Ce qu’on peut attendre de la technologie des véhicules

2013

I. Les véhicules routiers

Une évaluation présentée par Continental Automotive le 3 juillet 2012 prévoyait que les ventes de véhicules légers particuliers et « petits » utilitaires dans le monde en 2020 serait réparties de la façon suivante : 69% essence, 20% diesel, 8% hybrides et 2 à 3% électrique. Les motorisations classiques (moteurs à combustion interne) resteront donc dominantes au moins pendant les deux décennies à venir.

I.1. Motorisations thermiques

Les moteurs thermiques présentent actuellement un bon rendement énergétique et ils possèdent de nombreux avantages qui ont fait et font encore leur succès :

• le stockage énergétique nécessaire à leur fonctionnement met principalement en jeu des carburants liquides à la température ambiante, ce qui entraîne des énergies massiques et volumiques sans comparaison avec celles des autres stockages énergétiques disponibles dans le domaine des transports ; il en résulte de fortes autonomies pour ce type de véhicule qui sera multi usages,

• la recharge en énergie des véhicules se fait simplement et rapidement,

• le réseau de distribution est aujourd’hui largement développé, que ce soit sur le territoire national ou plus largement au niveau mondial,

• leur adaptation aux carburants alternatifs, que ce soit les biocarburants disponibles pour les moteurs à allumage par compression ou à allumage commandé, ou encore les carburants gazeux, est relativement aisée,

• leur coût de production et de maintenance ainsi que leur durée de vie sont globalement maîtrisés, ce qui en fait aujourd’hui des équipements accessibles au plus grand nombre,

• les matériaux sensibles ou stratégiques sont très peu présents dans le moteur et son post traitement.

A contrario, les réserves en énergie fossile ne sont pas inépuisables et les consommations, donc par conséquent les émissions de CO2 n’ont pas suivi, jusqu’ici, les mêmes courbes de progrès que les émissions de polluants locaux (oxydes d’azote, particules). D’où la nécessité de préparer « l’après moteur thermique ». En attendant, pour les prochaines années, les moteurs thermiques, utilisés seuls ou dans des systèmes de propulsion hybride en les couplant à des systèmes électriques, constitueront encore la base des motorisations dans le transport routier.

Systèmes de combustion

Pour ce qui concerne les systèmes de combustion, un passé relativement récent a vu la mise au point de l’injection « Common Rail » (injection directe haute pression réglable pour chaque cylindre) qui a permis de développer des moteurs diesel performants et à cylindrée réduite. Les progrès résultent et résulteront encore demain de la suralimentation des moteurs, des taux de compression variables, de la distribution variable voire pilotée, rendue possible avec les avancées technologiques dans le domaine du « camless » (sans arbre à came, pour gérer finement dans chaque cylindre les ouvertures et fermetures de soupapes) et permettant, là encore, des possibilités de fonctionnement à efficacité accrue.

Post-traitement

Pour ce qui concerne le post-traitement des gaz d’échappement, les avancées obtenues dans le domaine des filtres à particules (FAP), ou de la réduction des émissions d’oxydes d’azote (avec les système SCR, réduction catalytique sélective, à base d’ammoniaque ou d’urée) en motorisation diesel, seront vraisemblablement étendues aux moteurs à allumage commandé et notamment aux moteurs à injection directe d’essence dans un futur très proche.

Carburants alternatifs

En ce qui concerne les carburants alternatifs, l’adéquation moteur/carburant, tenant compte de la spécificité géographique, devra permettre de tirer le meilleur parti de ces nouveaux carburants pour les motorisations de demain. Ceci est vrai en particulier pour les carburants issus de la biomasse. Comme indiqué ci-dessus, ils ne présentent pas de difficultés particulières pour les moteurs thermiques et certains scénarios énergétiques leur donnent une place éminente (cf Négawatt, fiche 13). Les biocarburants de première génération (à partir des cultures) sont discutés en raison de la compétition d’usage des sols avec les produits alimentaires, ceux de seconde génération (résidus de culture, broussailles…) sont encore trop chers mais peuvent faire partie des solutions pour atteindre le facteur 4.

Récupération de l’énergie

Dans les domaines émergents liés aux moteurs thermiques, il ne faut pas oublier de citer tous les systèmes de récupération d’énergie. Chaque système ou chaque technologie devra être adapté à la famille de moteurs thermiques considérée ; ainsi, le système le plus approprié pour un véhicule Poids Lourd grand routier ne sera pas le même que celui optimisé pour un bus urbain ou une petite citadine. Ceci étant évidemment vrai pour toutes les technologies considérées précédemment.

