U N I V E R S I T E de L i è g e Technologies pour un transport plus respectueux de l’environnement: Horizon 2020-2030 Pierre DUYSINX Université de Liège Laboratoire d’Ingénierie des Véhicules Terrestres 2 PLAN DE L’EXPOSE ◼ Etat de la situation: U N I V E R S I T E de L i è g e ◼ ◼ Tendances et solutions à court terme ◼ ◼ ◼ Les défis Améliorations des moteurs à combustion interne Recherches et développements à moyen terme ◼ La diversification des carburants ◼ Les véhicules électriques ◼ Les véhicules hybrides Perspectives à long terme ◼ La pile à combustible ◼ La société de l’hydrogène ◼ Le véhicule intelligent ◼ Le concept de mobilité personnelle Etat de la situation Court terme Moyen terme Long terme Wallonie: terre historique des véhicules électriques et hybrides 3 U N I V E R S I T E de L i è g e ◼ En 1899, le vervietois Camille Jenatzy est le premier à passer les 100 km/h avec une voiture électrique ◼ Henri Pieper crée les automobiles pétroléo électriques en 1899 premières voitures combinant une motorisation thermique avec un moteur électrique. La firme de Herstal Auto Mixte produit des véhicules entre 1905 et 1912. Etat de la situation Court terme Moyen terme Long terme 4 U N I V E R S I T E de L i è g e État de la situation et enjeux 4 Etat de la situation Court terme Moyen terme Long terme 5 LE MONDE EST EN TRAIN DE CHANGER PROFONDEMMENT ET RAPIDEMEMENT Urbanisation U N I V E R S I T E de L i è g e Individualisation des besoins de mobilité Accident Congestion Intelligence Artificielle Capteurs et Big Data Digitalisation 3D printing Connectivité Ressources limitées Vieillissement population Criminalité Santé & Bien-être Déchets et recyclage Changement climatique Air pollution Prix de l’énergie 5 Etat de la situation Court terme Moyen terme Long terme 6 TENDANCES GLOBALES U N I V E R S I T E de L i è g e Technologies et omniprésence du Monde Digital avec une importance grandissante de la Santé ◼ Facteurs d’accélération des PUISSANCE DE LA TECHNOLOGIE ◼ “Innovation to zero” ◼ Technologie ambiante ◼ Robotique et IA ◼ Miniaturisation ◼ Impression 3D… Etat de la situation MONDE DIGITAL & EVOLUTION DE CONSOMMATION ◼ Objets connectés ◼ Usage plutôt que possession ◼ Réalité virtuelle et augmentée ◼ Vers plus de sécurité Court terme Moyen terme SANTE & BIEN ETRE ◼ Frontière de plus en plus fine entre vivant et non vivant ◼ Nouveaux problèmes de santé ◼ Population vieillissante ◼ Santé, bien-être 6 ◼ E-santé Long terme 7 TENDANCE DU MONDE AUTOMOBILE U N I V E R S I T E de L i è g e Efficacité Energétique et sur l’essor du Monde Digital avec un impact sur la Mobilité ◼ Focus sur EFFICACITE ENERGETIQUE ◼ Réduction des émissions ◼ Electrification de la propulsion ◼ Energie renouvelable ◼ VE comme acteur des smart grids ◼ Allégement du véhicule ◼ Recyclage VOITURE CONNECTEE ◼ Big data ◼ Sécurité et services virtuels ◼ Navigation, services géo localisés ◼ Info divertissement ◼ Services de mobilité ◼ Paiement et e-commerce MOBILITE ◼ Mobilité multimodale ◼ Car sharing ◼ Car pooling ◼ Véhicules autonomes ◼ Eco systèmes intégrés de mobilité ◼ Zones de basse émission 7 Etat de la situation Court terme Moyen terme Long terme 8 AUGMENTATION DE LA DEMANDE DE TRANSPORT U N I V E R S I T E de L i è g e Van Mierlo, Magetto, Lataire, 2006 ◼ Le parc automobile mondial: 1 milliard de véhicules en 2020 – 2.8 Milliards en 2050? Etat de la situation Court terme Moyen terme Long terme 9 AUGMENTATION DE LA DEMANDE DE TRANSPORT U N I V E R S I T E de L i è g e ◼ Le parc automobile de l’UE a augmenté de 50% en 20 ans (+3 millions par an) Etat de la situation Court terme Moyen terme Long terme 10 LE TRANSPORT ROUTIER ET LE PÉTROLE ◼ Le transport routier est fortement dépendant du pétrole U N I V E R S I T E de L i è g e (> 90%) dont 70% est importé ◼ Le secteur du transport routier est ◼ Très sensible à la fluctuation des prix du pétrole : compétitivité! ◼ Très menacé par la diminution des ressources (et donc l’augmentation des prix) du pétrole ◼ Le transport routier est fortement exposé à la sécurité d’approvisionnement Etat de la situation Court terme Moyen terme Long terme 11 DEPLETION DES RESSOURCES DE PETROLE U N I V E R S I T E de L i è g e Source: fr.wikiperdia.org ◼ Ressources en pétrole ~ 35 à 40 ans ◼ Réserves en pétrole ~ 60 ans Etat de la situation Court terme Moyen terme Long terme 12 EMISSIONS DE CO2 ET RECHAUFFEMENT GLOBAL U N I V E R S I T E de L i è g e ◼ Accroissement des émissions de CO2 ◼ Menace d’un réchauffement global ◼ Protocole de Kyoto pour réduire les émissions de CO2 Etat de la situation Court terme Moyen terme Long terme 13 Les transports et les émissions de CO2 ◼ En 2006-2007, le secteur des transports représentait U N I V E R S I T E de L i è g e 31% de la consommation totale en énergie de l’UE27 ◼ Le transport routier représente: ◼ 83% du transport de l’UE ◼ 28% des émissions de CO2 de l’UE27 ◼ 71% dû au transport de passagers ◼ Les véhicules individuels représentent ◼ 63% des émissions de CO2 du transport routier ◼ Etat de la situation Court terme Moyen terme Long terme 14 POLLUTION LOCALISEE DANS LES CENTRES URBAINS ◼ 80% des Européens vivent dans des villes U N I V E R S I T E de L i è g e 16 villes de plus de 10 millions d’habitants ◼ 70 villes entre 800.000 et 1.000.0000 habitants ◼ >1000 villes avec plus de 100.000 habitants ◼ Forte exposition des Européens aux pollutions locales ◼ Contribution du secteur du transport dans les émissions globale de polluants de l’UE (2001) Etat de la situation Court terme Moyen terme Long terme 15 TENDANCE DANS L’UNION (LIVRET BLANC DE LA D.G. ÉNERGIE & TRANSPORT) ◼ La congestion du réseau U N I V E R S I T E de L i è g e Zones urbaines, réseau transeuropéen ◼ La congestion entraîne une réduction de compétitivité = 0,5% du PNB en 2001, 1% du PNB en 2010. ◼ ◼ Sécurité routière 41.000 morts par an sur les routes de l’UE ◼ Coût: 2% du PIB ◼ Objectif manqué pour 2010 réduire Le nombre de tués par 2 ◼ Etat de la situation Court terme Moyen terme Long terme 16 LA SECURITE ROUTIERE U N I V E R S I T E de L i è g e ◼ Sécurité routière ◼ ◼ ◼ 35.000 morts par an sur les routes de l’UE Coût: 2% du PIB Objectif entre 2000 et 2010 réduire le nombre de tués par 2 (soit 27.000 tués): objectif manqué. Etat de la situation Court terme Moyen terme Long terme 17 LE DÉFI DE LA MOBILITÉ DURABLE Des systèmes de transport efficaces sont très importants pour la prospérité de la société avec un impact important sur: ◼ La croissance économique ◼ La société ◼ L’environnement ◼ Contributions essentielles de l’industrie Européenne à la lutte contre le réchauffement