Progrès technologiques
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Plan de déborah : Progrès technologiques 1 Energies propres Definition A l’énergie solaire A leur composition B leur fonctionnement C avantages et inconvénients B Les éoliennes Fonctionnement Avantages et inconvénients C la géothermie Fonctionnement Avantages et inconvénients D la biomasse E L’eau 2 des transports en commun respectueux de l’environnement Le vélo électrique Fonctionnement Avantages/inconvénients La voiture hybride Fonctionnement Avantages/inconvénients La voiture électrique Fonctionnement Avantages/inconvénients A faire : - - étoffer un peu certaines parties sur l’énergie : ne pas se contenter du fonctionnement et des avantages/contraintes, il faut étudier les différentes utilisations de cette énergie, des chiffres, son état actuel, ses débouchés … Rajouter la biomasse, et l’eau. Faire une conclusion générale sur les énergies, Rajouter des graphiques ; des schémas, sans oublier des préciser les sources Un bilan des énergies actuelles et passées ? Progrès technologiques 1) Energie propre A) L’énergie solaire Les panneaux solaires thermiques, appelés capteurs solaires thermiques ou simplement capteurs solaires, qui convertissent la lumière en chaleur récupérée et utilisée sous forme d'eau chaude et les panneaux solaires photovoltaïques, appelés modules photovoltaïques ou simplement panneaux solaires, qui convertissent la lumière en électricité. Dans les deux cas, les panneaux sont habituellement plats, d'une surface approchant plus ou moins le m² pour faciliter et optimiser la pose. a)Leur composition Panneaux photovoltaïques : Les composants d'un système photovoltaïque dépendent de l'application considérée : habitation isolée ou proximité d'un réseau, utilisation de batterie ou « au fil du soleil », convertisseurs de puissance. Il existe plusieurs composants d'un système photovoltaïque : • Les cellules solaires Une cellule photovoltaïque est assimilable à une diode photosensible, son fonctionnement est basé sur les propriétés des matériaux semi-conducteurs. La cellule photovoltaïque permet la conversion directe de l'énergie lumineuse en énergie électrique. Son principe de fonctionnement repose sur l'effet photovoltaïque.En effet, une cellule est constituée de deux couches minces d'un semi-conducteur. Ces deux couches sont dopées différemment : - Pour la couche N, apport d'électrons périphériques Pour la couche P, déficit d'électrons. Ces deux couches présentent ainsi une différence de potentiel. L'énergie des photons lumineux captés par les électrons périphériques (couche N) leur permet de franchir la barrière de potentiel et d'engendrer un courant électrique continu. Pour effectuer la collecte de ce courant, des électrodes sont déposées par sérigraphie sur les deux couches de semi-conducteur (cf. figure 1). L'électrode supérieure est une grille permettant le passage des rayons lumineux. Une couche anti-reflet est ensuite déposée sur cette électrode afin d'accroître la quantité de lumière absorbée. Figure 1 : Schéma d'une cellule élémentaire. Technologies de cellules solaires Le matériau le plus répandu dans les photopiles ou cellules solaires est le silicium, semi-conducteur de type IV. Il est dit tétravalent, cela signifie qu'un atome de silicium peut se lier avec quatre autres atomes de même nature. On utilise également l'arséniure de gallium et des couches minces comme de CdTe (tellurure de cadmium) et le CIS (cuivre-indium-di sélénium) et encore le CIGS. Il existe plusieurs types de cellules solaires : - Les cellules monocristallines (Ce sont les premières photopiles élaborées à partir d'un bloc de silicium cristallisé en un seul cristal. Elles se présentent sous forme de plaquettes rondes, carrées ou pseudo-carrées. Leur rendement est de 12 à 16% (cf. tableau1). Néanmoins, elles présentent deux inconvénients, leur prix élevé et une durée d'amortissement de l'investissement en énergie élevée.) - Les cellules poly cristallines (Elles sont élaborées à partir d'un bloc de silicium cristallisé en plusieurs cristaux dont les orientations sont différentes. Leur rendement est de l'ordre de 11 à 13% (cf. tableau1) mais elles engendrent un coût de production moins élevé que les cellules monocristallines.) - Les cellules amorphes (Ces cellules sont composées d'un support en verre ou en matière synthétique sur lequel est disposé une