Adaptation pour les motorisations hybrides

En fonction du type d’hybridation, les moteurs thermiques pourront être plus ou moins dédiés et optimisés (réduction de la plage d’utilisation, des contraintes dynamiques…). Par ailleurs, les moteurs thermiques voient, avec l’hybridation, leurs conditions d’utilisation profondément modifiées ; ils pourront de plus être sollicités de façon plus ou moins occasionnelle (dans les hybrides avec autonomie tout électrique notamment). Cela entraînera des problématiques particulières qu’il faudra traiter dans le futur : par exemple l’adéquation post-traitement / hybridation (et notamment dans un régime de températures des gaz d’échappement faibles et très peu stabilisées) qui constituera un verrou aussi bien scientifique que technologique, qu’il faudra relever très rapidement. Pour les motorisations hybrides avec prolongateur d’autonomie, la mise en place d’une gamme de moteurs thermiques optimisés (consommation, émissions, masse, volume et coût) et conçus en synergie avec le générateur électrique associé constitue également un vaste sujet pluridisciplinaire.

I.2. Motorisations hybrides thermique-électrique

Les avantages et défauts des motorisations thermiques sont connus : grande autonomie, performance sur route, facile à recharger en énergie…mais faible rendement en usage urbain et surtout dépendant en quasi-totalité de carburants fossiles. Les avantages et défauts des motorisations électriques à batteries sont également connus : propre, silencieux, pas d’émission directe de gaz à effet de serre…mais autonomie limitée, temps de recharge encore conséquent, coût des batteries.

D’où l’idée de développer des véhicules dits « hybrides » intégrant à la fois une motorisation thermique et une motorisation électrique afin de bénéficier des avantages de chacune en fonction des usages avec comme objectifs de réduire fortement la consommation énergétique, l’émission de gaz à effet de serre, mais également l’émission de polluants.

Un véhicule hybride peut être défini par deux caractéristiques principales :

• son niveau d’hybridation, qui mesure le pourcentage de puissance électrique disponible avec le moteur électrique : « stop-start » qui est le plus répandu (le moteur s’arrête aux feux rouges ou dans un embouteillage prolongé), micro-hybride avec moins de 10%, mild-hybride avec de 10 à 20-30%, et full-hybride au-delà de 30% ;

• son architecture, qui concerne les solutions retenues : hybride série qui revient à installer l’équivalent d’un groupe électrogène générant uniquement de l’électricité ; hybride parallèle qui permet de faire fonctionner soit le moteur thermique, soit le moteur électrique, soit les deux ensemble ; enfin hybride série-parallèle qui est le plus complexe.

On doit ajouter une autre caractéristique liée aux essieux moteurs : dans la plupart des solutions, les motorisations thermiques et électriques sont reliées au même essieu moteur (traction ou propulsion), mais des modèles mis sur le marché proposent des véhicules où la motorisation thermique se fait sur l’essieu avant et la motorisation électrique sur l’essieu arrière. Cette dernière solution, très avancée, est particulièrement pertinente sur le plan industriel.

Enfin, alors que la plupart des modèles et solutions proposées restent des hybrides non rechargeables au niveau des batteries (le véhicule n’est alors alimenté que par du carburant contenu dans un réservoir), on doit souligner que des solutions d’hybrides avec batteries rechargeables sur le réseau électrique apparaissent sur le marché.

L’appellation « véhicule hybride » recouvre ainsi une multitude de solutions, mais avec des coûts croissant avec la complexité et avec l’autonomie souhaitée en électrique seul (de quelques centaines de mètres à plusieurs dizaines de kilomètres). Ce concept hybride permet la transition vers le véhicule tout électrique.

En termes de consommation énergétique, par comparaison à un véhicule thermique de même catégorie, les gains s’étagent sur cycles officiels de 3 à 10% pour le « stop-start », à plus de 30% pour le full-hybride. En usages réels plutôt urbains, les gains attendus sont nettement plus élevés. Pour un véhicule automobile « léger », un objectif d’émission de 60 g de CO2 par kilomètre peut être atteint et généralisé. Les applications actuellement en cours de développement concernent tous les véhicules « routiers », et en particuliers ceux à usages surtout urbains : véhicules légers, véhicules de livraison, poids lourds de distribution, taxis, autobus…

