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ELECTRIC, HYBRID, AND NON CONVENTIONAL PROPULSION SYSTEMS -

Introduction

Pierre DUYSINXLTAS – Automotive Engineering

University of LiegeAcademic year 2010-2011

Contexte« L’automobile, c’est la liberté »

Automobile a connu un développement remarquable depuis un siècle et surtout dans les dernières décennies

Automobile = composante essentielle de la vie économique:mobilité des marchandises et des personnescaractéristique des pays développéscondition / conséquence du développementla croissance appelle plus de mobilité

Automobile = composante de notre vie sociale et de notre style de vie:

mobilité individuelle pour le travail, les loisirsréponse à une aspiration profonde de liberté de déplacement

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ContexteL’automobile est victime de son succès

Développement du trafic routier et augmentation du parc automobileCroissance des trajets et des distances de déplacementCongestion des grands centres urbainsLes transports routiers consomment 70 % pétrole de l’Union Européenne

Question de la pérennité du secteur transportApprovisionnement énergétique suffisant et à quel coût?Pollution atmosphérique localeAccroissement des émissions de gaz à effet de serreAugmentation des nuisances sonores

Contexte : croissance du parc automobile

Vers le milliard de véhicule en circulation dans le monde…

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Croissance et domination de la route


Evolution du parc automobile en Belgique (source FEBIAC)

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Evolution du kilométrage moyen en Belgique (source FEBIAC)

Contexte: émissions de carbone

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Emissions de co2 et réchauffement global

Accroissement des émissions de CO2

Menace d’un réchauffement globalProtocole de Kyoto pour réduire les émissions de CO2

Contexte: diminution des réserves de combustibles fossiles

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Déplétion des ressources de pétrole

Ressources en pétrole ~ 35 à 40 ansRéserves en pétrole ~ 60 ans Source: fr.wikipedia.org

Evolution du prix du pétrole

Le prix du pétrole atteint le seuil des 100 $ le barril

Source: BBC news

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Croissance et domination de la route

Conséquences:Congestion

des réseaux transeuropéens

Pollution84% des émissions de CO2 du transport

Sécurité d’approvisionnementTransport dépend à 98% du pétrole importé à 70%

Insécurité routière41000 morts sur les routes de la CE

Insécurité routière

Les chiffres:41.000 par an sur les routes de a CECoût total des accidents: 2% du PIBDépense de prévention et d ’indemnisation < 5% de ce coût

Objectif: diminuer par 2 le nombre de tués

Comment?Harmoniser les sanctionsPromouvoir les nouvelles technologies

Boîtes noires et limiteurs de vitesseVéhicules plus sûrsAccord volontaire sur les faces avantGestion de la vitesse

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Les émissions et la pollution

Propositions de DGET:Réduction des polluants et des émissions (normes Euro IV et Euro V)Diversification des sources d’énergieRationalisation du transport urbainSoutenir les recherches sur les technologies propresPromouvoir les bonnes pratiques

Les émissions et la pollutionUne énergie diversifiée pour les transports

Objectif 2020: la part des carburants de substitution doit passer à 20%Proposition d’un % minimal d’utilisation des biocarburants: 2%, puis 6% en 2010…COP15: Réduction de 20% des émissions de CO2

Soutenir les technologies de voitures propres via le Programme Cadre de Recherche

Promouvoir les bonnes pratiques:Villes pionnières, recours accrus aux véhicules propres et aux transports en commun

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ENJEUX ENVIRONNEMENTAUX

Réduire la pollution localeAutomobiles quasi toutes équipées de moteurs thermiques alimentés en carburants liquides issus du pétroleLa combustion génère un certain nombre de polluants

monoxyde de carbone (CO)oxydes d’azote (NO et NO2)hydrocarbures imbrûlés (HC)particules de suie et d’imbrûlés (PM)

Secteur transport =premier contributeur pour CO et NOxcontributeur important pour HC et PM

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Réduire la pollution locale

Réduire la pollution localeC’est pourquoi la réglementation anti-pollution européenne se base sur des cycles de conduite urbaine et périurbaine pour l’homologation des véhicules

Conditions de fonctionnement difficiles: faible charge, vitesse moyenne faible, démarrage à froid, accélérations / décélérations

Depuis les années 1970, les normes anti-pollution ont connu une sévérisation importante

Les limites d’émission ont été diminuées d’un facteur 10 à 100!