climatique et au défi énergétique: U N I V E R S I T E de L i è g e ◼ ◼ ◼ ◼ Plus grande efficacité énergétique des moteurs, des véhicules et des systèmes de transport Utilisation accrue des moyens de transport alternatif et collectif, spécialement en milieu urbain Utilisation accrue des possibilités offertes par les nouvelles technologies ICT (V2I, V2V) Etat de la situation Court terme Moyen terme Long terme 18 U N I V E R S I T E de L i è g e Objectif pour 2030 : 50% d’efficacité en plus Etat de la situation Court terme Moyen terme Long terme 19 OBJECTIF POUR 2030 – 50% D’EFFICACITÉ EN PLUS U N I V E R S I T E de L i è g e ◼ Défis sociétaux: ◼ Dé carbonisation (zéro CO2) ◼ Fiabilité ◼ Sécurité ◼ Compétitivité globale ◼ Objectifs pour l’industrie européenne ◼ Concevoir et produire les motorisations électriques et à combustion internes les plus performantes ◼ Les concepts de véhicules les plus innovants et les mieux adaptés à leur application ◼ Atteindre les niveaux de dé carbonisation les plus élevés pour les systèmes de transports et les utilisations les plus efficaces des ressources énergétiques fossiles et renouvelables Etat de la situation Court terme Moyen terme Long terme 20 OBJECTIF POUR 2030 – 50% D’EFFICACITÉ EN PLUS U N I V E R S I T E de L i è g e Source:ERTARC Etat de la situation Court terme Moyen terme Long terme 21 PRÉVISIONS POUR LES 20 ANNÉES À VENIR U N I V E R S I T E de L i è g e Source:ERTRAC Véhicules électriques: marché de niche ◼ Véhicules hybrides en croissance ◼ Conversion des moteurs à combustion vers des carburants alternatifs et/ou dé carbonés ◼ Etat de la situation Court terme Moyen terme Long terme 22 OBJECTIF POUR 2030 – 50% D’EFFICACITÉ EN PLUS U N I V E R S I T E de L i è g e Etat de la situation Court terme Moyen terme Long terme 23 OBJECTIF POUR 2030 – 50% D’EFFICACITÉ EN PLUS ◼ U N I V E R S I T E de L i è g e Contributions essentielles de l’industrie Européenne à la lutte contre le réchauffement climatique et au défi énergétique: ◼ Amélioration essentielle de l’efficacité énergétique des moyens de transport ◼ ◼ ◼ ◼ Plus grande efficacité énergétique des moteurs, des véhicules et des systèmes de transport Utilisation accrue des moyens de transport alternatif et collectif, spécialement en milieu urbain Utilisation accrue des possibilités offertes par les nouvelles technologies ICT (V2I, V2V) Augmentation de la part des renouvelables dans les transports ◼ ◼ Etat de la situation Utilisation des bio carburants Utilisation des renouvelables dans la production d’électricité Court terme Moyen terme Long terme 24 SÉCURITÉ DANS LES TRANSPORTS U N I V E R S I T E de L i è g e Etat de la situation Court terme Moyen terme Long terme 25 U N I V E R S I T E de L i è g e Tendances et solutions nouvelles à court terme - Yes we can - Etat de la situation Court terme Moyen terme Long terme LA POLLUTION DE L’AIR EST ET RESTE UN PROBLEME MONDIAL 26 U N I V E R S I T E de L i è g e AQI PM2.5 concentration µg/m³ AQI category 0 to 50 0 to 12 good 51 to 100 12 to 35 MODERATE 101 to 150 35 to 55 UNHEALTHY FOR SENSITIVE GROUPS 151 to 200 55 to 150 UNHEALTHY 201 to 300 150 to 250 VERY UNHEALTHY 300 to 500+ 250 to 500 Etat de la situation HAZARDOUS AQI – Thursday 07th Nov., 2016– 09:14 French Time Extract from AQICN website - www.aqicn.org La pollution de l’air est considérée par l’OMS comme “la seule et plus grande menace mondiale pour la santé," avec plus de 3 millions de morts par an. Court terme Moyen terme Long terme 26 27 REDUIRE LA POLLUTION LOCALE: LES NORMES U N I V E R S I T E de L i è g e Euro II Euro III Euro IV ◼ Réduction des normes d’émissions pour les voitures individuelles et les moteurs de poids lourds (EURO x) ◼ Les émissions de polluants ont été réduites fortement (facteur 10) mais les émissions de CO2 continuent d’augmenter! Etat de la situation Court terme Moyen terme Long terme 28 Réduire la pollution locale Partie urbaine: 4 fois le cycles de base Partie extra urbaine U N I V E R S I T E de L i è g e ◼ C’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 Nouveau cycle européen (1996) ◼ Etat de la situation Court terme Les limites d’émission ont été diminuées d’un facteur 10 à 100! Moyen terme Long terme 29 Emissions en Europe, USA et Japon U N I V E R S I T E de L i è g e Etat de la situation Court terme Moyen terme Long terme 30 Banc à rouleaux U N I V E R S I T E de L i è g e Etat de la situation Court terme Moyen terme Long terme 31 REDUCTION DES EMISSIONS DE CO2 U N I V E R S I T E de L i è g e ◼ En Europe la réduction des émissions de CO2 a été obtenues grâce à une « diéselisation » assez large du parc automobile. Etat de la situation Court terme Moyen terme Long terme 33 Réduire les émissions de CO2 U N I V E R S I T E de L i è g e Etat de la situation Court terme Moyen terme Long terme AMELIORATION DES MOTEURS A COMBUSTION INTERNE 34 ◼ AMELIORATION DES CARBURANTS: U N I V E R S I T E de L i è g e ◼ Carburants plus propres : suppression du Pb, des SOx ◼ AMELIORATION DE LA LA COMBUSTION Utilisation de l’électronique ◼ Injection directe ◼ Optimisation de la combustion ◼ Réduction de taille du moteur (downsizing) ◼ ◼ SYSTEMES DE POST TRAITEMENT ◼ ◼ Convertisseurs à 3 voies (essence) Catalyseurs 4 voies, filtres à particule, etc. (diesel) Etat de la situation Court terme Moyen terme Long terme 35 AMELIORATION DES MOTEURS A COMBUSTION INTERNE: INJECTION DIRECT U N I V E R S I T E de L i è g e ◼ Gains de consommation de l’injection directe et combustion stratifiée (V=1,2l essence) par rapport à la technologie conventionnelle (source IFP) Etat de la situation Court terme Moyen terme Long terme 36 AMELIORATION DES MOTEURS A COMBUSTION INTERNE: TURBO ET DOWNSIZING U N I V E R S I T E de L i è g e Etat de la situation Court terme ◼ Downsizing: réduction de cylindrée sans perte de performance (couple, puissance) permet des gains importants de consommation sur l’utilisation du véhicule ◼ Le downsizing s’obtient par le recours à la suralimentation et l’utilisation de turbocompresseurs ◼ Potentiel important de downsizing: moteurs de 1.5l et même 1.0l et moins dotés de performances spécifiques élevées: couple spécifique de 150 Nm/l et puissance spécifique de 50 kW/l) ◼ Sur l’exemple: à performances égales le downsizing permet une réduction de consommation de 21% (source IFP) Moyen terme Long terme AMELIORATION DES MOTEURS A COMBUSTION INTERNE: INTERCOOLER 37 ◼ Le compression augmente la température des gaz U N I V E R S I T E de L i è g e d’admission: ◼ ◼ ◼ ◼ Augmente le risque de cognement (autoallumage) Augmente la formation de NOx Refroidissement augmente le