fine couche de silicium (l'organisation des atomes n'est plus régulière comme dans un cristal). Leur rendement est de l'ordre de 5 à 10% (cf. tableau1), plus bas que celui des cellules cristallines mais le courant produit est relativement bon marché. Elles sont appliquées dans les petits produits de consommation : montres, calculatrices. Mais peu utilisées dans le cadre des installations solaires. Cependant, elles ont l'avantage de mieux réagir à la lumière diffuse et à la lumière fluorescente et donc, elles sont plus performantes à une température élevée.) - Les cellules CdTe, CIS, CIGS ( Les technologies au CdTe, CIS et CIGS sont en cours de développement ou d'industrialisation. En effet, Les cellules au CdTe sont à base de tellurure de cadmium, matériau intéressant du fait de sa forte absorption. Cependant, leur développement risque de freiner dû à la toxicité du Cadmium. Les cellules au CIS (CuInSe2) sont à base de cuivre, d'indium et de sélénium. Ce matériau a la particularité d'être stable sous rayonnement. Elles ont d'excellentes propriétés d'absorption. Les cellules au CIGS sont constituées des mêmes matériaux que celles au CIS avec comme particularité l'alliage de l'indium au gallium. Ceci permet d'obtenir de meilleures propriétés.) Le tableau suivant présente les rendements typiques et théoriques que l'on peut obtenir avec ces différentes technologies. • Les batteries Le stockage d'énergie dans les systèmes photovoltaïques autonomes est en général assuré par les batteries. Celles-ci sont des éléments essentiels au bon fonctionnement des systèmes autonomes. Le stockage d'énergie représente 13 à 15% des investissements initiaux sur une durée d'exploitation de vingt ans. Elles sont de type plomb-acide (Deux électrodes de plomb et d'oxyde de plomb plongées dans un électrolyte composé d'acide sulfurique dilué.) On utilisera des batteries dans le cas où la demande de puissance est décalée par rapport au soleil. Le choix du type de batterie se fait d'après une approximation de la puissance moyenne journalière et du temps de stockage nécessaire. • Les régulateurs de charge Plusieurs types de régulateurs peuvent être utilisés dans les systèmes photovoltaïques. Le régulateur contrôle les flux d'énergie. Il doit protéger la batterie contre les surcharges (solaires) et décharges profondes (utilisateur). Il doit assurer la surveillance et la sécurité de l'installation. Les régulateurs de charge se caractérisent en trois groupes principaux : -Les régulateurs série , qui incorporent un interrupteur entre le générateur et l'accumulateur pour arrêter la charge. - - --Les régulateurs shunt , dont l'interrupteur court-circuite le générateur solaire en fin de charge. -Les régulateurs à recherche de point de puissance maximum (MPPT ou Maximum Power Point Tracking), qui utilisent un circuit électronique spécial permettant de soutirer en permanence du champ de capteurs sa puissance maximale. • Les convertisseurs Il existe principalement les convertisseurs DC/DC qui fournissent à la charge une tension DC différente de la tension générée par les panneaux et les convertisseurs DC/AC qui produisent une tension alternative pour les charges correspondantes. (DC/DC : Ces convertisseurs sont utilisés pour transformer la tension des batteries en une tension DC différente pour alimenter une radio ou autres. Il y a deux types de convertisseurs actifs ayant un bon rendement : le convertisseur vers le haut et le convertisseur vers le bas : -Convertisseur vers le haut Si l'interrupteur est fermé, l'inductance stocke le courant provenant de la batterie. Si l'interrupteur est ouvert, interruption de courant provoque une surtension dans l'inductance dérivée dans le condensateur et le récepteur. La diode empêche tout retour de courant. Le condensateur sert à lisser la tension de sortie. Le rendement est de 70% et peut atteindre 85 à 90% pour les meilleurs convertisseurs. - Convertisseur vers le bas Il sert à produire une tension plus basse que celle des batteries et il s'applique à l'alimentation de radios et autres. Lorsque l'interrupteur est fermé, le courant circule de la batterie vers le récepteur à travers l'inductance. Si l'interrupteur s'ouvre, la tension aux bornes de l'inductance s'inve rse et la diode protège donc l'interrupteur. Le rendement est de 80 à 90%. DC/AC : Ce sont des onduleurs. Ils peuvent être utilisés pour alimenter une charge