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Cycles européens

Abaissement des émissions dans la CEE

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Abaissement des émissions dans la CEE

Abaissement des émissions en Europe

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Progrès technologiques:Amélioration de la qualité des carburants: teneur en benzène, composés aromatiques, en soufre

Éviter la formation de polluants:Pilotage électronique du moteur, de l’injection, de l’allumage et de l’alimentation en air

Injection directe haute pression pour les moteurs diesel

Amélioration de la combustion

Systèmes de post-traitement catalytique des polluants. Catalyse dite 3 voies permet la réduction simultanée du CO, NOx et HC avec 99% d’efficacité


Réduction des émissions en Belgique (source FEBIAC)

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Réduire la pollution localeSuccès de la conjonction réglementation et progrès technologiques

Diminution effective des rejets de polluants atmosphériques liés à l’automobiledes émissions globales des polluants toxiques en Europe

Le CO2 ne suit pas cette même évolution!CO2 = traceur de la consommationaccroissement du parc, du trafic routier et du poids des véhiculespas possible de l’éliminer des gaz d’échappement

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Réduire les émissions de CO2

CO2 est un des gaz à effet de serre impliqués dans le processus de réchauffement climatique

Augmentation des émissions de CO2 = indicateur d’une croissance de la consommation

Protocole de Kyoto: la Communauté Européenne doit réduire ses émissions de CO2 de 8% entre 1990 et 2012

Dans ce contexte: l’ACEA (Association des Constructeurs automobiles) s’engage volontairement à réduire les émissions moyennes des véhicules commercialisés à

140 g/km en 2008 120 g/km en 2012


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Deux voies principales:utilisation de carburants à faible teneur en carbone ou carburants ayant un cycle de vie conduisant à des émissions réduitesréduction de la consommation des véhicules

Amélioration des moteurs à combustion interneMotorisations alternativesMotorisations hybridesAutres principes de conversion de l’énergie chimique: la pile àcombustible

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Carburants alternatifs plus propres

Carburants alternatifs:Gaz Naturel comprimé (CNG)Liquefied Petroleum Gas (LPG)Alcools (éthanol, méthanol)Bio diesel (DME, etc.)Hydrogène

Accroissement des parts de marchédes carburants alternatifs (Livret blanc

de la D.G. Énergie & Transport): Objectif pour 2020: 20% du marchéBio carburants: 6% en 2010Suppression des taxes sur l’hydrogène

Le choix du carburantValeur énergétique des carburants

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Le choix du carburantMais aussi

Le système de stockage (volume, poids, coût…)Le temps de remplissage du réservoirUne autonomie aussi grande que possibleLa sécurité…

Améliorer l’efficacité de la motorisation

Une remarque préliminaire s’impose!

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Contraintes de masse et de volume embarqués

Objet premier des systèmes de transport: être capables de transporter des passagers et des marchandises dans des conditions de vitesse et de sécurité satisfaisantes

Dans un véhicule, la masse et le volume du système de propulsion doivent être minimaux pour une puissance donnée

La voiture est un bien de grande consommationLe prix est critique

On veut égalementUn démarrage rapideUn entretien facileUne sécurité de fonctionnement…

Variabilité du fonctionnement

Problème du fonctionnement des systèmes de propulsion: la très grande variabilité des régimes defonctionnement

Objectif: dimensionner à la puissance moyenne!Moyen: stocker l’énergie véhicule hybride

Source G. Coquery, INRETS

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Principe de fonctionnement des nouveaux systèmes de propulsion

source: www.nrel.org

Couper le moteur à l’arrêt

Améliorer le rendement du moteur, downsizing du moteur, réduction des frottements internes