remplissage ➔ Remède: introduction d’un intercooler et d’un échangeur de chaleur Etat de la situation Court terme Moyen terme Long terme 38 AMELIORATION DES MOTEURS A COMBUSTION INTERNE ◼ La recherche actuelle porte U N I V E R S I T E de L i è g e sur des moteurs de cylindrée plus petite (downsizing) (< 1000 cm³) ◼ Exploration de nouvelles configurations ◼ Configurations de moteurs bicylindres ou mono cylindres ◼ Renaissance du moteur deux temps? ◼ Problèmes de vibrations, de bruits, efforts mécaniques 38 Etat de la situation Court terme Moyen terme Long terme 39 AMELIORATION DES MOTEURS A COMBUSTION INTERNE: LE FUTUR U N I V E R S I T E de L i è g e ◼ Amélioration de la combustion par homogénéisation de la charge et auto allumage par compression (HCCI/CAI) ◼ Possibilité de réduire les NOx par 1 à 100 Etat de la situation Court terme Moyen terme Long terme 40 AMELIORATION DES MOTEURS A COMBUSTION INTERNE: LE MOTEUR DIESEL ◼ Rendement du moteur diesel à injection directe a un U N I V E R S I T E de L i è g e rendement 30% supérieur à celui du moteur à essence dans la pratique ◼ 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 à respecter les futures normes d’émission de polluants ◼ ◼ ◼ Catalyse à 3 voies impossible à cause de l’excès d’air Traitement des NOx impossible par l’optimisation de la combustion Post traitement des particules matérielles Etat de la situation Court terme Moyen terme Long terme 41 POLLUTION LOCALE: SYSTÈMES DE POST TRAITEMENT PERFORMANTS ◼ Système de U N I V E R S I T E de L i è g e dépollution des moteurs Diesel (NOx et PM) : ◼ EGR ◼ FAP ◼ SCR Etat de la situation Court terme Moyen terme Long terme 42 EGR: VANNE DE RECIRCULATION DES GAZ EGR U N I V E R S I T E de L i è g e Etat de la situation Court terme ◼ La vanne EGR est apparue dans les années 1970 aux États Unis. Testée d'abord par General Motors, 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. Moyen terme Long terme 43 POLLUTION LOCALE: SYSTÈMES DE POST TRAITEMENT PERFORMANTS U N I V E R S I T E de L i è g e Etat de la situation Court terme Moyen terme Long terme 44 POLLUTION LOCALE: SYSTÈMES DE POST TRAITEMENT PERFORMANTS U N I V E R S I T E de L i è g e Etat de la situation Court terme Moyen terme Long terme 45 POLLUTION LOCALE: SYSTÈMES DE POST TRAITEMENT PERFORMANTS U N I V E R S I T E de L i è g e Etat de la situation Court terme Moyen terme Long terme 46 CARBURANTS ALTERNATIFS PLUS PROPRES ◼ Valeur énergétique des carburants U N I V E R S I T E de L i è g e Etat de la situation Court terme Moyen terme Long terme 47 CARBURANTS ALTERNATIFS ◼ Carburants alternatifs: U N I V E R S I T E de L i è g e ◼ ◼ ◼ ◼ ◼ Liquefied Petroleum Gas (LPG) Alcools (éthanol, méthanol) Bio diesel (DME, etc.) Gaz Naturel comprimé (CNG) Hydrogène ◼ Accroissement des parts de marché des carburants alternatifs (Livret blanc de la D.G. Énergie & Transport): ◼ Objectif pour 2020: 20% du marché ◼ Bio carburants: 6% en 2010 ◼ Gaz Naturel 47 Etat de la situation Court terme Moyen terme Long terme 48 MOTEURS AU GAZ NATUREL ◼ Le gaz naturel est un bon U N I V E R S I T E de L i è g e candidat: ◼ Adaptation des moteurs assez facile ◼ Grandes réserves gaz naturel ◼ Réduction des émissions faibles de CO2 et de polluants (e.g. PM) Moteurs bi-fuels (ici VW) ◼ Objectif: optimisation du rendement du moteur: réduction de 5 à 10% des émissions de CO2 par rapport au moteur diesel ◼ Souhait de la CE: substitution progressive : 2% en 2010, 5% en 2015 et 10% en 2020 Etat de la situation Court terme Moyen terme Bus roulant au gaz naturel Long terme 49 MOTEURS AU GAZ NATUREL ◼ DÉFIS MAJEURS: U N I V E R S I T E de L i è g e ◼ Accroître l’efficacité : ◼ ◼ ◼ ◼ Satisfaire les normes d’émissions plus sévères: EURO VI and VI+ ◼ ◼ ◼ Stratégies d’injection spécifiques Contrôle de la combustion Système d’injection Bi fuel passenger car (VW Touran) Contrôle des émissions de CH4 Développement d’un traitement des gaz d’échappement spécifique Développement des systèmes de stockage du CNG/LNG ◼ ◼ CNG et/ou LNG Connection standardisée CNG bus Etat de la situation Court terme Moyen terme Long terme 50 MOTEURS AU GAZ NATUREL ◼ Questions supplémentaires U N I V E R S I T E de L i è g e ◼ ◼ Temps de remplissage Choix entre NG compressé (CNG) (@200/350/800 bars) ou liquéfié (LNG) (@-120°C/160°C) ◼ ◼ ◼ ◼ ◼ Préserver l’autonomie Développement d’un réseau de stations de remplissage Analyse du cycle de vie (LCA) global Développement des questions de sécurité Education et formation du personnel LNG Gas hose LNG and CNG gas stations Etat de la situation Court terme Moyen terme Long terme 51 MOTEURS DEDICACES AU GAZ NATUREL ◼ Moteurs duel fuel évolution du moteur à allumage U N I V E R S I T E de L i è g e commandé (à essence) Etat de la situation Court terme Moyen terme Long terme 52 MOTEURS DEDICACES AU GAZ NATUREL ◼ Moteurs duel fuel évolution du moteur à allumage U N I V E R S I T E de L i è g e commandé (à essence) Etat de la situation Court terme Moyen terme Long terme 53 CNG: DUAL FUEL (DIESEL – CNG) ◼ Une seconde approche U N I V E R S I T E de L i è g e (assez naturelle) pour convertir les moteurs au CNG est le système duel fuel CNG+ Diesel ◼ CNG est admis avec la charge fraiche ◼ Le CNG est comprimé mais ne s’allume pas ◼ L’injection pilote de Diesel démarre la combustion du Diesel et du CNG. Etat de la situation Court terme Moyen terme Long terme 54 Moteurs dédiés au gaz naturel ◼ Le rendement du moteur pourrait réduire les U N I V E R S I T E de L i è g e émissions ◼ ◼ ◼ Réduction des émissions de CO2 (-10%) Pollution de l’air (PM: -95%) Réduction du bruit (-6dB) IVECO Stralis Cursor 11 Etat de la situation Court terme Moyen terme Long terme 55 GAZ NATUREL: CNG U N I V E R S I T E de L i è g e Questions à résoudre ◼ Emissions de CH4 et développement de systèmes de post traitement spécifiques ◼ Réseau des stations de remplissage toujours en construction : 68 stations services en Belgique (principalement en Flandre) CNG (200/350/800 bar) : Volume par unité d’énergie trop grand ➔ Limitation de l’autonomie : 300 à 400 km ◼ Etat de la situation Court terme Moyen terme Long terme 56 GAZ NATUREL: LNG U N I V E R S I T E de L i è g e Questions à étudier ◼ LNG (3 bars @ -143°C / 8 bars @-130°C): Volume réduit par 2.4 ➔ Extension de l’autonomie à 700 ou 800 km et au-delà ◼ Réseau de stations de remplissage n’existe pas encore en Belgique ◼ Développements technologiques pour les moteurs (e.g. injection du carburant) sont nécessaires Etat de la situation Court terme Moyen terme Long terme 57 GAZ NATUREL: CNG & LNG ◼ Forte croissance du CNG U N I V E R S I T E