isolée mais aussi pour raccorder un générateur photovoltaïque au réseau. La déformation de l'onde due aux commutations est susceptible de produire des perturbations plus ou moins gênantes pour les cellules photovoltaïques. Les normes de construction des panneaux intègrent donc les standards IEEE.Les onduleurs peuvent être classés en générateurs produisant soit une onde sinusoïdale, soit une onde carrée ou une onde dite pseudo-sinusoïdale. Le choix de l'onduleur dépendra des appareils qu'il devra faire fonctionner.) • Autres composants Les derniers éléments indispensables au bon fonctionnement d'un système photovoltaïque autonome sont les protections contre la foudre, les disjoncteurs et les fusibles. Comme les panneaux solaires sont des équipements généralement coûteux, ils doivent être protégés pour éviter toute dégradation. Les dangers sont multiples, perturbations induites par les commutations des convertisseurs de puissance. Dans ce cas, on peut introduire des filtres de puissance pour éliminer les harmoniques, fonctionnement en récepteur : les panneaux se détériorent rapidement quand ils absorbent de la puissance. On peut utiliser des diodes pour empêcher le courant de circuler dans le mauvais sens ou encor comme la foudre. Panneaux solaires thermique : Un capteur solaire thermique est composé d'un corps opaque qui absorbe le rayonnement solaire en s'échauffant, d'un système de refroidissement par le fluide caloporteur, d'un isolant thermique (dos et côtés non exposés), d'une couverture transparente (face avant, exposée au rayonnement) qui assure l'effet de serre, subsidiairement d'un coffrage étanche à l'eau et d'un système de support mécanique de l'ensemble. Les capteurs-plans - ou absorbeur ayant trois fonctions lui incombant, absorber le rayonnement solaire, le transformer en chaleur, transmettre cette chaleur au fluide caloporteur. Il existe deux types de panneaux solaires thermiques : les capteurs à eau et les capteurs à air. Dans les capteurs thermiques « à eau », l'eau ou plus souvent un liquide caloporteur, circule dans des tubes munis d'ailettes en circuit fermé. Pour obtenir un meilleur rendement, l'ensemble est placé dans une boîte vitrée isolante afin d'obtenir un effet de serre. Avec un ensoleillement important, et si les besoins en eau chaude sont modérés, un simple réseau de tubes à ailettes peut suffire. Les ailettes, qui forment ce qu'on appelle l'absorbeur, sont chauffées par le rayonnement solaire et transmettent leur chaleur au liquide caloporteur qui circule dans les tubes. Les capteurs solaires à eau sont utilisés pour produire de l'eau chaude sanitaire (ECS) dans un chauffe eau solaire individuel (CESI). C'est actuellement la solution la plus rentable en termes de solaire. Les systèmes solaires combinés (SSC) commencent à se développer. Ils ont pour objectif de produire de l'eau chaude sanitaire et de l'eau chaude destinée à participer au chauffage du logement. Ces systèmes permettent d'économiser de l'ordre de 350 kWh par an et par m² de capteurs 4. Dans les capteurs thermiques « à air », de l'air circule et s'échauffe au contact des absorbeurs. L'air ainsi chauffé est ensuite ventilé dans les habitats pour le chauffage ou dans des hangars agricoles pour le séchage des productions. En France le « Plan Soleil », lancé en 2000 par l'Agence de l'environnement et de la maîtrise de l'énergie (ADEME) pour les chauffe-eau solaires et la production de chaleur, incite les particuliers à s'équiper en solaire grâce à des aides incitatives de l'État, des Régions, de certains Départements et de certains regroupements communaux. b) Leur fonctionnement (cf doc) c) Avantages et inconvénients Ces panneaux solaires fournissent une énergie propre et inépuisable. Mais comme beaucoup de processus industriels, la fabrication des panneaux solaires présente des risques pour l'environnement, notamment en matière de réchauffement climatique.Cette fabrication (plus transport, pose, etc.) nécessite en outre de l'énergie. Mesurée en nombre d'année de production par le panneau, en 2004, le département Américain de l'Energie estimait cette durée à 4 ans maximum. Les fabricants cherchent à réduire au maximum les coûts et les besoin en matériau (silicium notamment), ce qui a incidemment pour effet de réduire la consommation d'énergie sur le cycle de vie du panneau, réduisant la durée de remboursement de l'énergie