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Analyse et optimisation du bilan énergétique de systèmes de transport

Forum EPFL-Industrie 2004

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Analyse et optimisation du bilan énergétique

de systèmes de transport

Auteur:Roland WETTER

EPFL-LME



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Généralités sur les transports

La vie, c’est le mouvement !

- recherche de la nourriture

- rencontre des personnes

- déplacement de produits



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La recherche de la nourriture (autrefois)

pedibus cum jambis



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Dodo Boulot

Migros

La recherche de la nourritureBistrot

44%

24%

11%8%9%

5%

(aujourd’hui)



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Trop de mouvement nuit !

Répartition modale en terme de distance parcourue par personne

68%

17%

5%

2%

2% 6% Autres

Source: office fédéral de la statistique – micro recensement 2000



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La question énergétique dans son contexte

Accroissement en % de la consommation d’énergie selon le secteur (base 100 = 1978)



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Consommation finale d’énergie par secteur

Ménages28.4%

Services, commerce, agriculture19.0%

Industrie19.7%

Transports32.9%

Transports routiers76%

(dont transports publics = 1%)(dont marchandises = 19%)

Transports ferroviaires3%

Source: statistique globale suisse de l’énergie 2003

Transports aériens21%



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Energie spécifique selon le mode de transportkW

h pa

r per

sonn

eet

par

km

Occupation à 100%Occupation moyenne actuelle



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Les transports au début du XXIe 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’attractivitédes transports concurrents.



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Les défis des transports du XXIe siècle

Période 2005-2020

• rapides• attrayants• confortables• bon marché

Répondre à la demande avec des transports

Le pétrole se raréfie.Quelles conséquences pour les transports ?

Dès 2020 ?



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Les transports du futur ?

Maglev

Transrapid TGV

Solution justifiée principalement en substitution à l’avion.Pour étapes longues.



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Les transports du futur !

• économes en énergie

• transfert modal important en direction du transport public

• utilisation massive du vecteur énergétique électrique



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Les transports du futur

• Urbain et suburbain (déplacements de proximité)• Performant pour les courtes distances• Facile d’accès• Faibles émissions (air – bruit)



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Profil de marche

Arrêt

v

Décélération

Marche à v constante

Accélération

t



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Energies mécaniques en jeu lors du déplacement

- Pertes à l’avancement

- Energie potentielle: E = mvhc · g · h [J]

- Energie cinétique: E = ½ · (mvhc + mtournantes) · v2 [J]



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Pertes à l’avancement

Frottement de roulement = k0 · m [N]

Frottement dans les paliers = k1 · m · v [N]

Frottement dans les courbes = m · (kc1 · a + kc2) / R [N]

Frottement aérodynamique = ka · Cw · A · v2 [N]



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Pertes dans la chaîne de traction

1. Convertisseur de courant

3. Transmission (engrenage, réducteur)

2. Moteurs



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Consommation des auxiliaires

Eclairage

Portes

Chauffage-ventilation-climatisation

Signalisation

Surveillance



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Energie de freinage

E cinétique E potentielle

Freinage mécanique Ipar limitation de l’effort

Pertes transmission

Pertes moteurs

Pertes convertisseurRecyclage dans lesauxiliaires embarqués

Freinage mécanique IIà basse vitesse

E freinage électrique



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Bilan énergétique d’un véhicule

18%

13%

13%

1%21%

34%

Pertes à l’avancement

Pertes chaîne de traction

Pertes frein mécanique

Energie freinage électrique

Auxiliaires

Pertes freinage électrique

Cas: métro m2



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Optimisation énergétique (pertes à l’avancement)

Frottement de roulement = k0 · m [N]

Frottement dans les paliers = k1 · m · v [N]

Frottement dans les courbes = m · (kc1 · a + kc2) / R [N]

Frottement aérodynamique = ka · Cw · A · v2 [N]

Réduction des masses

Grands rayons de courbure

Meilleur profil aérodynamique

Vitesse réduite



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Optimisation de la chaîne de traction

1. Convertisseur de courant

3. Transmission (engrenage, réducteur)

2. Moteurs

Nombre d’étages réduit

Rendement amélioré par une meilleure technologie

Moteurs à aimants permanents



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Optimisation énergétique par l’exploitation

Réduction de l’accélération, de la décélération et de la vitesse

v

Décélération

Marche à v constante

Accélération

t



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Influence du type de traction

1. Traction par adhérence acier-acier

• Pente maximum admissible : 70 ‰• Rendement élevé



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2. Traction par adhérence pneu-acier

• Pertes de roulement 4 ÷ 5 x plus élevéeque pour l’adhérence acier-acier

• Adhérence dégradée selon les conditionsatmosphériques

• Roulement avec faible transmissionde vibration solidienne



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3. Traction par moteur linéaire

• Pertes de roulement faibles

• Masse réduite

• Faible rendement de la propulsion



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4. Traction par crémaillère

• Rendement mécanique de la crémaillère d’environ 98.5%

• Bruyant pour vitesse > 40 km/h

• Transmission de bruit solidienimportante



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Comparaison des consommations d’énergie des véhicules

100%

146%

206%

crémaillère acier-pneu linéaire



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Pertes dans le système d’alimentation



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Pertes dans les postes de transformation