de L i è g e en Asie et en Amérique du Sud ◼ En Europe, croissance emmenée par l’axe Italie, Susse, Allemagne, Scandinavie ◼ Mise en place d’un réseau de stations suffisamment dense ◼ Croissance de l’ordre de 10% ◼ Etat de la situation Court terme Source: International Association for Natural Gas Vehicles Moyen terme Long terme 58 AMELIORATION DU TRANSPORT LONG COURRIER U N I V E R S I T E de L i è g e Objectif : réduire les émissions de CO2 de 10 à 15% ◼ Aérodynamique ◼ Moteur à haut rendement: ◼ ◼ Moteur beltless Gaz naturel ◼ Récupération de l’énergie des gaz d’échappement ◼ Systèmes de dépollution ◼ Aide à la conduite: eHorizon 58 Etat de la situation Court terme Moyen terme Long terme 59 U N I V E R S I T E de L i è g e Comment améliorer encore l’efficacité des véhicules? Etat de la situation Court terme Moyen terme Long terme 60 EQUATION DE MOUVEMENT DU VEHICLE Faero = ½ S Cx V2 U N I V E R S I T E de L i è g e Cx~ 0.25 à 0.40 Finiertie = m . a Froulement = mg (Fr0 + Fr2V2) Fr0 = 0.0062 to 0.015 Fpente = m . g . sin Ftraction = m a + Fgrade + Frolling + Faero Ptraction = Ftraction . V Etat de la situation Court terme Moyen terme Long terme 61 PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT DES NOUVEAUX SYSTEMES DE PROPULSION Couper le moteur à l’arrêt U N I V E R S I T E de L i è g e Réduction de masse, du S Cx, de la résistance des pneumatiques… Electrification des accessoires Carburants avec moins de carbone Simplification & amélioration Récupération d’énergie au freinage de la transmission Améliorer le rendement du moteur, downsizing du moteur, réduction des frottements internes Etat de la situation Court terme Moyen terme source: www.nrel.org Long terme 62 REDUIRE LES EMISSIONS DE CO2 U N I V E R S I T E de L i è g e Etat de la situation Court terme Moyen terme Long terme 63 FONCTIONNEMENT DES VEHICULES ◼ Problème du fonctionnement des systèmes de U N I V E R S I T E de L i è g e propulsion: la très grande variabilité des régimes de fonctionnement ◼ Objectif: dimensionner à la puissance moyenne! ◼ Moyen: stocker l’énergie véhicule hybride Source G. Coquery, INRETS Etat de la situation Court terme Moyen terme Long terme 64 REDUIRE LES EMISSIONS DE CO2 ◼ Moteurs à combustion interne brûlant des gaz propres U N I V E R S I T E de L i è g e ◼ ◼ Hydrogène (H2) Gaz naturel (CH4) ◼ Voitures électriques ◼ ◼ Nouvelles générations de stockage de l’électricité: batteries, supercapacités, volant d’inertie… Nouvelles machines électriques ◼ Véhicules hybrides ◼ ◼ Véhicules hybrides électriques Véhicules hybrides hydrauliques, pneumatiques… ◼ Les piles à combustibles Etat de la situation Court terme Moyen terme Long terme 65 U N I V E R S I T E de L i è g e LE VEHICULE ELECTRIQUE Né pour la ville Etat de la situation Court terme Moyen terme Long terme 66 VEHICULE ELECTRIQUE ◼ Avantages U N I V E R S I T E de L i è g e ◼ Bien adaptée à un usage urbain ◼ ◼ ◼ Zéro pollution locale Grand confort de conduite Bonne efficacité énergétique ◼ Prix de l’énergie plus faible : 20 kWh/100 km ◼ Désavantages: ◼ Nouvelle discipline à acquérir ◼ ◼ ◼ ◼ Temps de recharge (1 à 6 heures) Autonomie entre 130 km et 200 km (dépendante des conditions climatiques) Véhicules plus petits Offre encore limitée 66 Etat de la situation Court terme Moyen terme Long terme 67 VEHICULE ELECTRIQUE ◼ Applications urbaines sont ciblées U N I V E R S I T E de L i è g e ◼ ◼ ◼ ◼ Infrastructure de recherche est en cours de déploiement mais limitée: ◼ ◼ Infrastructure publique v.s. stations de recharge privée Batteries: nouveaux développements ◼ ◼ ◼ ◼ ◼ Confort de conduit et efficacité Low emission zones (LEZ) Livraisons urbaines, nocturnes Sensibilité à la température Recyclage Batteries au graphène : +45% de capacité / recharge 12 fois plus rapide… Quand la technologie sera-t-elle disponible? Recherches futures : ◼ ◼ Recherche rapide par induction Autoroute électrifiée par Siemens 67 Etat de la situation Court terme Moyen terme Long terme 68 LES VEHICULES ELECTRIQUES U N I V E R S I T E de L i è g e Renault Twizzy, Zéro, Fluence, Kangoo BMW i3, i8… Nissan Leaf Smart EV Tesla 68 Etat de la situation Court terme Moyen terme Long terme 69 LES VEHICULES ELECTRIQUES: SITUATION ACTUELLE U N I V E R S I T E de L i è g e 69 Etat de la situation Court terme Moyen terme Long terme 70 RÉINVENTER LE CONCEPT DE VÉHICULE AVEC LA MOTORISATION ÉLECTRIQUE! ◼ Evolution vers des plus petits véhicules à vocation U N I V E R S I T E de L i è g e urbaine 70 Etat de la situation Court terme Moyen terme Long terme 71 CHAÎNES DE TRACTION ÉLECTRIQUE ◼ L’architecture de base de la chaîne de traction électrique U N I V E R S I T E de L i è g e telle que montée habituellement sur les véhicules légers ou lourds tels que les véhicules industriels (ex. chariots élévateurs) et vélos/vélomoteurs électriques Source d’énergie électrique : batteries ou réseau Etat de la situation Unité de gestion de l’énergie Court terme Machine électrique Moyen terme Transmissions et trains roulants Long terme 72 EFFICACITE DES VEHICULES ELECTRIQUES ◼ Rendement Moteur U N I V E R S I T E de L i è g e Electrique: 90% ◼ Electronique de Puissance: 95% ◼ Batteries: Charge décharge (Li-ion): 95% ◼ Total: 81% ◼ Réseau Electrique: 95% ◼ Production Combinée: 50% ◼ Total : 38,5%! 72 Etat de la situation Court terme Moyen terme Long terme RÉINVENTER LE CONCEPT DE VÉHICULE AVEC LA MOTORISATION ÉLECTRIQUE! 73 U N I V E R S I T E de L i è g e ◼ Avec des moteurs électriques il est possible d’imaginer mettre un moteur sur chaque degré de liberté (roue ou essieu) à actionner selon un principe qui est maintenant cher à la mécatronique ◼ L’idée d’une motorisation électrique permet de remettre en cause l’existence de plusieurs organes mécaniques: embrayage, boîte de vitesses, différentiel mécanique… ◼ L’arrangement des volumes est alors fortement dominé par la position des batteries et pas par celle du moteur. ◼ On imagine aujourd’hui de nouveaux concepts de mobilité 73 Etat de la situation Court terme Moyen terme Long terme 74 Evolution des batteries et systèmes de stockages d’énergie U N I V E R S I T E de L i è g e Spec. En. [Wh/kg] En. Dens. [Wh / l] Spec. Pow. # Cycles [W /kg] [Cycles] Cost [$/kWh] VRLA 30-45 60-90 200-300 400-600 150 Ni-Cd 40-60 80-110 150-350 600-1200 300 Ni-Zn 60-65 120-130 150-300 300 100-300 Ni-MH 60-70 130-170 150-300 600-1200 200-350 Zn–Air 230 269 105 NA 90-120 Al–Air 190-250 190-200 7-16 NA NA Na–S 100 150 200 800 250-450 Na-NiCl2 86 149 150 1000 230-350 Li-ions 90-130 140-200 250-450 800-1200 >200 USABC 200 300 400 1000 <100 Comparison of HEV batteries by Chan & Chau 2001 74 Etat de la situation Court terme Moyen terme Long terme 75 BATTERIES NI MÉTAL HYDRURE (NIMH) ◼ Un métal spongieux absorbe et restitue les atomes U N I V E R S I T E de L i è g e d’hydrogène Charge MH2 M + 2H 2 H + 2 OH- 2 H2O + 2 e- K+ + OH- + H2O KOH + H2O 2 NiO(OH) + 2 H2O + 2e- 2Ni(OH)2 + 2OH- Décharge Etat de la situation Court terme Moyen terme Long terme 76 BATTERIES LI IONS ◼ Echange par intercalation d’ions lithium entre une anode U N I V E R S I T E de L i è g e en carbone et une cathode formée d’un oxyde métallique LixC + Li1− x M yOz C + LiM yOz Etat de la situation Court terme Li( y + x )C6 + Li[1−( y − x )]CoO2 → LiyC6 + Li(1− y )CoO2 Moyen terme Long terme 77 LE PROBLÈME DES BATTERIES Carburant U N I V E R S I T E de L i è g e Energie spécifique du carburant [W.h/kg] Rendement [%] Energie spécifique à la roue [W.h/kg] Consommation [L/100 km] ou [kWh/100 km] Autonomie (pour 100kg) Acide Pb Li-Ions Essence Diesel 35 120 11.833 11.667 80% 80% 12% – 20% 18% 24% 28 96 1420 2366 2100 2800 25kWh/ 100km 25kWh/ 100km 8l/100km 6l/100km 14 km 48 km 1666 km 2008 km Facteur 200! 77 Etat de la situation Court terme Moyen terme Long terme 78 Les 6 défis des batteries ◼ Améliorer l’autonomie = augmenter U N I V E R S I T E de L i è g e l’énergie et la puissance spécifique ◼ Allonger la durée de vie ◼ Raccourcir le temps de recharge ◼ Rendre les batteries plus sûres et fiables ◼ Abaisser le coût et économiser les matériaux ◼ Organiser le recyclage 78 Etat de la situation Court terme Moyen terme Long terme 79 Effet de la profondeur de décharge ◼ Les décharges profondes endommagent les batteries et U N I V E R S I T E de L i è g e diminuent significativement la durée de vie L. Serraro, Z. Chehab, Y. Guezennec and G. Rizzoni, An Aging Model fo Ni-MH Batteries for Hybrid Electric Vehicles, IEEE VTS Vehicle Power and Propulsion Conference, July, 2005. 79 Etat de la situation Court terme Moyen terme Long terme 80 Effet de la température ◼ En condition de froid sévère, le véhicule électrique peut U N I V E R S I T E de L i è g e perdre jusqu’à 50% de sa puissance Puissance en fonction de la température d’après Steven Vance, Parallel-Cell Connection in Lithium-Ion Battery, Kettering University Senior Thesis, 12/08 80 Etat de la situation Court terme Moyen terme Long terme 81 Effet de la température ◼ La batterie doit être finement régulée en température. U N I V E R S I T E de L i è g e Un fonctionnement à haute température dégrade fortement la durée de vie L. Serraro, Z. Chehab, Y. Guezennec and G. Rizzoni, An Aging Model fo Ni-MH Batteries for Hybrid Electric Vehicles, IEEE VTS Vehicle Power and Propulsion Conference, July, 2005. 81 Etat de la situation Court terme Moyen terme Long terme 82 Supercapacité ◼ Condensateur U N I V E R S I T E de L i è g e ◼ ◼ ◼ = Condensateur électrostatique Composant essentiel en électronique Capacité ~ pF to µF ◼ Super capacité à Double Couche Électrolytique (EDLC) or ultra / supercapacitors ◼ Capacité ~ F – kF ◼ Principe: double couche électrolytique de Helmotz ◼ Très hautes capacités obtenue en minimisant la distance entre porteurs de charge et en maximisant la surface d’interface 82 Etat de la situation Court terme Moyen terme Long terme 83 Supercapacité U N I V E R S I T E de L i è g e ◼ Double couche électrochimique à l’interface électrolyte électrodes ◼ Électrodes poreuses (charbon actif): surface de contact électrolyte - électrodes (A) plus élevée (3000m2/g) ◼ Distance d très courte entre les charges opposées dans chaque couche (de l’ordre de 0,3 à 0,5 nanomètres) ◼ Mais tension de cellule assez faible: 1 à 2.5V C= r A d 1 E = CV 2 2 83 Etat de la situation Court terme Moyen terme Long terme Supercapacité 84 U N I V E R S I T E de L i è g e ◼ Les supercapacités se distinguent des autres classes de systèmes de stockage d’énergie comme les batteries ◼ Supercapacités ◼ ◼ ◼ ◼ ◼ Absorption/restitution d’énergie à très grande vitesse: Densité de puissance ~ 1-10 kW/kg Moins bonne densité d’énergie (< 10 Wh/kg) Grand courant de charge / décharge : 1000 A Grande durée de vie: > 100 103 cycles de charge décharge Meilleures performances de recyclage 84 Etat de la situation Court terme Moyen terme Long terme 85 Batteries – Diagramme de Ragone U N I V E R S I T E de L i è g e 85 Etat de la situation Court terme Moyen terme Long terme 86 LES SYSTEMES DE STOCKAGE D’ENERGIE HYBRIDES ◼ Combiner différents systèmes de stockages d’énergie U N I V E R S I T E de L i è g e ◼ Batteries: ◼ ◼ Supercondensateur: ◼ ◼ ◼ Systèmes de stockage de base Capter les pics de courant, les hautes fréquences Durée de vie!!! Pile à combustible: ◼ Etat de la situation Stockage à long terme Court terme Moyen terme Long terme 87 VOITURE ELECTRIQUE U N I V E R S I T E de L i è g e ◼ Problème principal = le batteries! ◼ Barrière technologique: pas d’amélioration spectaculaire prévisible dans un roche avenir ◼ Applications viables: véhicules ferroviaires où l’énergie électrique disponible via réseau VEHICULE HYBRIDE Etat de la situation Court terme Moyen terme Long terme 88 U N I V E R S I T E de L i è g e LE VEHICULE HYBRIDE 88 Etat de la situation Court terme Moyen terme Long terme 89 AMELIORER L’EFFICACITE ENERGTIQUE DES VEHICULES ◼ Difficulté majeure des systèmes de propulsion : La très U N I V E R S I T E de L i è g e grande variabilité des conditions de fonctionnement (puissance, couple, régime) ◼ ◼ ◼ Objectif: dimensionner au plus près des besoins moyens de puissance! Approche : stocker l’énergie ➔ Batteries Récupérer l’énergie : deux systèmes de conversions Source G. Coquery, INRETS ◼ Véhicule hybride: combine deux sources d’énergie, de stockage et de conversion Etat de la situation Court terme 89 Moyen terme Long terme 90 Hybrides: comment ça marche? U N I V E R S I T E de L i è g e ◼ SYSTÈME ÉLECTRIQUE ◼ Récupérer (partiellement) l’énergie du freinage ◼ Stockage dans l’accumulateur ➔ Lissage des pics de puissance ➔ Réduction taille du moteur ◼ Prend en charge les phases les plus défavorables de fonctionnement 150 Puissance Machine électrique [kW] ◼ 100 50 0 -50 -100 -150 0 200 400 600 800 Temps [s] MOTEUR THERMIQUE ◼ Réduction de cylindrée en préservant le couple ◼ Fonctionnement dans sa meilleure plage de rendement et de moindres émissions ◼ Augmentation de l’autonomie 90 Etat de la situation Court terme Moyen terme Long terme 1000 91 VEHICULES HYBRIDES ELECTRIQUES U N I V E R S I T E de L i è g e Toyota Prius Golf GTE Volvo XC60 ◼ Hyundai Ioniq Le succès commercial est en train de venir (e.g. Toyota Prius II, Honda Insight, Lexus RX400h, Chevrolet VOLT, VW GTE…) 91 Etat