I.3. Motorisations tout électrique

Du fait de la nécessité de résister à la volatilité des prix des produits pétroliers - à terme à la raréfaction de ces produits- et des questions d’environnement, l’électrification des véhicules est une tendance inéluctable qui se fait selon plusieurs modes : électrification partielle déjà en cours, notamment sur les véhicules thermiques hybrides (HEV) et Plug-In (PHEV), électrification totale avec principalement deux voies : les véhicules à batteries (BEV) et les véhicules à pile à combustible alimentée par l’hydrogène (FCEV). Leur déploiement sera très progressif, le moteur thermique restant majoritaire au moins jusqu’en 2030-2040. Les marchés sur lesquels le véhicule électrique se déploiera sera fonction des caractéristiques des technologies employées : petits véhicules urbains et véhicules de flottes pour les batteries, véhicules hybrides électrique/thermique et hybrides Plug-In à usage universel, véhicules à hydrogène pour les véhicules routiers, y compris les véhicules lourds nécessitant puissance et autonomie (bus par exemple). Il faut remarquer que les véhicules à pile à combustible seront de toutes façons « hybridés », c’est-à-dire associant dans la chaîne de traction une pile à combustible et une batterie, le degré d’hybridation (taille de la batterie versus taille de la pile) étant fonction de l’équation économique sur le segment de marché considéré et dans la région ou pays visé.

Les véhicules tout électriques présentent de nombreux avantages : indépendance vis-à-vis de la volatilité des prix des produits pétroliers, avantages environnementaux sur les polluants locaux et le bruit, émissions de CO2 très faibles du réservoir à la roue (sous réserve d’une production d’électricité peu émettrice), possibilité d’innover radicalement sur l’architecture des véhicules, insertion dans des systèmes et réseaux intelligents de l’énergie et meilleure adaptation à de nouveaux modes de mobilité.

En revanche plusieurs difficultés subsistent pour une diffusion rapide : coûts des technologies, nécessité de financer et déployer une nouvelle infrastructure de distribution en électricité ou en hydrogène, autonomie limitée et temps de recharge pour les technologies batteries, mais aussi forte inertie des technologies et industries en place, manque de normes et réglementations adaptées, formation initiale et professionnelle de la filière à construire. Néanmoins, selon une étude européenne de référence¹ basée sur les données fournies par 31 industriels dont les 11 principaux constructeurs automobiles mondiaux (Daimler, Ford, Kia, Toyota, Nissan, GM, Renault, VW, BMW, Honda, Hyundai), les progrès réalisés sur l’ensemble de ces technologies depuis moins de quinze ans permettent d’affirmer que les technologies seront compétitives avec les technologies conventionnelles thermiques y compris en prenant en compte les améliorations prévisibles de ces dernières, en terme de TCO (Total Cost Ownership, incluant coût d’investissement, infrastructure et coûts de fonctionnement) sur les marchés de la mobilité terrestre. Elles seront en outre les seules à permettre d’atteindre les objectifs environnementaux globaux et locaux pour la France (exemple 95 % de réduction des gaz à effet de serre en 2050 pour les transports routiers) et pour l’Union européenne. Leur principal défi dans les cinq années à venir et au-delà jusqu’en 2025-2030 sera de réussir les premières commercialisations, mettre en place les outils de production en grande série, et enfin déployer et financer les noyaux d’infrastructures nouvelles nécessaires. La phase de commercialisation des véhicules électriques à batterie a démarré en France et dans d’autres pays, les véhicules à pile à combustible quant à eux devraient apparaître sur le marché à partir de 2014-2016 dans différents pays (Allemagne, USA, Japon, Corée), l’infrastructure hydrogène se déployant progressivement en Europe à partir de noyaux dans les zones à fort trafic et grands axes.

Les principaux axes de recherche et de progrès concernent :

• les batteries : diminuer les coûts et augmenter les niveaux de sécurité, minimiser la toxicité des matériaux et leur impact écologique, optimiser la gestion de l’énergie dans le véhicule et la gestion des cycles de charge/décharge, améliorer les autres composants du système du véhicule électrique, tels que les super-condensateurs, améliorer les performances globales du système de mobilité, en étudiant les couplages intelligents entre les ensembles de véhicules et le réseau, poursuivre le développement de la mobilité solaire (couplage énergie solaire et flottes de véhicules)

• les piles à combustible et l’hydrogène (diminuer les coûts des piles de première génération, notamment la quantité de platine, et des réservoirs haute pression pour le stockage d’hydrogène tout en optimisation les niveaux de sécurité, développer les procédés de production d’hydrogène à partir des énergies renouvelables, améliorer les technologies liées au transport et distribution de l’hydrogène par exemple par des mélanges hydrogène/gaz naturel, démontrer la sécurité de l’ensemble de la chaîne, notamment sur l’utilisation des réservoirs et sur la problématique du stationnement des véhicules dans les espaces confinés.