Récupération d’énergie au freinage

Réduction de masse, du S Cx, de la résistance des pneumatiques…Carburants

avec moins decarbone


Pour atteindre les objectifs de Kyoto, nécessité de placer l’effort principal sur des nouveaux développements technologiques

Différentes actions possibles pour réduire la consommation:le rendement du moteur (action la plus directe)la réduction de masse, mais en opposition avec la demande d’un plus grand confort, d’une plus grande sécurité et des voitures de plus haut de gammela réduction des frottements internes du moteuraugmentation du couple spécifique: réduction de la cylindre àperformances égales, c’est-à-dire le downsizingréduction de la traînée aérodynamiqueévolution de la transmission

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Jusqu’à présent la réduction de la consommation moyenne des véhicules s’est faite en Europe par une diésélisation des véhicules neufs (environ 45%)

recourt à l’injection directe (+15% de rendement)downsizing grâce à la turbo suralimentation

Cette tendance va se poursuivre partiellement, mais elle n’évitera pas de nouveaux développements technologiques pour atteindre les objectifs à plus longs termes

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Réduction des émissions de CO2 en Belgique (source FEBIAC)

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Améliorer les moteurs àcombustion interne

Moteurs essenceLe moteur à essence bénéficie de systèmes de post-traitement basés sur des catalyseurs à 3 voies qui éliminent simultanément le CO, les HC et les NOx

Possible d’atteindre des niveaux d’émission extrêmement bas

Défi du moteur à essence, c’est la réduction de la consommation et des émissions de CO2.

Écart de 20% avec les moteurs dieselRéduction des pertes liées aux transferts de gaz et aux flux thermiques aux parois

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Moteur à essence: Contrôle des émissions

Trois techniques:Traitement du carburantAmélioration du moteurPost traitement des gaz d’échappement

Carburant:Composition modifiée par des additifs ou via le processus de raffinage pour éliminer les polluants ou faciliter le processus de post traitements de gaz d’échappementPlomb utilisé pour augmenter le taux d’octane est remplacé du Methyl Tertiary Butyl Ether (MTBE), moins agressif pour l’environnementSoufre: désulfuration des carburants pour éviter les H2S et ne pas endommager les pots catalytiques


Post traitement des gaz d’échappementReste le moyen le plus efficace pour réduire le taux de polluantsLe pot catalytique est un dispositif habituel (obligatoire en EU et aux USA) pour réduire les polluants des gaz d’échappementLe pot catalytique est composé de matériaux catalytiques (Pt, Rh) qui favorisent la réduction des CO, HC et NOx en composés peu agressifs:

2 NOx N2 + O2

HC + O2 CO2 + H2O2 CO + O2 2 CO2

Le catalyseur trois voies réalise ces trois opérations simultanément.Le catalyseur n’agit qu’en température, de sorte que la majeure partie des émissions provient de la première minute de fonctionnement après le démarrage à froid.

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Post traitement des gaz d’échappement

Le catalyseur trois voies demande la présence d’oxygène dans les échappement (donc un léger excès d’oxygène dans l’admission) et un ajustement assez précis de la richesse du mélange.Cette régulation est possible avec la mesure du taux d’oxygène (sonde lambda) et une injection électronique.

Moteurs essence

Voies pour réduire l’émission de CO2:Injection directeCombustion stratifiée: gains de 10 à 15% sur le cycle NDECApproche de downsizing basée sur la suralimentation par turbocompresseur et réduction de la cylindrée avec maintien des performancesNouveaux procédés de combustion CAI (Controlled Auto Ignition): gains de 10 à 15%Système à distribution variable : gains entre 7 et 13%

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Injection directe et combustion en mélange pauvre

Injection directe et combustion en mélange pauvre

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Moteurs essence

Admission variable, Suralimentation et Turbocompresseurs

Le travail et le couple dépendent du taux de remplissage du moteur

Pour augmenter la quantité d’air admise:Volute d’admission variableCompresseurTurbocompresseur

Volute d’admission variable:Bénéficier des ondes de compression qui se développent dans les volutes d’admission pour augmenter le remplissage en ajustant la longueur des tuyaux d’admission

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Compresseur:L’arbre du moteur entraîne un compresseur (types centrifuge, root ou à palette) qui augmente la pression de l’air d’admission même à bas régime

Désavantage: puissance soutirée à l’arbre du moteur réduit le rendement global du moteur, augmente la consommation dans certaines conditions.