de la situation Court terme Moyen terme Long terme 92 CHAÎNES DE TRACTION ÉLECTRIQUE HYBRIDE ◼ TRACTION BI-MODE ou HYBRIDE PARALLELE U N I V E R S I T E de L i è g e ◼ La traction thermique est utilisée hors des villes tandis que la traction électrique s’utilise en ville 92 Etat de la situation Court terme Moyen terme Long terme 93 CHAÎNES DE TRACTION ÉLECTRIQUE HYBRIDE ◼ TRACTION HYBRIDE SERIE U N I V E R S I T E de L i è g e ◼ ◼ Le moteur thermique (à piston ou turbine à gaz) entraîne un groupe électrogène qui recharge en permanence un groupe de batteries. Les batteries débitent sur un moteur électrique de traction 93 Etat de la situation Court terme Moyen terme Long terme 94 VEHICULES HYBRIDES ELECTRIQUES SERIE ◼ Taux d’hybridation (%) : Chemical U N I V E R S I T E de L i è g e Τs = PAPU / Pe, Engine ◼ PAPU : puis. max source primaire (moteur à piston) Generator ◼ Pe : puis. max moteur électrique ◼ ZEV (km) possible sur de courte distance Node ◼ Charge des batteries M/G ◼ Freinage régénératif (machine électrique génératrice) ◼ Si utilisation de la génératrice seulement : charge sustaining Wheels ◼ Si recharge possible avec le réseau électrique aussi : charge depleting / plug in hybrids ◼ Extension possible aux piles à combustible Electrical Mechanical Battery 94 Etat de la situation Court terme Moyen terme Gruau MicroBus Long terme 95 EFFICACITE DES VEHICULES HEV SERIE U N I V E R S I T E de L i è g e ◼ ◼ ◼ ◼ ◼ ◼ Rendement Optimal MCI: 40% Rendement Génératrice: 95% Batteries: Charge décharge (Li-ion): 95% Moteur électrique et son électronique de Puissance: 95% Rendement Transmission: 96% Total: 33% 95 Etat de la situation Court terme Moyen terme Long terme 96 VEHICULES HYBRIDES ELECTRIQUES PARALLELE U N I V E R S I T E de L i è g e ◼ ◼ ◼ ◼ Τp = Pe / (Pe + Pt), ◼ Pt : puis. max moteur ◼ Pe : puis. max mot. électrique ◼ Micro < mild < full Mode ZEV (km) est possible en zone urbaine Pour rencontrer les pics de puissance, l’opération simultanée des 2 moteurs est possible (mode parallèle) Transition entre modes et gestion de l’énergie complexes Charge sustaining / depleting Chemical Tank ◼ Taux d’hybridation (%) : Electrical Engine Mechanical Gear change Battery M/G Node Differential Eng ne Wheels VW Lupo hybride Green Propulsion 60 g CO2/km 96 Etat de la situation Court terme Moyen terme Long terme 97 VEHICULES HYBRIDES ELECTRIQUES « DOUX » ◼ Architecture « douce » U N I V E R S I T E de L i è g e Petites machines électriques (~10 kW) ◼ Fonction Stop & start ◼ Faible capacité de freinage régénératif ◼ Assistance pour la source principale ◼ Replace le volant d’inertie moteur, le démarreur et l’alternateur ◼ PAS de mode électrique pur significatif Tank ◼ Chemical Engine Battery Electrical Node M/G Mechanical Transmission Wheels Honda Insight 97 Etat de la situation Court terme Moyen terme Long terme 98 VEHICULE HYBRIDES COMPLEXES Generator ◼ V.S. aux hybrides séries U N I V E R S I T E de L i è g e Plus petites machines Battery électriques ◼ Meilleure efficacité globale ◼ V.S. aux hybrides parallèles ◼ Pas besoin d’une boîte de vitesse ◼ Transitions plus douces ◼ V.S. aux hybrides complexes ◼ Contrôle du moteur retrouvé ◼ Accouplement bloqué à forte puissance ◼ Etat de la situation Court terme Tank Engine Clutch Chemical M/G Electrical Differential Mecanical Wheels Renault Kangoo Hybrid Moyen terme Green Propulsion Long terme 99 VEHICULES HYBRIDES HYDRAULIQUES ◼ Autre stockage énergie: U N I V E R S I T E de L i è g e hydraulique ◼ Faible énergie spécifique: ◼ hybride doux ◼ assistance ◼ Forte densité de puissance ◼ Adapté aux véhicules lourds ◼ Aux véhicules urbains avec arrêts fréquents et accélérations intensives ◼ Nouveaux développements de moteurs pompes, d’accumulateurs hydrauliques peu coûteux Smart Truck Etat de la situation Court terme Moyen terme 99 Long terme 100 VEHICULES HYBRIDES HYDRAULIQUES U N I V E R S I T E de L i è g e Accumulateur à vessies Trans Moteur pompe réversible à haut rendement 100 Etat de la situation Court terme Moyen terme Long terme 101 ◼ VEHICULES HYBRIDES ELECTRIQUES : CHARGE SUSTAINING VS PLUG-IN U N I V E R S I T E de L i è g e Charge sustaining: ◼ L’énergie est produite totalement à bord par le moteur seul. ◼ Adaptation facile des utilisateurs ◼ Amélioration limitée de l’efficacité énergétique ◼ Dépendance au pétrole ◼ Plug-in hybrid: ◼ ◼ Source: Toyota Etat de la situation Court terme ◼ L’énergie est produite soit à bord et dans l’énergie du réseau électrique ➔ accès aux sources renouvelables Autonomie prolongée et performance basse émission Consommation d’énergie en: 101 l/100km et kWh/100km Moyen terme Long terme 102 PLUG-IN HYBRIDS U N I V E R S I T E de L i è g e Opel Ampera Toyota Prius Plug-in hybrid VW Passat GTE Porsche Cayenne S E Hybrid 102 Etat de la situation Court terme Moyen terme Long terme 103 DE L’UTILITE DE RECHARGER A LA PRISE 200 175 150 Energ prod. Vehicle use Prod./recycling 125 100 75 50 25 Source: www.green propulsion.be pl ug -in el l, Fu el c su st ai ni ng pl ug -in H yb rid , H yb rid , LP G 1. 2 di es el ci D 1. 5 ga so lin e 0 1. 2 U N I V E R S I T E de L i è g e Total CO2 emissions (g/km) 225 Renault Kangoo Hybrid Green Propulsion 103 Etat de la situation Court terme Moyen terme Long terme 104 INTÉGRATION DU VE ET PHEV DANS LE RÉSEAU ◼ Le courant de nuit est le carburant des véhicules électriques U N I V E R S I T E de L i è g e Thomas Schneider, Transportation Efficiency Through Electric Drives and the Power Grid, Capitol Hill Forum, Plug-in Hybrid 104 10, 2007. Electric Vehicles: Towards Energy Independence, July Etat de la situation Court terme Moyen terme Long terme 105 INTÉGRATION DU VE ET PHEV DANS LE RÉSEAU ◼ U N I V E R S I T E de L i è g e A contrario, les batteries des VE et des PHEV sont une source de puissance de réserve pour niveler les pics de demande de puissance dans le réseau Harold Adams, Planning Considerations for a Carbon Constrained Grid, 10/2007 105 Etat de la situation Court terme Moyen terme Long terme 106 INTÉGRATION DU VE ET PHEV DANS LE RÉSEAU U N I V E R S I T E de L i è g e Mehdi Ferdowski, Plug-in Hybrid Vehicles –A vision for the Future, 2007 IEEE VPPP 106 Etat de la situation Court terme Moyen terme Long terme 107 VEHICULES FERROVIAIRES HYBRIDES U N I V E R S I T E de L i è g e ◼ Sans système de stockage, la récupération d’énergie est faible Etat de la situation Headway (s) 240 420 600 Line receptivity 83% 72% 63% Court terme Moyen terme Long terme 108 VEHICULES FERROVIAIRES HYBRIDES U N I V E R S I T E de L i è g e ◼ Introduction d’un système de stockage à bord et dans les sous-stations