I.4. Les auxiliaires

La consommation des auxiliaires (refroidissement, chauffage et climatisation, systèmes d’assistance, éclairage…) est un sujet de préoccupation croissant, d’une part du fait de son augmentation (en valeur absolue de par la croissance des équipements et en pourcentage à mesure que l’on réduit la puissance nominale des moteurs), d’autre part au titre de l’autonomie des véhicules électriques.

I.5. Allègement et aérodynamisme

Les voitures se sont alourdies de 300 kg ces 15 dernières années du fait des progrès en matière de sécurité, antipollution, confort, volume. L’inversion de cette tendance est aujourd’hui incontournable : Il est généralement acquis qu’une baisse de 100 kg sur la masse d’un véhicule entraîne une baisse d’émission de CO2 de 5 à 7g/km.

Aujourd’hui encore l’acier est omniprésent, son utilisation est très bien maîtrisée, elle a structuré fortement les processus industriels. Elle peut évoluer (aciers à haute performance) mais des voies alternatives sont explorées : matériaux composites (métal et plastiques), biomatériaux (fibres de chanvre, de lin), nanomatériaux. Au-delà des matériaux eux-mêmes ces alternatives supposent des évolutions dans les processus de conception et de fabrication (collages par exemple).

Les gains de masse pourront concerner tout ou partie des constituants du véhicule : la structure et ses sous-ensembles, le Groupe Moto-Propulseur (GMP), les liaisons au sol (suspension, freinage, direction), les organes de confort ou de sécurité (composants vibro-acoustiques, thermique habitacle, aménagements intérieurs,…). L’emploi de nouveaux matériaux doit tenir compte des contraintes d’approvisionnement durable, de la recyclabilité, et de la gestion de la fin de vie du véhicule (directive européenne sur les Véhicules Hors d’Usage pour l’automobile) et veiller au respect du compromis entre le coût et l’équilibrage des prestations : sécurité / bruit / vibrations.

L’architecture des véhicules (automobiles principalement), c’est-à-dire leur mode de construction, l’agencement de leurs composants, leur organisation technique, n’a pas évolué depuis plusieurs années dans le sens d’une amélioration de leur dépense énergétique…Si certaines prestations en ont bénéficié (polyvalence d’usage, sécurité passive, impression d’espace, style…), cette évolution contrarie la pleine exploitation des progrès faits sur les motorisations au bénéfice de la consommation.

En conséquence, la réduction significative de la traînée aérodynamique reste un axe de progrès à ne pas négliger. L’impact des améliorations aérodynamiques est usuellement sous-évalué du fait de leur faible influence sur la consommation d’un véhicule thermique en dessous de 80 km/h. Cependant, l’électrification croissante de la propulsion va augmenter cette sensibilité, avec un impact direct sur l’autonomie, donc le dimensionnement des batteries, et donc la masse…La conception des véhicules routiers explore donc de nouvelles solutions architecturales permettant une réduction sensible des impacts environnementaux du véhicule. Ces solutions sont parfois construites autour d’un cahier des charges de « prestations véhicule » qui pourra être spécialisé (véhicule « dédié ») par rapport à un véhicule « polyvalent » (cf la nouvelle Renault Twizy). Dans d’autres cas elles découlent de l’introduction de technologies innovantes relatives au refroidissement ou au stockage de l’énergie.

II. Les véhicules ferroviaires

Intrinsèquement, le mode ferroviaire est énergétiquement vertueux du fait de l’efficacité du contact roue métallique-rail. Cependant, dans un contexte où les coûts environnementaux et financiers de l’énergie croissent régulièrement, la sobriété énergétique du rail doit être fortement encouragée, comme celle de l’ensemble des modes de transport.

La gamme des véhicules ferroviaires est très large. Elle est adaptée à la variété des usages, depuis le tramway jusqu’à la rame à grande vitesse, en passant par les trains régionaux, les locomotives de manœuvre et les trains de fret. Cependant, quelle que soit la gamme de véhicules considérée, les techniques à mettre en œuvre pour aboutir à des économies d’énergie significatives sont peu ou prou identiques, même si leur efficacité relative varie d’un usage à un autre.