TurboCompresseur:Turbine mue par les gaz d’échappement et placée sur le même arbre que le compresseur placé l’admissionAvantages:

Énergie du compresseur récupérée sur les gaz d’échappement donc amélioration du rendementPeut augmenter fortement la puissance du moteur spécialement si on utilise un intercooler entre le compresseur et l’admissionAméliore le rendement à cause de la surpression à l’admission: travail positif d’admission

Désavantage:Temps de réponseFaible (voire aucune) amélioration à bas régime

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Augmentation de la température des gaz d’admission

Augmente le risque de cognement (autoallumage)Augmente la formation de NOxRemède: introduction d’un intercooler et d’un échangeur de chaleurRefroidissement augmente le remplissage

Compression des gaz d’admission diminue le rapport de compression et le rendement global par rapport au moteur atmosphérique

Moteurs essence

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HCCI

La combustion homogène HCCI (Homogeneous Charge Compression Ignition) consiste à la fois à réduire la consommation et à réduire les polluants, notamment les NOx(réduction de 100 à 1!).Le défi consiste à contrôler le temps d'auto-allumage, la vitesse et la température pour optimiser le mélange et la combustion. Elle conduira à une évolution de la formulation des gazoles. Elle pourrait aboutir vers 2010.

Essence CAI

La combustion de type CAI (Controlled Auto Ignition) a pour objectif d'allumer le mélange par auto inflammation et non plus grâce à une bougie. Elle est provoquée par la rétention dans le cylindre de gaz chauds issus de la combustion lors du cycle précédent. Il permet de mieux maîtriser la combustion et de la rendre plus homogène Ce mode de combustion pourrait être combiné selon les phases du moteur avec des combustions classiques.

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Moteurs dieselRendement du moteur diesel à injection directe a un rendement 30% supérieur à celui du moteur à essence

Potentiel important de downsizing: moteur de 1.2 à 1.5l dotés de performances spécifiques élevées: couple spécifique de 150 Nm/l et puissance spécifique de 50 kW/l)

Réduction de 5 à 10% avec l’injection directe haute pression et la turbo suralimentation à géométrie variable

Le VERITABLE ENJEU pour le diesel, c’est la capacité àrespecter les futures normes d’émission de polluants

Catalyse à 3 voies impossibles à cause de l’excès d’airTraitement des NOx impossible par l’optimisation de la combustionPost traitement des particules matérielles

Moteurs diesel

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Moteurs dieselVoies d’amélioration:

Systèmes d’injection:nombre d’injections par cycle: 5 à 7

Optimisation chambre de combustionSystèmes de post-traitement

réduction des NOx par réduction catalytique sélective ou pièges à NOxfiltre à particulesfiltre à régénération continuecatalyse 4 voies

Nouveaux procédés de combustionhomogénéisation du mélange plus grande

Vanne de recirculation des gaz EGR

La vanne EGR est apparue dans les années 1970 aux États Unis. Testée d'abord par GeneralMotors, pour réduire les émissions d'Oxyde d'azote (NOx) que rejettent les véhicules.

Pour diminuer les émissions de NOx , il faut réduire la température maximale de combustion. Ceci peut se faire en diluant les gaz admis par le moteur avec un gaz inerte, celui ci en s'intercalant entre le carburant et le comburant, ralentit la vitesse de combustion et absorbe des calories.

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Vanne de recirculation des gaz EGR

Les gaz d'échappement étant constitués de gaz inertes, il s'agit de faire recirculer une partie de ces gaz dans le collecteur d'admission.

Le calculateur gère le pilotage de l'EGRpar l'intermédiaire d'une électrovanne ou d'un moteur électrique en fonction de plusieurs paramètres (température eau, air, information ralenti pleine charge....)