pour améliorer le rendement énergétique Etat de la situation Court terme Moyen terme Long terme 109 LOCOMOTIVE HYBRIDE Économie de carburant : 41% U N I V E R S I T E de L i è g e Économie de maintenance :14% Réduction des polluants de mission : 55% Etat de la situation Court terme Moyen terme Long terme 110 U N I V E R S I T E de L i è g e LE VÉHICULE À PILE À COMBUSTIBLE Le futur Etat de la situation Court terme Moyen terme Long terme 111 PILES A COMBUSTIBLE: C’EST QUOI? ◼ Système de conversion directe de U N I V E R S I T E de L i è g e l’énergie d’un combustible en électricité ◼ Réaction électrochimique (oxydo- réduction) sans flamme ◼ La pile à hydrogène H2 – O2 : réaction inverse de l’électrolyse de l’eau ◼ Réactifs introduits et renouvelés tandis que les produits de réaction enlevés en continu ◼ Rendement élevé (~50%) ◼ Coût des électrodes: métaux précieux Etat de la situation Court terme Moyen terme Long terme 112 PILES A COMBUSTIBLE A HYDROGENE ◼ Avantages: U N I V E R S I T E de L i è g e Fonctionnement silencieux ◼ Rendement théorique élevé (supérieur à 50%) ◼ Pas de rejet direct de polluants ◼ Inconvénients: ◼ Coût des électrodes ◼ Pureté des combustibles ◼ On distingue actuellement différents types de piles à combustibles ◼ Piles PEM (polymer exchange membrane) ◼ Pile au Méthanol Direct ◼ … ◼ Etat de la situation Court terme Moyen terme Long terme 113 VEHICULES A PILES A COMBUSTIBLE ◼ Véhicule zéro émission: U N I V E R S I T E de L i è g e Pas de rejet sauf H2O ◼ Opération quasi silencieuse ◼ Configuration généralement hybride série ◼ Batterie de stockage ou supercapacité ◼ Récupération d’énergie au freinage ◼ Downsizing de la pile ◼ Autonomie : 400-500 km ◼ Hydrogène ◼ H2 ou double énergie (réseau + H2) ◼ H2 production et distribution? Tank Chemical ◼ Fuel cells Node Electrical Battery Mechanical M/G Toyota Mirai Wheels 113 Etat de la situation Court terme Moyen terme Long terme 114 VEHICULES A PILES A COMBUSTIBLE ◼ U N I V E R S I T E de L i è g e ◼ ◼ ◼ ◼ ◼ Rendement Pile à Combustible: 55% Rendement Convertisseur DC/DC: 95% Batteries: Charge décharge (Liions): 95% Moteur électrique et son électronique de puissance: 95% Rendement Transmission: 96% Total: 45% Tank Chemical Fuel cells Node Electrical Battery Mechanical M/G Toyota Mirai Wheels Rendement production H2 (reformage du CH4) : 80% ◼ Total : 36% ◼ 114 Etat de la situation Court terme Moyen terme Long terme 115 EST CE QUE L’HYDROGÈNE EST CARBURANT SUR? U N I V E R S I T E de L i è g e Fuel leakage Simulation. Dr. Michael Swain. Experiment on fuel leakage and burning car conducted with the University of Miami at Coral Gables. Lighter than air Fuel tank punctured 0 seconds Fuel set on fire 3 seconds Fuel tank burning 60 seconds 115 Etat de la situation Court terme Moyen terme Long terme 116 VEHICULES A PILES A COMBUSTIBLE U N I V E R S I T E de L i è g e 116 Etat de la situation Court terme Moyen terme Long terme 117 Marché et applications mobiles U N I V E R S I T E de L i è g e Programme CUTE: clean Urban Transport Zaphira Marathon Etat de la situation Court terme Moyen terme Long terme 118 TOYOTA MIRAI U N I V E R S I T E de L i è g e ◼ Lancée en 2015, la voiture intègre le meilleure des technologies TOYOTA ◼ Disponible à l’achat (78.000 euros) ou sous forme de leasing Etat de la situation Court terme Moyen terme Long terme 119 TOYOTA Mirai U N I V E R S I T E de L i è g e Toyota Mirai Commercialisée depuis 2015 (Japan) http://www.toyota-global.com/innovation/environmental_technology/fuelcell_vehicle/index.html 119 Etat de la situation Court terme Moyen terme Long terme 120 VEHICULES A PILES A COMBUSTIBLE ◼ Pourquoi le véhicule pile à combustible: U N I V E R S I T E de L i è g e ➔ Autonomie et coût ! 120 Source: Toyota Etat de la situation Court terme Moyen terme Long terme 121 PRODUCTION D’HYDROGENE U N I V E R S I T E de L i è g e ◼ Électrolyse de l’eau ◼ Dépend des émissions moyennes de la production d’électricité ◼ Faible 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 pétrole ◼ Production de CO2 quand même et utilisation de carburant fossile ◼ Émissions en amont ◼ Semble le plus intéressant aujourd’hui ◼ Récupération d’hydrogène « perdu » dans des processus ◼ Poly génération ◼ Production de chaleur, d’énergie et de fuel dans des grosses installations avec éventuellement capture du CO2 et des polluants Etat de la situation Court terme Moyen terme Long terme 122 HYDROGENE U N I V E R S I T E de L i è g e Les gains au niveau des émissions de CO2 par rapport au reformage RFG aux USA Etat de la situation Court terme Moyen terme Long terme 123 PRODUCTION D’HYDROGENE U N I V E R S I T E de L i è g e Etat de la situation Court terme Moyen terme Long terme 124 U N I V E R S I T E de L i è g e Comparaison des solutions: indice d’éco efficacité Etat de la situation Court terme Moyen terme Long terme 125 ETUDE DU CYCLE DE VIE ◼ La comparaison objective des différentes solutions doit U N I V E R S I T E de L i è g e être basée sur le cycle de vie complet du véhicule et du carburant ◼ Production du véhicule et de la motorisation ◼ Émissions du puit à la roue (Well to wheel emissions) du carburant ◼ ◼ Émissions au pot d’échappement Préparation du fuel ou de l’énergie ◼ ◼ ◼ ◼ ◼ Pétrole (essence / diesel) Électricité (batteries, charge depleting hybrid) Hydrogène (moteur à piston ou pile à combustible) Extraction du carburant primaire Recyclage du véhicule ◼ Les résultats sont parfois surprenants et sont parfois contraires aux idées reçues! Etat de la situation Court terme Moyen terme Long terme 126 DE L’UTILITE DE RECHARGER A LA PRISE 200 175 150 Energ prod. Vehicle use Prod./recycling 125 100 75 50 25 Source: www.green propulsion.be Etat de la situation Court terme pl ug -in el l, Fu el c su st ai ni ng pl ug -in H yb rid , H yb rid , LP G 1. 2 di es el ci D 1. 5 ga so lin e 0 1. 