Deux modes de traction coexistent sur les réseaux ferroviaires. La traction électrique présente indéniablement des avantages de diverse nature (notamment environnementale) mais elle nécessite une infrastructure coûteuse (caténaire) qui ne peut être amortie que sur des lignes à fort trafic ou sur des axes dont les conditions d’exploitation sont exigeantes (lignes à forte déclivité, trains lourds…) ; la traction thermique est généralement utilisée sur les lignes à faible trafic. Répartition 2013 : 2/3 de machines électriques sur environ 6 000 (site internet du Groupe des Archives des Quatre Mares), un réseau électrifié de 15 687 km (1 884 km de LGV) sur 29 273 km, assurant 90% du trafic voyageurs et 85% du trafic fret (site internet RFF).

Réduire la masse est un objectif à atteindre sur l’ensemble des véhicules, engins moteurs, wagons et voitures-voyageurs. L’énergie nécessaire à la mise en mouvement est en effet proportionnelle à cette masse et la réduction de cette dernière permet donc des économies significatives. Bien sûr, plus les arrêts sont fréquents (tramways, trains régionaux) plus fort est l’impact de l’allègement sur la consommation d’énergie. Réduire la masse passe par l’utilisation de matériaux nouveaux (nouvelles familles d’acier, aluminium, composites…), par de nouveaux modes de mise en forme et d’assemblage de ces matériaux, par des équipements de traction innovants (voir ci-après) et par la conception de nouvelles architectures de véhicules, ces moyens n’étant pas indépendants les uns des autres. La nécessité de satisfaire les impératifs de sécurité, de fiabilité, de confort et de respect de l’environnement (bruit) et des ressources (recyclabilité) rend cette tâche d’allègement particulièrement ardue.

Réduire les pertes aérodynamiques doit aussi être considéré comme une nécessité, particulièrement pour les trains circulant à vitesse élevée. Optimiser la géométrie des carrosseries (faces avant, jupes, carénages…), réduire les discontinuités (intervalle entre les wagons ou voitures), minimiser l’influence négative des éléments extérieurs (pantographes, antennes, prises d’air…) sont les objectifs prioritaires dans ce domaine. L’aérodynamisme des trains de fret peut aussi être amélioré.

Optimiser le rendement global des chaînes de traction des engins moteurs constitue le troisième levier

Pour la traction électrique on cherche à améliorer les performances spécifiques des moteurs électriques, l’encombrement et le coût de l’électronique de puissance qui gère l’énergie électrique entre la source (caténaire, APS…) et le moteur, à développer les systèmes de récupération d’énergie au freinage et l’injection de cette énergie dans les réseaux. A un horizon plus lointain, l’emploi de l’hydrogène et de piles à combustibles peut représenter une alternative intéressante lorsque les évolutions techniques et économiques le rendront attractif et d’un coût raisonnable.

Pour la traction thermique il s’agit évidemment de réduire la consommation de carburants d’origine fossile et les rejets de polluants locaux. Pour les locomotives de ligne (peu d’arrêts intermédiaires) assurant les services voyageurs ou fret la réduction de la cylindrée est une voie à explorer car elle permet de diminuer les pertes par frottements et de réduire la masse. Pour les engins assurant des services caractérisés par des arrêts et redémarrages nombreux (trains régionaux…), l’hybridation peut se révéler être une solution efficace, à condition qu’elle ne s’accompagne pas d’un alourdissement trop important de la chaîne de traction. A noter que le principe d’hybridation est particulièrement bien adapté aux missions des locomotives de manœuvre qui démarrent et s’arrêtent fréquemment.

III. Les véhicules fluviaux

Le transport maritime représente 80 à 90% des échanges mondiaux en volume, 40% des échanges intra Europe. Le trafic passager est équivalent à celui de l’avion. Le transport fluvial est en croissance.

3 à 4% des émissions mondiales de CO2 viennent du transport maritime qui est un mode assez efficace par tonne et t x km. Le fluvial, par exemple, est 2 à 4 fois moins émetteur que les camions à distance comparable. Néanmoins, l’enjeu climatique et l’enjeu de raréfaction des produits pétroliers imposent des progrès dans l’efficacité énergétique : propulsion, introduction d’énergies renouvelables, résistance à l’avancement, bilan énergétique global. Le monde maritime est également confronté à une nécessité d’adaptation au changement climatique du fait des évolutions à venir pour la navigabilité.

Références