investie. Du point de vue du bilan en dioxyde de carbone, sur un cycle de vie de 20 ans, l'émission de CO2 par kWh électrique produit par un panneau photovoltaïque représente selon le type considéré de 7 à 37% des émissions par kWh produit par une centrale thermique classique. B) Les éoliennes Une éolienne est un dispositif qui utilise la force motrice du vent. Cette force peut être utilisée mécaniquement, dans le cas d'une éolienne de pompage, ou pour produire de l'électricité, dans le cas d'un aérogénérateur. On parle de parc éolien ou de ferme éolienne pour décrire les unités de productions groupées (installées à terre ou en mer). Fonctionnement Une éolienne permet de transformer l'énergie cinétique du vent en énergie électrique. Elle se compose des éléments suivants : Un mât permet de placer le rotor à une hauteur suffisante pour permettre son mouvement (nécessaire pour les éoliennes à axe horizontal) et/ou placer ce rotor à une hauteur lui pe rmettant d'être entraîné par un vent plus fort et régulier qu'au niveau du sol. Le mât abrite généralement une partie des composants électriques et électroniques (modulateur, commande, multiplicateur, générateur, etc.). Un rotor, composé de plusieurs pales (en général trois) et du nez de l'éolienne. Le rotor est entraîné par l'énergie du vent, il peut être branché directement ou indirectement à une pompe (cas des éoliennes de pompage) ou plus généralement à un générateur électrique. Le rotor est relié à la nacelle par le moyeu. Une nacelle montée au sommet du mât, abritant les composants mécaniques, pneumatiques, certains composants électriques et électroniques, nécessaires au fonctionnement de la machine. Dans le cas des éoliennes produisant de l'électricité, un poste de livraison situé à proximité du parc éolien permet de relier ce parc au réseau électrique pour y injecter l'intégralité de l'énergie produite. Une éolienne utilisée pour fournir de l'électricité aux réseaux délivre des puissances importantes, de l'ordre de 2 MW à l'intérieur des terres et de 5 MW en mer. Certaines éoliennes produisent directement de l'énergie mécanique sans passer par la production d'électricité, notamment pour le pompage de l'eau dans des lieux isolés. Ce mode de fonctionnement correspond à celui des moulins à vent d'autrefois. Avantage/inconvénient L’énergie éolienne est une énergie renouvelable idéale car il s’agit d’une forme d’énergie indéfiniment durable et propre, elle ne nécessite aucun carburant, elle ne crée pas de gaz à effet de serre (sauf si l'on considère que ce type d'énergie est intermittent et nécessite l'utilisation de centrales thermiques constamment au ralenti afin de réguler les variations imprévisibles de la production éolienne). Ceci est vrai lorsque le nombre d'éoliennes est faible, car plus il y a d'éoliennes, plus ce problème s'autorégule par foisonnement; le vent peut en effet ne pas être constant à un endroit donné, mais sur l'ensemble des parc éoliens la production se rapproche d'une constante. Elle ne produit pas de déchets toxiques ou radioactifs car une éolienne est constituée principalement de béton, de métal et de matière plastique. Une éolienne est en grande partie recyclable car construite en acier. Après son temps de fonctionnement (environ 20 ans), elle est entièrement démontable. On peut même si besoin retirer la fondation en béton. Elle n'aura laissé aucun produit contaminant autour d'elle et pourra être facilement remplacée. Chaque mégawatt-heure d’électricité produit par l’énergie éolienne aide à réduire de 0,8 à 0,9 tonne les émissions de CO2 rejetées chaque année par la production d’électricité d'origine thermique. Mais étant donné que le stockage de l'électricité en grandes quantités (de l'ordre du MWh) est encore très difficile et coûteux à mettre en place, l'énergie éolienne ne peut être utilisée que comme énergie d'appoint et ne pourra jamais subvenir à elle seule aux besoins en électricité (existants même en l'absence de vent). Pour maintenir la production d'électricité lorsque l'énergie éolienne fait défaut, il est nécessaire que le réseau électrique auquel un parc éolien est intégré soit composé également de centrales électriques dites « secondaires », c'est-à-dire à démarrage rapide (par exemple, centrales hydroélectriques ou thermiques). c) la géothermie La géothermie (du grec “Gê”, la terre, et “Thermie”, la chaleur) consiste à capter la chaleur