1/ Moteur 2/ Calculateur 3/ Collecteur d'admission 4/ Unité de commande de papillon d'accélérateur 5/ Clapet EGR 6/ Sonde température EGR 7/ Électrovanne EGR 8/ Collecteur d'échappement

Moteurs diesel

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Moteurs diesel

Motorisations alternatives

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Motorisations non conventionnelles

A plus long terme, les motorisations qui remettent en cause de manière profonde l’architecture des groupes motopropulseur permettront des gains encore plus grands

Moteurs dédiés à de nouveaux types de combustibles: gaz naturel comprimé,hydrogène comprimé ou liquide,éthanol, méthanolbiodiesel

Moteurs électriquesMotorisations hybridesPiles à combustible

Nouveaux Systèmes de Propulsion

Les NOUVEAUX SYSTÈMES DE PROPULSION sont basés sur les mêmes idées de base:

Arrêter le moteur si à l’arrêt: 8% gain de CO2

Récupération d’énergie au freinage : 13% de CO2

Downsizing du moteur : 30% CO2 de gainHybridation complète: 45% CO2 de gain

MAIS on doit également jouer sur D’AUTRES LEVIERS:Structure légères : aluminium, matériaux composites, formes et profils optimisés de la structurePneus à bas coefficient de résistance au roulementAmélioration des performances aérodynamiques (Cx, surface frontale)

CARBURANTS avec moins de carboneH2, CH4.

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Les autres carburants

Moteurs dédiés au gaz naturelLe gaz naturel est un bon candidat pour diminuer les émissions de CO2

grandes réserves de gaz naturelémissions faibles (faible rapport de carbone)indice d’octane élevé (130)downsizing possible

Le rendement du moteur pourrait réduire les émissions de CO2de 5 à 10% par rapport au moteur dieselSon utilisation dans un véhicule hybride serait encore plus avantageuseLa communauté européenne souhaite une substitution progressive des carburants traditionnels par du gaz naturels: 2% en 2010, 5% en 2015 et 10% en 2020

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Moteur à CI + hydrogène ou gaz naturel

Conversion assez peu onéreuse des moteurs à pistonQuestions principales

Réseau de distribution de l’hydrogèneTemps de remplissageStockage du H2 à bord

Compressé @ 800 barsLiquéfié @ -253°CAdsortion (nanotubes de carbone…)Production H2 à bord?

Réduction de l’autonomie!Bilan énergétique global?

Hydrogen-powered MINI concept (BMW group)

Bus roulant au gaz naturel

Moteur à CI + hydrogène ou gaz naturel

Les gains au niveau des émissions de CO2 par rapport à un moteur essence équivalent aux USA

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Véhicules électriques

Voiture électriqueHistorique:

Les voitures électriques ont été très populaires entre 1905 et 1915.Regain d’intérêt à chaque crise énergétiqueMais jamais de succès commercial

Avantages:Mode à zéro émissionTrès faible niveau sonoreConfort de conduite en ville

Désavantages:Autonomie limitée (< 200 km)Temps de recharge ( ~ 6 heures)

Bolloré BlueCar

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Voiture électrique

Moteurs DC + hacheurbalais ou aimant permanent

Moteurs AC + onduleurMoteurs synchrones àaimants permanents ou Moteurs à réluctance commutéeMoteurs asynchrones

Avec la voiture électrique, la propulsion se transforme en système mécatronique complexe!

Batteries:Acide – PlombNi-CdNi-MHZebraLi-ionsSupercapacités

Voiture électrique

Acide-Pb Ni-MH Zebra Li SupercapEnergie spécifique utilisable W.h/kg 15-20 60-70 90-100 110-130 3-5Puissance spécifique W/kg 100-250 100-250 140-180 300-1000 ≅1000Rendement charge-décharge % 60 80 85 85 95Durée de vie estimée cycles 600 1200 1200 1200 1000000

Acide-Pb Li-ions Essence DieselEnergie spécifique (W.h/kg) 17 110 12000 12000Consommation du véhicule 25kW.h/100km 25kW.h/100km 8l/100km 6l/100kmAutonomie (km pour 100 kg) 11 73 1667 2008

