très moyenne de nos voitures actuelles. 29

30

Et nous tendons vers l optimum : des masses d environ 500 kg, des Cx de l ordre de 0,20 et des puissances inférieures à 30 cv 31 Voir «la voiture 2 litres au cent, c'est facile», 12/1/2007

10- Le «poids» de la technologie 32 Le mariage de l automobile et des technologies susceptibles de réduire les consommations semble être un mariage de raison

encore faut-il que la masse de ces technologies ne conduise pas finalement à une dépense d énergie supplémentaire : 33

Nous trouvons : 34

35 11- Energie récupérable lors des ralentissements Energie récupérable lors des ralentissements = énergie cinétique = énergie dépensée pour accélérer le véhicule = m. 0,011 sur cycle NEDC. Rappel Eu : Eu (MJ au cent) = S.Cx.19,2 + Cr.m.0,82 + m.0,011

Sur cycle NEDC et pour nos voitures actuelles (2010), cette énergie représente 37% de l énergie utile au déplacement. 36 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 Eua Eur Eug Eua = énergie utile liée à la trainée aérodynamique. EUr = énergie utile liée à la trainée de roulement. Eug = énergie utile liée aux accélérations.

Les systèmes de récupérations, qu ils soient électriques, mécaniques, pneumatiques ne peuvent récupérer et restituer qu une partie de cette énergie. De plus, la masse de ces systèmes dégrade le bilan global. 37

Sur cycle mixte NEDC et suivant la technologie retenue, nous pouvons espérer récupérer de 5 à 25% de l Eu. Nous sommes donc loin des 37% représentés par l Ec. Ces valeurs s expliquent par le rendement et par le coût énergétique du transport des systèmes de récupération. 38

Rajoutons qu en usage route, cette économie tend vers zéro voire devient négative : 39

40 12- Les véhicules hybrides La solution hybride permet de faire fonctionner le moteur thermique dans de meilleures conditions. Ceci autorise une réduction des consommations d énergie (Joules) d environ 25% / essence et de 13% / diesel sur cycle NEDC, ces chiffrent tendant vers zéro sur autoroute!

A noter que les véhicules hybrides excellent là où ils sont en concurrence avec des moyens de transports bien plus économiques 41

42 Aussi, malgré son meilleur rendement sur cycle mixte, l hybridation ne saurait en rien remplacer l impact plus élevé d une réduction drastique des masses.

43 13- Voitures électriques La voiture électrique a un rendement largement supérieur au rendement d une voiture thermique. Toutefois, comme vu précédemment, le rendement de la production d électricité, tous moyens de production confondus, est de l ordre de 36% (1/2,8). Malgré ceci, sur cycle mixte ville route NEDC, la voiture électrique émet moitié moins de CO2 qu une voiture classique. Par contre, en usage route, cet avantage se réduit très sensiblement.

44 Sur cycle mixte NEDC : Non compris l énergie supplémentaire du chauffage et la récupération d énergie possible lors des ralentissements

Mais ceci a un prix, une réduction drastique de l autonomie du véhicule. Une autonomie réduite n est toutefois pas gênante pour la plupart des utilisations. 45

Aussi, électrifier des véhicules lourds, tels nos véhicules actuels, n a guère de sens. L allègement doit être un préalable à une telle évolution technique. 46 Voir «Voiture électrique et CO2», 12/12/2008 et RENAULT TWIZY. A noter que la RENAULT TWIZY serait aussi très bonne avec une propulsion thermique pure, ou encore mieux, avec une propulsion hybride.

14- Eco-conception, transports et matériaux Alléger nos véhicules est l action la plus payante pour réduire les consommations. Dans ce contexte, une pièce énergétivore à produire mais bien plus légère peut-elle avoir un impact environnemental global moindre? dans quelle mesure? 47

En intégrant l énergie grise liée à la production des différentes pièces 48

et en allégeant en remplaçant une pièce en acier par une 49 pièce plus légère, par exemple en alu

nous obtenons une réduction de la consommation totale d énergie (E grise + E 250.000 km ) de 63% avec des matériaux primaires, et de 95%* avec des matériaux recyclés! 50 Ces valeurs sont obtenues en intégrant le coefficient spirale. Si nous ne tenons pas compte du Cs, nous obtenons respectivement 15% et 47% d économies

Aucun autre moyen ne permet d obtenir des économies aussi importantes! 51 Voir «Eco-conception, transports et matériaux», 22/9/2009.