de la croûte terrestre pour produire du chauffage (température inférieure à 90°) ou de l’électricité (température entre 90 et 150°). On distingue trois types de géothermie : -la géothermie peu profonde à basse température ; Les procédés d'extraction de l'énergie diffèrent suivant les solutions retenues par les constructeurs. La méthode utilisée pour assurer les transferts thermiques influe beaucoup sur le rendement de l'ensemble. Comme véhicule thermique on utilise de l'eau ou de l'eau avec un glycol ou directement le gaz frigorigène. La géothermie peu profonde et basse température utilisera donc de plus en plus la chaleur de la terre dans le sol. La profondeur des forages est de 30 à 80 mètres. La profondeur du forage est en fonction du type de géothermie. -la géothermie profonde à haute température ; Les forages sont dans ce cas plus profonds. La profondeur de forage est en fonction de la température désirée et du gradient thermique local qui peut varier sensiblement d'un site à l'autre. (En moyenne 4 °C par 100 m de profondeur). La méthode utilisée pour les transferts thermiques est plus simple (échangeur de température à contre courant) et ne nécessite pas de fluide caloporteur comme cela est le cas avec la géothermie peu profonde basse température. - la géothermie très profonde à très haute température ; Plus on fore profond dans la croûte terrestre, plus la température augmente. En moyenne, l'augmentation de température atteint 20 à 30 degrés par kilomètre. Ce gradient thermique dépend beaucoup de la région du globe considérée. Il peut varier de 3 °C / 100 m (régions sédimentaires) jusqu’à 1 000 °C / 100 m (régions volcaniques, zones de rift comme en Islande ou en NouvelleZélande). On distingue classiquement trois types de géothermie selon le niveau de température disponible à l'exploitation : La géothermie à haute énergie ou géothermie privilégiée exploite des sources hydrothermales très chaudes, ou des forages très profonds où de l'eau est injectée sous pression dans la roche. Cette géothermie est surtout utilisée pour produire de l'électricité. la géothermie de basse énergie : géothermie des nappes profondes (entre quelques centaines et plusieurs milliers de mètres) aux températures situées entre 30 °C et 100 °C. Principale utilisation : les réseaux de chauffage urbain. La géothermie de très basse énergie : géothermie des faibles profondeurs aux niveaux de température compris entre 10 °C et 30 °C. Principales utilisations : le chauffage et la climatisation individuelle par dispositifs thermodynamiques généralement fonctionnant à l’électricité, d'où le terme électro-thermodynamique, appelés plus communément « pompes à chaleurs aérothermiques » (puisant dans l'air extérieur) et « pompe à chaleur géothermique » Par rapport à d’autres énergies renouvelables, la géothermie de profondeur (haute et basse énergie), présente l’avantage de ne pas dépendre des conditions atmosphériques (soleil, pluie, vent). C’est donc une source d'énergie quasi-continue car elle est interrompue uniquement par des opérations de maintenance sur la centrale géothermique ou le réseau de distribution de l'énergie. Les gisements géothermiques ont une durée de vie de plusieurs dizaines d'années (30 à 80 ans en moyenne). Fonctionnement Tout se joue grâce au changement d'état, quand un fluide passe de l'état liquide à l'état gazeux, et inversement. Un long tuyau de polyéthylène ou de cuivre gainé de polyéthylène est enterré dans le jardin. On fait circuler dedans un liquide, qui se réchauffe un peu au contact de la terre. Comme ce liquide a la propriété de se mettre à bouillir à très basse température, il passe alors de l'état liquide à l'état gazeux. Cette vapeur est comprimée par un compresseur situé dans la maison. Le simple fait de la comprimer a pour effet d'augmenter sa température. Elle est alors conduite à un condenseur qui la refait passé à l'état liquide. Lors de ce changement d'état, il se dégage à nouveau de la chaleur, qui est transmise à l’eau de chauffage (radiateur, planché chauffant, ...). Le liquide continue son cycle, et après s'être détendu, repart en circuit fermé rechercher de la chaleur dans la terre du jardin. Il existe trois sortes de systèmes horizontaux : le système eau glycolée/eau le système eau/sol (=fluide frigorigène) le système sol/sol Le fonctionnement des machines thermodynamiques (ici la PAC) est fondé sur