Localisation dans

- les transformateurs

- les convertisseurs

- les filtres et inductances de lissage



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Energie pour les auxiliaires (I)

Accès aux stations: ascenseurs,escalators,

tapis roulants

Systèmes de sécurité: portes palières, vidéo, automatismes, balises, détections



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Energie pour les auxiliaires (II)

- Chauffage des voies

- Eclairage



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Flux d’énergie dans le système de transport

Energie prélevéeau réseau à 50 Hz

Lignes d’alimentation

de traction

Pertes dans les postesde transformation et les lignes d’alimentation

Energie réutiliséepar d’autres véhicules

Energie de freinage électrique

Energie pour les auxiliaires

Energie de freinage disponible

Pertes dans les lignes de traction



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Energie de freinage: généralités

E freinage disponible

2.1. Recyclage à bord du véhicule:- par stockage cinétique- par stockage «ultracap»

1. Renvoi à la ligne de contact

E freinage recyclable

2.2. Recyclage dans le réseaud’alimentation:- par stockage cinétique- par stockage «ultracap»- par convertisseur de courant



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Renvoi de l’énergie de freinage à la ligne de contact

1. Echange d’énergie avec les autres véhicules

• Taux de récupération variable selon l’horaire de circulation

49.4%53.6%

64.5%69.4%

10' 7.5' 6' 6' / 3'

Energie renvoyée à la ligne decontact par rapport à l’énergietotale de freinage électriqueMétro m2



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Simulation d’un système de transport

Simulateurnumérique

Résultats



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Résultats de la simulation



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Bilan d'énergie pour un seul véhiculeSimuLink -

Trajet Ouchy - Croisettes et retourRéférence

Cas étudié vhc à vide 1/3 chrg 2/3 chrgNombre de passagers à 70 kg 0 100 200

E absorbée à la ligne [kWh] [kWh] [kWh]Ouchy -> Croisettes 102.80 112.60 122.40Croisettes -> Ouchy 33.58 35.62 37.65

Total 136.38 148.22 160.05Pertes à l'avancement

Ouchy -> Croisettes 11.65 12.82 13.98Croisettes -> Ouchy 11.98 13.21 14.44

Total 23.63 26.03 28.42Pertes chaîne de traction


Total 16.91 18.69 20.46Pertes freinage électrique


Total 17.57 19.45 21.30Métro m2



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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 7trajet partiel (tp) 0 0 0 4

Energie fournie par les postes de transformation traction [kWh] [kWh] [kWh] [kWh]

Grancy 231.4 300.3 375.0 513.7Riponne 172.1 237.7 284.4 491.9

CHUV 177.4 241.1 271.8 467.5Vennes 200.3 283.0 314.2 392.3

Total 781.3 1062.2 1245.4 1865.4

Energie absorbée à la lignepar 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 électriquerenvoyée à la ligne (tous vhc) 301.2 401.7 502.3 740.5

(produit val. réf.) 301.3 401.8 502.2 740.5E frein / E tot. fourni par p.t. 38.56% 37.82% 40.33% 39.70%

Energie freinage échangée entreles véhicules 148.9 215.2 324.1 513.9

E frein échangé / E freinage total 49.43% 53.58% 64.52% 69.39%Métro m2



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900 1000 1100 1200−1

−0.5

0

0.5

1

1.5

2

x 106

t / s

P /

W

Poste de CHUV

P rms + = 627 kWP rms − = 144 kW

P max = 1633 kWP min = −853 kW

E pic nég.* = −2.09 kWh

E perdu/écrêt / h = 0.00 kWhE pertes récup / h = 12.40 kWhE récup net / h = 38.29 kWh

h

Métro m2



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Flux d’énergie selon la cadence horaire

Métro m2



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Influence du nombre de voyageurs

Charge

100 passagers (référence)

véhicules à vide

200 passagers

nombre de passagers

variable

Taux de récupération inter véhicules 69.39% 70.92% 68.18% 68.66%

Energie encore disponible [kWh] 203.6 172.4 234.3 217.7

Métro m2



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Variations d’horaire

Métro m2



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Récupération d’énergie

900 1000 1100 1200 1300−1

−0.5

0

0.5

1

1.5

2x 10

6

t / s

P /

W

Poste de Grancy

P rms + = 473 kWP rms − = 103 kW

P max = 1563 kWP min = −701 kW

E pic nég.* = −1.62 kWh

E perdu/écrêt / h = 0.00 kWhE pertes récup / h = 11.41 kWhE récup net / h = 22.43 kWh

Métro m2 − Analyse des puissances et énergies aux postes de transformationRécupération d’énergie par stockage cinétique Horaire 7.5’ − cas référence

Période d’observation: de 900 à 1350 s (durée = 450 s)

Caractéristiques du stockeur cinétique : P max = 900 kW − P maintien = 10 kW − eta = 0.94



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Récupération d’énergie

Métro m2



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Consommation d’énergie comparée métro / trolleybus

Consommation énergétique par nombre de voyageurs pour un parcours Ouchy-Croise ttes-Ouchy

Avec récupération inte r-véhicules e t prise en compte des énergies annexes

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220

Nom bre de voyageurs

Ener

gie

[kW

h]

Métro

Trolleybus



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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



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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 sociétéest 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…

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