2 U N I V E R S I T E de L i è g e Total CO2 emissions (g/km) 225 Renault Kangoo Hybrid Green Propulsion Moyen terme Long terme 127 ETUDE DU CYCLE DE VIE – ELECTRICITE - HYDROGENE ◼ Émissions de la production d’électricité : U N I V E R S I T E de L i è g e ◼ ◼ Renouvelable + mix traditionnel Variable selon ◼ ◼ ◼ le moment de la journée (jour / nuit) le lieu: mix suédois: 19 g CO2/kW.h vs mix grec: 1111 g CO2/kW.h Émissions en amont de la centrale? ◼ Émissions pour la production d’hydrogène ◼ Électrolyse de l’eau ◼ ◼ ◼ voir production d’électricité faible efficacité globale (<60%) Reformage d’hydrocabone à partir de gaz naturel ou de pétrole ◼ ◼ Etat de la situation production de CO2 quand même émissions en amont Court terme Moyen terme Long terme 128 U N I V E R S I T E de L i è g e Le prochain défi: l’allègement des véhicules 128 Etat de la situation Court terme Moyen terme Long terme 129 Le prochain défi: le véhicule autonome et l’efficacité du matériau U N I V E R S I T E de L i è g e Source: Ford – Low Cost Carbon for Automotive Applications conference, Liege, 22-11-2012 129 Etat de la situation Court terme Moyen terme Long terme 130 Economie de carburant vs masse du véhicule 80% Micro Cars ev ev ev ev 70% ELECTRICAL 60% 50% 40% 3.3 AL 30% X,Y 3.8 2013 – ECO3 4.3 2011 - ECO2 3.7 4.6 5.3 5.0 4.8 2009 - ECO1 6.0 2000 - TDCI 6.5 1992 - TD 20% 10% 0% -10% -20% -30% -40% -50% Efficient Weight Etat de la situation 2000 1900 1800 1700 1600 1500 1400 1300 1200 1100 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 -60% Relative Efficiency (%) 3.3 FE-W Chart by Dr. M. Belhabib Efficiency improvement (%) U N I V E R S I T E de L i è g e Efficient Propulsion 90% 0.60-1.00 1.00-1.40 1.40-1.80 1.80-2.20 2.20-2.60 2.60-3.00 3.00-3.40 3.40-3.80 3.80-4.20 4.20-4.60 4.60-5.00 5.00-5.40 5.40-5.80 5.80-6.20 6.20-6.60 6.60-7.00 7.00-7.40 7.40-7.80 7.80-8.20 8.20-8.60 8.60-9.00 9.00-9.40 L/100 km Vehicle Mass (Kg) Court terme Moyen terme Long terme 131 Economie de carburant vs masse du véhicule U N I V E R S I T E de L i è g e 0.27 kWh / Mile 0.17 kWh / km 4.25 € / 100 km Eq. 3.8 L /100 km Diesel 0.18 kWh / Mile 0.11 kWh / km 2.75 € / 100 km Eq. 2.5 L /100 km Diesel Etat de la situation Court terme Moyen terme Long terme 132 Effet du poids sur la capacité de la batterie U N I V E R S I T E de L i è g e Etat de la situation Court terme Moyen terme Long terme 133 Le poids influence un grand nombre de propriétés U N I V E R S I T E de L i è g e Vehicle evaluation attributes Weight effect Quite all vehicle attributes are affected by weight Etat de la situation Court terme Moyen terme Long terme 134 MATÉRIAUX POUR L’AUTOMOBILE ◼ Advanced High Strength Steels - Weight savings potential 7 to 10% U N I V E R S I T E de L i è g e ◼ ◼ ◼ ◼ Aluminum - Weight savings potential 40 to 50% ◼ ◼ ◼ Material cost is higher than advanced steels Slight tooling upgrades required Magnesium - Weight savings potential 50 to 60% ◼ ◼ ◼ ◼ Most mature technology Lowest cost alternative Tooling upgrades required Casting is currently the only economically viable manufacturing process Corrosion can be an issue in some applications Material supply base and converters in a state of flux Polymer & Composites - Weight savings potential 10 to 70+% ◼ ◼ ◼ Good supply base for sheet molded composite (SMC) Suitable for appearance and semi-structural applications High performance (Carbon Fiber) materials not affordable at automotive volumes but low cost grades are under development Etat de la situation Court terme Moyen terme Long terme 135 FEUILLE DE ROUTE POUR LES MATERIAUX U N I V E R S I T E de L i è g e Body Interior Body Structures Short & Long term: Aluminum, Mg, Bio Based Plastics Short Term – Increase AHSS, Aluminum Long term – Mg, Carbon Fiber, Natural Fibers Closures Short Term – AHSS, Aluminum, Long term – Magnesium & Reinforced Plastics Powertrain Chassis Short Term – AHSS, Aluminum Long term – Mg, CF Etat de la situation Court terme Short Term – Aluminum Long term – Magnesium Moyen terme Long terme 136 U N I V E R S I T E de L i è g e CONCLUSIONS ET PERSPECTIVES 136 Etat de la situation Court terme Moyen terme Long terme 137 U N I V E R S I T E de L i è g e Des technologies pour chaque besoin 137 Etat de la situation Court terme Moyen terme Long terme 138 SOLUTION OPTIMISEE DEPEND DU PROFIL DE L’UTILISATEUR U N I V E R S I T E de L i è g e Source:ERTARC 138 Etat de la situation Court terme Moyen terme Long terme 139 Réduire les émissions: la feuille de route TOYOTA ◼ La feuille de route Toyota pour la réduction des U N I V E R S I T E de L i è g e émissions de CO2 139 Etat de la situation Court terme Moyen terme Long terme 140 UN GLISSEMENT DANS LES TECHNOLOGIES U N I V E R S I T E de L i è g e Source: VALEO Etat de la situation Court terme Moyen terme Long terme 140 141 UN GLISSEMENT DANS LES TECHNOLOGIES U N I V E R S I T E de L i è g e ◼ CHANGEMENTS DANS LES SYSTEMES DE PROPULSION ◼ Diesel chute mais reste dans les véhicules destinés au longs courriers et les véhicules à bas coût ◼ Le CNG et le LNG fournissent une alternative crédible spécialement dans les véhicules qui ont besoin d’autonomie. ◼ Les véhicules électriques EV gagnent du terrain mais restent axés sur les applications urbaines et sont dans l’attente de nouvelles batteries ◼ Les véhicules Plug-In Hybrid sont le choix qui va s’imposer pour le segment prémium pour passer les tests d’émission avec un coût acceptable ◼ L’hydrogène et la pile à combustible en embuscade pour augmenter l’autonomie des véhicules électriques et zéro émissions 141 Etat de la situation Court terme Moyen terme Long terme 142 U N I V E R S I T E de L i è g e Véhicules autonomes et véhicules électriques 142 Etat de la situation Court terme Moyen terme Long terme 143 VEHICULES AUTONOMES : ETAT DE LA SITUATION 2016 U N I V E R S I T E de L i è g e 143 Etat de la situation Court terme Moyen terme Long terme 144 VEHICULES AUTONOMES : ETAT DE LA SITUATION ◼ Les véhicules autonomes offrent de grandes possibilités U N I V E R S I T E de L i è g e pour façonner des solutions innovantes dans le transport urbain 144 Etat de la situation Court terme Moyen terme Long terme 145 U N I V E R S I T E de L i è g e Le changement de mode de consommation de mobilité 145 Etat de la situation Court terme Moyen terme Long terme 146 MODIFICATION DU MODE DE CONSOMMATION DE MOBILITE U N I V E R S I T E de L i è g e ◼ Les modèles de mobilité et de possession d’un véhicule vont se diversifier ◼ Emergence de nouveaux acteurs 146 Etat de la situation Court terme Moyen terme Long terme 147 Concept de mobilité personnelle ◼ Vision de plus petits véhicules U N I V E R S I T E de L i è g e très mobiles et très intelligents ◼ Motorisation électrique ◼ Batteries ou pile à combustible ◼ Matériaux légers ◼ Adapté à la circulation urbaine Personnal Mobility Concept de Toyota Renault Twizzy 147 Etat de la situation Court terme Moyen terme Long terme 148 U N I V E R S I T E de L i è g e QUESTIONS 148 Etat de la situation Court terme Moyen terme Long terme 149 U N I V E R S I T E de L i è g e Pierre DUYSINX Ingénierie des Véhicules Terrestres Aerospatiale et Mécanique Université de Liège Allée de la Découverte 13A, Bâtiment B52 Quartier Polytech 1 4000 Liège Tél: 04 366 9194 Email: [email protected] 149 Etat de la situation Court terme Moyen terme Long terme