la capacité des fluides frigorigènes à se vaporiser et se condenser à température ambiante. Le fluide frigorigène le plus utilisé pour la géothermie est le fluide R-134a. Sa composition chimique : hydrofluorcarbone ou H_F_C de formule : CH2F-CF3 Ses propriétés essentielles sont : - sa température d'ébullition à pression atmosphérique est de -26 °C ; ce qui lui permet donc de s'évaporer plus vite à basse température, donc meilleur passage de la chaleur. - sa chaleur latente d'évaporation importante. À -26 °C (sa température d'ébullition) à pression atmosphérique sa chaleur latente est de 216 kJ/kg. Libère beaucoup d'énergie. - son faible volume massique de la vapeur en mètre cube qui lui permet d'utiliser un petit compresseur. La pompe à chaleur* gagnerait probablement à muter vers un fonctionnement à partir de moteur thermique, pouvant utiliser des combustibles issus de la biomasse (biogaz par exemple), et ce évidemment pour des raisons d'économie d'échelle, dans des grands ensembles, permettant ainsi de localiser la production proche des lieux d'utilisation et d'augmenter les potentiels de production d'énergies renouvelables locale tout en évitant d'amplifier les problèmes actuels en amont du compteur électrique. *La pompe à chaleur est un appareil thermodynamique qui prélève la chaleur dans l'environnement (air, eau, sol) et la transfère à un niveau de température plus élevé dans votre logement. Plus précisément, l’énergie est récupérée dans un évaporateur qui contient du fluide frigorigène. Au contact de la chaleur, celui-ci se transforme en vapeur. Le compresseur électrique aspire alors ce fluide, le comprime et en augmente la température. Ce fluide chaud est transféré à un condenseur. Il cède sa chaleur à l’eau du circuit de chauffage ou chauffe l’air du local en se condensant. Le fluide à l’état liquide chute en pression et en température lorsqu’il traverse le détendeur. Le fluide revient alors dans l’évaporateur où il recommence un nouveau cycle. (Source pompe à chaleur EDF) L’installation complète est composée de plusieurs éléments : 1 le capteur : c’est un circuit de tuyauteries enterrées transportant un fluide frigorigène qui capte les calories emmagasinées par la terre. Ce fluide a une température d’évaporation très basse, et passe donc de l’état liquide à l’état gazeux dans ce circuit enterré. 2 le compresseur : le fluide à l’état gazeux est aspiré puis compressé par le compresseur pour en augmenter la température. Ce dernier est associé à un groupe permettant la régulation et la sécurité de système complet (l’ensemble est aussi appelé « générateur »). 3 le condenseur : Il transfère (directement ou indirectement) les calories au circuit de chauffage, vers l’élément diffusant l’énergie dans votre habitat. Il peut s’agir d’un plancher chauffant, radiateurs, … Avantage /inconvénient Les pompes à chaleur utilisent à 75% une énergie renouvelable, ce qui les classe dans les systèmes de chauffage subventionnés à 50% par un crédit d'impôt pour les particuliers. Sans être 100% énergie renouvelable (30% de l'énergie consommée est électrique), la pompe à chaleur aérothermique est beaucoup plus propre qu'une chaudière fuel ou un chauffage tout électrique alimentés par des centrales nucléaires ou des centrales thermiques très polluantes et génératrices de gaz à effet de serre. Mais l’inconvénient sonore d'il y a encore quelques années n'existe plus. En effet, grâce aux progrès sur les PAC aérothermiques de dernière génération le bruit de fonctionnement est très faible. 2) Les transports en commun respectueux de l’environnement a) Le vélo électrique Le VAE est un vélo qui comporte une assistance électrique. Cette assistance a pour objectif de fournir un complément au pédalage. Elle est constituée d'un moteur, de batteries, d'un contrôleur et de capteurs. -Les capteurs : Le capteur détecte l'action de pédalage de l'utilisateur de vélo électrique. Ce capteur est composé de deux parties : une fixe et un mobile qui tourne avec le pédalier. C'est ce capteur qui va contrôler la vitesse de rotation du pédalier, mais aussi son sens de rotation ; et transmettre ces deux informations au calculateur fixé à l'intérieur du cadre. Ce calculateur, en fonction des informations reçues et analysées, va envoyer une information au variateur afin de délivrer proportionnellement du courant au moteur. L'assistance au pédalage est donc activée