Problème principal = le batteries!Pas d’amélioration spectaculaire prévisible dans un roche avenir

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Véhicules électriques

Véhicules hybrides

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Véhicules hybrides électriquesCombinent deux sources d’énergies i.e. deux types de motorisations (i.e. thermiques et électriques) et deux types de stockage.Les VEH permettent de tirer profit des avantages des voitures électriques tout en gardant les avantages des moteurs àcombustion interne (autonomie facilité de recharge, etc.)L’hybridation conduit à de nombreuses voies d’optimisation de l’énergie à bord du véhiculeL’hybridation permet de réduire fortement les émissions de polluants et la consommation (gain jusqu’à 40 ou 50%)Inconvénient persistant: surcoût et accroissement de la masseLe succès commercial et en train de venir (e.g. Toyota Prius II, Honda Insight, Lexus RX400h, Ford Escape…)

Véhicules hybrides électriques

Ford Escape

Lexus RX400h

Toyota Prius II

Honda Insight

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Véhicule hybride parallèle Véhicule hybride série

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Réduction de consommation possible pour un véhicule de 1300 kg

Véhicules hybrides sérieTaux d’hybridation (%) :

Τs = PAPU / Pe,PAPU : puis. max source primaire (moteur àpiston)Pe : puis. max moteur électrique

ZEV (km) possible sur de courte distanceCharge des batteries

Freinage régénératif (machine électrique génératrice)Si utilisation de la génératrice seulement : charge sustainingSi recharge possible avec le réseau électrique aussi : charge depleting / plug in hybrids

Extension possible aux piles à combustible

Engine

Battery

Generator

M/G

Wheels

Node

Chemical

Electrical

Mechanical

Gruau MicroBus

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Véhicules hybrides parallèleTaux d’hybridation (%) :

Τp = Pe / (Pe + Pt),Pt : puis. max moteurPe : puis. max mot. électriqueMicro < mild < full

Mode ZEV (km) est possible en zone urbainePour rencontrer les pics de puissance, l’opération simultanée des 2 moteurs est possible (mode parallèle)Transition entre modes et gestion de l’énergie complexesCharge sustaining / depleting

Differential

Tank

Engine

Wheels

Chemical

Electrical

Mechanical

Gear change

M/G

Battery

Node

VW Lupo hybrideGreen Propulsion60 g CO2/km

Véhicules hybrides « doux »Architecture « douce »

Petites machines électriques (~10 kW)Fonction Stop & startFaible capacité de freinage régénératifAssistance pour la source principale

Replace le volant d’inertie moteur, le démarreur et l’alternateurPAS de mode électrique pur significatif

Transmission

Mechanical Node

Tank

Wheels

Engine Chemical

Electrical

M/G

Battery

Honda Insight

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Véhicules hybrides complexesVersus hybrides série

Plus petit moteur électrique et génératriceMeilleure rendement de transmission

Versus hybrides parallèles Contrôle de la vitesse de rotation du moteurTransitions plus douces entre modes

Versus autres combinaisonsTrain planétaire requisPas de verrouillage possible entre le moteur et les roues à forte charge (autoroute par ex.)

Toyota Prius II

Véhicules hybrides hydrauliquesAutre stockage énergie: hydrauliqueFaible énergie spécifique:

hybride douxassistance

Forte densité de puissanceAdapté aux véhicules lourdsAux véhicules urbains avec arrêts fréquents et accélérations intensives

Nouveaux développements de moteurs pompes, d’accumulateurs hydrauliques peu coûteux

Smart Truck

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Hybrides: comment ça marche?