52 15- Voitures optimisées En imaginant des voitures optimisées telles Caractéristiques des RENAULT VESTA ou CITROEN ECO2000, prototypes ultra légers et très bien profilés des années 80, ou de la plus récente LOREMO.

ou 53

54 Nous obtenons sur cycle ville route NEDC :

sur route : 55

Et en limitant la vitesse maxi du cycle NEDC à 70km/h : 56

A noter que nos véhicules optimisés sont plus rapides et plus économiques que le mix transports en commun + véhicules individuels 57

Aussi, les lois de la physique sont incontournables Une pub vue en 2010 affichait une hypothétique consommation de 3,5 litres, nos véhicules optimisés consommeraient alors : 58

Le bilan serait encore meilleur si nous covoiturions un peu plus : 59 Voir «Voitures optimisées 1/2»et «Voitures optimisées 2/2» 25/10/2010

60 16- La voiture du futur Compte tenu de l évolution prévisible des différentes énergies :

61 et des différents types de motorisations : T = thermique ; H = hybride ; Ea = électrique assisté par un moteur thermique ; E = électrique

nous voyons se dessiner la voiture du futur : 62

Bien entendu, ceci n a aucun sens si nous n avons pas tout d abord réduit l énergie utile en optimisant nos véhicules : 63 Voir «La voiture du futur, phase 1», 20/2/2009 et «La voiture du futur, phase 2», 21/2/2009

64 17- Eco-marketing Aujourd hui, la prise de conscience écologique conduit à un changement profond de nos comportements d achats. Il s agit d acheter «vert» Dans ce contexte, nos marketeurs construisent leurs nouveaux discours pour répondre à cette évolution.

65 et ils racontent des choses surprenantes!

66 Ils n ont d ailleurs pas de limites! A croire «que plus c est gros, plus ça passe»

Quant à ce denier exemple, la consommation affichée de 6,3 litres d essence sur cycle mixte (lequel?) nous donne un rendement calculé de 32%*! valeur à comparer avec les rendements de notre compacte diesel référence, de notre compacte essence et de la PRIUS 1 : respectivement** 19,1% ; 15,5% ; 22,4%... hmm hmm 67 Rendement véhicule (rv) = Eu / Ec = 66,2 / 6,3 l. 0,74 kg/l. 44 MJ/kg = 0,32 Voir «hybrides»

Et surtout, la comparaison est biaisée : sur cycle NEDC, un véhicule d une telle puissance est totalement sous-exploité. C'est-à-dire que donner la consommation de ce type de véhicule surpuissant sur cycle normalisé n a guère de sens A la pleine puissance du véhicule ci-dessous (356 cv), les 3,76 litres au cent affichés ci-dessous sont consommés en moins de 2 mn! 68

Autre discours : «voitures électriques zéro émissions». ce qui revient à nier l origine de l énergie électrique! 69

y compris sa part nucléaire. 70

Ceci a d ailleurs conduit au slogan «nous n avons pas de pétrole, mais nous avons (ouf) des prises électriques». 71 Les prises deviennent vertes! Une fois de plus, voici de quoi induire en erreur.

De tels discours ne sont d ailleurs pas limités à l automobile 72

73 18- Conclusion La «voiture du futur» permet d envisager sereinement nos déplacements à venir. Et curieusement, sans recourir aux transports en commun! Bien entendu, ce futur nécessite un allégement drastique de nos véhicules.

Par ailleurs, nous avons constaté que de tels véhicules font appel à des technologies connues, voire «vieilles comme le monde». C est à dire que l innovation automobile nécessite aussi une analyse du passé. 74

En complément de la «voiture du futur», n oublions pas qu il faut privilégier au maximum le vélo voire le vélo caréné assisté pour les courtes distances. 75