et fonctionne dès les premiers tours de roues. -Le variateur : Le variateur envoie en continu plus ou moins d'électricité au moteur, et ce en fonction des informations reçues du capteur de pédalage. Le variateur travaille donc en boucle fermé. Il est équipé d'une protection qui va couper l'arrivée de courant au delà d'une limite située vers entre 20 et 30 A. Cette limite varie en fonction du voltage du système monté sur la VAE. -Le moteur : selon les constructeurs et les utilisations, celui-ci se situe au niveau du pédalier, dans l'axe de la roue avant, dans l'axe de la roue arrière ou déporté avec une transmission secondaire sur le pédalier ou l'axe de roue arrière. La constitution du moteur, son mode d'interaction avec le vélo, le mode d'action du contrôleur... ne permettent pas de juger des performances du VAE sur les seuls critères techniques du moteur. -Les batteries : différents types de batteries sont utilisées pour les VAE : les batteries au plomb (Pb) .C'est la technologie la plus éprouvée, celle employée par l'industrie automobile. A la seule différence que dans une batterie de vélo à assistance électrique, l'ensemble acide + eau est sous forme gélatineuse, ce qui permet de la manipuler sans contrainte.C'est une batterie qui ne nécessite pas de précautions d'emploi particulières, qui ne coûte pas cher, qui ne comporte quasiment aucun effet mémoire et qui a un taux d'auto décharge relativement faible (5 à 10% par mois).Mais elle est sensible aux variations de température, et elle est lourde, environ 9 Kg pour une batterie de vélo électrique. Contrairement aux idées reçues, la technologie Plomb n'est pas la plus polluante. Son recyclage est très bien maîtrisé. Une batterie est constituée de plastique, d'acier et d'acide sulfurique. L'acide sulfurique et le Plomb sont récupérés. L'acide sulfurique est purifié et réutilisé, car très demandé par l'industrie chimique. Quant au Plomb, de nos jours, on n’extrait quasiment plus de minerai. La consommation étant relativement faible, l'essentiel provient du recyclage. Le plastique, lui, suivra le chemin du recyclage habituel.Ce qui fait, qu'une batterie Plomb est recyclée à plus de 90% ! Elle supporte en moyenne 300 à 350 cycles de charge à 100%.Il faut la stocker pleine et la recharger au minimum tous les 3 mois.Le prix d’une batterie gel Plomb est d'environ 150€. les batteries au nickel comprenant les Nickel Cadmium (Ni-Cd) et les Nickel Metal Hydrure (Ni-Mh) . L'avantage, en matière d'environnement, des batteries d'accumulateurs NiMH est l'absence de cadmium et de plomb, deux matériaux très polluants. En outre elles possèdent de meilleures performances ainsi qu'une absence d'effet mémoire (L'effet mémoire est rencontré sur des batteries qui ne supportent pas la surcharge et qui se déchargent par élément, du plus au moins chargé). Soit, uniquement les batteries Nickel ancienne génération Hormis le nickel (sous forme d'hydroxyde) de l'électrode positive, les accumulateurs NiMH utilisent comme électrolyte hydroxyde de potassium (potasse - KOH) ainsi qu'un alliage hydrurable à base lanthane (terre rare) et de nickel de type LaNi5. Une solution d’ Leurs fabrication et recyclage doivent néanmoins être effectués très soigneusement, par exemple l’hydroxyde de potassium réagit violemment avec l’eau, il est irritant et corrosif pour la peau, les yeux, les voies respiratoires et digestives. Deux fois moins lourdes, en moyenne, que les batteries Plomb. Une batterie Ni-Mh est également plus puissante (2,1 V. par éléments, contre 1,2 V. pour une batterie Plomb) et a une durée de vie supérieure à une batterie plomb.Elle est par contre un peu plus chère. les batteries au lithium comprenant les Lithium-Polymères (Lipo) et les Lithium-ion (Li-ion) Un accumulateur lithium est une technologie de stockage d'énergie de la famille des accumulateurs électrochimiques, dont la réaction est basée sur le lithium. On distingue la technologie Lithium métal où l'électrode négative est composée de lithium métallique (matériau qui pose des problèmes de sécurité), et la technologie lithium ion, où le lithium reste à l'état ionique grâce à l'utilisation d'un composé d'insertion aussi bien à l'électrode négative (généralement en graphite) qu'à l'électrode positive (dioxyde de cobalt, manganèse, phosphate de fer). Les accumulateurs lithium polymère sont une alternative aux accumulateurs lithiumion, ils