Le freinage régénératifRécupérer (partiellement) l’énergie du freinageStockage dans l’accumulateur (batteries, supercaps, volant d’inertie) Lissage des pics de puissanceRéduction de taille du moteur

Améliorer l’utilisation du moteur thermiqueRéduction de cylindrée en préservant le coupleRéduction des frictions internes du moteurFonctionnement du moteur en grande majorité dans sa meilleure plage de rendement et de moindres émissions

-150

-100

-50

0

50

100

150

0 200 400 600 800 1000

Temps [s]

Puis

sanc

e M

achi

ne é

lect

rique

[kW

]

Piles à combustibles

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Véhicules à pile à combustibleLes piles à combustibles font l’objet de nombreuses recherches et développements

Avantages de principe:rendement de conversion élevé (> 50%)

émission de polluants très faible

émission de CO2 modeste pour autant que la production d’hydrogène ne soit pas génératrice d’émissions trop importantes

Difficultés technologiques:création d’un réseau de distribution d’hydrogène

coût excessif des composants pour le moment

Approche attendue pour 2015-2020

Pile à combustible?Système de conversion directe de l’énergie d’un combustible en électricité par un processus électrochimique

Réaction électrochimique (oxydo-réduction) sans combustion

Réactifs constamment introduits, consommés et renouvelés et les produits de réaction enlevés en continu

Les protons / ions sont transportés à travers l’électrolyte

De chaque côté des électrodes, on a des plaques conductrices chargées de collecter le courant

Les électrons sont dérivés par le circuit extérieur

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Pile à combustible?La pile à combustible la plus populaire est la pile à hydrogène H2 – O2

Il s’agit en fait de la réaction inverse de l’électrolyse de l’eau

Elle fournit des tensions théoriques de 1,23 et 1,18 V. Cette tension dépend aussi de la température

Avantages:Fonctionnement habituellement à température modéréeFonctionnement silencieuxRendement théorique élevé dans un large plage de fonctionnement

Inconvénients:Coût des électrodesPureté des combustibles

Pile à combustible?Besoin d’un catalyseur (Pt ou Pt/Ru)pour activer (accélérer) les réactions

Transfert des ions H+ entre les électrodes: une membrane polymère (Nafion) ou Proton Exchange Membrane (PEM)

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Pile à combustible?

Rendement d’un pile H2/O2 comparé au rendement de Carnot (Tu=300K) d’une machine thermique


Lorsque le courant est non nul, la tension de la pile est inférieur à la tension d’équilibre à cause de la présence de surtensions aux électrodes.

Caractéristique d’une cellule élémentaire

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Pile à combustible?Rendement global de la pile

Exemple H2/O2 à 80°C, pile PEMFC avec tension de 0,7V pour 350 mA/cm²

rendement théorique « réversible »: 0,936rendement électrique: 0,60rendement faradique: 1rendement matière: 0,9rendement système: 0,8Total: 40,4%

smfurevpile ηηηηηη =


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Véhicules à pile à combustible

Pas de rejet sauf H2O pur ZEVOpération quasi silencieuseConfiguration généralement hybride série

Batterie de stockage ou supercapacitéRécupération d’énergie au freinageDownsizing de la pile

H2 ou double énergie (réseau + H2)H2 production et distribution ?H2 stockage autonomie

Battery

M/G

Fuel cells

Wheels

Node

Tank Chemical

Electrical

Mechanical

Toyota FCH4

Véhicules à pile à combustibleLes enjeux pour la commercialisation des véhicules à piles àcombustible restent importants:

réduire le coût des composants

améliorer le rendement effectif des membranes PEM: surtout àcause de la consommation des auxiliaires

moyen de stockage de l’hydrogène à bord

infrastructures de distribution de l’hydrogène

mesure et règles de sécurité pour la conception des véhicules àhydrogènes et de la distribution de l’hydrogène

définir des filières énergétiques de production de l’hydrogène àpartir d’une source primaire: coût, disponibilité, sécurité, efficacitéénergétique, émission de CO2 sur le cycle de vie.

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PRODUCTION DE L’HYDROGENE

Électrolyse de l’eauDépend des émissions moyennes de la production d’électricitéFaible efficacité globale (<60%)Offre l’avantage de pouvoir stocker de manière massive de l’énergie électrique et de niveler les fluctuations

Reformage d’hydrocabone à partir de gaz naturel ou de pétroleProduction de CO2 quand même et utilisation de carburant fossileEmissions en amontSemble le plus intéressant aujourd’hui

Récupération d’hydrogène « perdu » dans des processusPolygénération

Production de chaleur, d’énergie et de fuel dans des grosses installations avec éventuellement capture du CO2 et des polluants

Société de l’hydrogène et de l’électricité

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Programme CUTE: clean Urban Transport

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Prédiction du futur

Échéances prévisibles pour l’application des nouvelles technologies

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Échéances prévisibles pour l’application des nouvelles technologies

Chang & Chau:Développement des tendances en EV et HEV

Evolution du marché de l’alternatif

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Comparer les solutions

Etude du cycle de vie

La comparaison objective des différentes solutions doit être basée sur le cycle de vie complet du véhicule et du carburant

Production du véhicule et de la motorisationÉmissions du puit à la roue (Well to wheel emissions) du carburant

Émissions au pot d’échappementPréparation du fuel ou de l’énergieExtraction du carburant primaire

Recyclage du véhicule

Les résultats sont parfois surprenants et sont parfois contraires aux idées reçues!

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Etude du cycle de vie: électricité

Émissions de la production d’électricité :Renouvelable + mix traditionnelVariable selon

le moment de la journée (jour / nuit)le lieu

mix suédois: 19 g CO2/kW.hmix grec: 1111 g CO2/kW.h

Libéralisation du marchéÉlectricité produite où?

Émissions en amont de la centrale?

Etude du cycle de vie: hydrogène

Émissions pour la production d’hydrogèneExpérience de laboratoire ou production industrielleÉlectrolyse de l’eau

voir production d’électricitéfaible efficacité globale (<60%)

Reformage d’hydrocabone à partir de gaz naturel ou de pétrole

production de CO2 quand mêmeémissions en amont

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Etude du cycle de vie: exemple

0

25

50

75

100

125

150

175

200

225

1.2 ga

solin

e

1.5 D

ci die

sel

1.2 LP

G

Hybrid

, plug

-in

Hybrid

, sus

tainin

g

Fuel c

ell, p

lug-in

Tota

l CO

2 em

issi

ons

(g/k

m)

Energ prod.Vehicle useProd./recycling

Renault Kangoo HybridGreen Propulsion

Conclusions

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ConclusionsL’automobile

fait partie de notre viedoit faire face à des défis majeurs à l’aube du 21ème siècle

Nouveaux développements à court et moyen termesAméliorer les moteurs à combustion interne

Recherche et développement pour le moyen et long termesVéhicules hybrides électriques (5 à 10 ans)Piles à combustible (10 à 15 ans?)

Le pétrole et les moteurs à pistons ne pourront être remplacés que par plusieurs solutions alternatives (carburants et systèmes de propulsion), chacun étant le mieux adapté dans une niche.

Conclusions

Wallonie: terre d’innovation automobileEn 1899, le vervietoisCamille Jenatzy est le premier à passer les 100 km/h avec une voiture électriqueEn 1899 Henri Pieper crée les automobiles pétroléoélectriques premières voitures combinant une motorisation thermique avec un moteur électrique. Alors c’est à nous maintenant de construire notre avenir

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RéférencesLivret Blanc de la DG Énergie et Transport de la Commission de la CE sur la « Politique européenne des transports à l’horizon 2010 : l’heure des choix » disponible sur le sitehttp://europa.eu.int/comm/energy_transport/fr/lb_fr.htmlPh. Pinchon. « Futures évolutions des motorisations dans l’automobile ». L’automobile du futur: les technologies de l’IFP. 6 mai 2004.Vlacic L. Parent M. & Harashima F. : « Intelligent VehicleTechnologies ». Butterworth Heinemann, 2001.CC Chan & KT Chau Modern Electric Vehicle technology. Oxford Science Publication, 2001.CM Jefferson & RH Barnard. Hybrid Vehicle Propulsion. WIT Press. 2002.Energy Technology and Fuel Economy. US Department of Energy. www.fueleconomy.gov/FEBIAC: www.febiac.be

introduction - cours, examenscours-examens.org/images/an_2016_1/veille/industri... · ltas –...

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