délivrent un peu moins d'énergie, mais sont beaucoup plus sûrs. Contrairement aux autres technologies, les accumulateurs Li-ion ne sont pas liés à un couple électrochimique. Tout matériau pouvant accueillir en son sein des ions lithium peut être à la base d'un accumulateur Li-ion. Ceci explique la profusion de variantes de cette technologie, face à la constance observée avec les autres couples. Il est donc délicat de tirer des règles générales sur cette technologie. Les marchés de fort volume (électronique nomade) et de fortes énergies (automobile, aéronautique) n'ayant pas les mêmes besoins en termes de durée de vie, de coût ou de puissance. -Le contrôleur : intègre les paramètres qui qualifient le comportement du vélo en fonction du profil utilisateur choisi par le constructeur. Il régule la consommation de courant et pilote le moteur dans ses différentes phases de fonctionnement : démarrage, régime continu, accélération... à partir des informations transmises par les capteurs. b) Voiture hybride Une automobile hybride est un véhicule faisant appel à plusieurs sources d'énergie distinctes pour se mouvoir. Fonctionnement Il existe un principe général de fonctionnement qui consiste à faire fonctionner soit le moteur électrique : Une machine électrique est un dispositif électromécanique permettant la conversion d'énergie électrique en travail ou énergie mécanique. La plupart des machines électriques fonctionnent grâce au magnétisme, mais il existe aussi des machines électrostatiques ou utilisant l'effet piézoélectrique. Les machines électriques produisant une énergie électrique à partir d'une énergie mécanique sont appelées dynamos, alternateurs ou générateurs suivant la technologie utilisée. Les machines électriques produisant une énergie mécanique à partir d'une énergie électrique sont appelées des moteurs. Toutes les machines électriques étant réversibles, la distinction moteur/générateur ne se fait que sur l'usage final de la machine. Les moteurs rotatifs produisent un couple par un déplacement angulaire tandis que les moteurs linéaires produisent une force par un déplacement linéaire. soit le moteur thermique : La pression haute peut être obtenue par chauffage : production de chaleur par combustion d'un carburant, l'ensemble pouvant alors constituer une machine à combustion externe ou interne. soit les deux en même temps selon les modèles. Le principe de fonctionnement : Lors des phases stationnaires (où le véhicule est immobile), les deux moteurs sont à l'arrêt ; -Au démarrage, c'est le moteur électrique qui assure la mise en mouvement de la voiture, jusqu'à des vitesses plus élevées (25 ou 30 km/h); Lorsque des vitesses plus élevées sont atteintes, le moteur thermique prend le relais ; -En cas de grande accélération, on observe la mise en marche des deux moteurs à la fois, qui permet d'avoir des accélérations équivalentes au moteur de même puissance, voire supérieures ; -En phase de décélération et de freinage, l'énergie cinétique est utilisée pour recharger les batteries. Étant donnés les trois types de fonctionnement différents, le choix du régime est en général confié à l'ordinateur de bord. Toutefois, la transformation de l'énergie cinétique en énergie électrique lors des phases de freinage n'est pas disponible sur tous les véhicules hybrides ; l'achat des engins ne disposant pas de cette fonction est donc moins rentable que celui de leurs concurrents par rapport aux automobiles classiques. Cependant, d’autres éléments peuvent être associés comme une pile à combustible* qui, alliée à un système de stockage électrique constitue une architecture électrochimique/électrique. *Pile à combustion : Alors qu’une pile classique transforme directement de l’énergie chimique en énergie électrique avec un fonctionnement discontinu, la pile à combustible vise à transformer de l’énergie chimique en énergie électrique, mais de façon continue et avec des combustibles de moindre coût, citons la pile à combustible hydrazine-oxygène, au méthanol... La réaction de fonctionnement d'une pile à hydrogène se résume à : 2 H2 (g) + O2 (g) = 2 H2O (l) Elle possède une cathode (électrode de sortie du courant dans un électrolyseur) et une anode (électrode d'arrivée du courant) séparées par un électrolyte qui assure entre autres le passage du courant par transfert ionique des charges. Comme une pile classique, elle consomme son oxydant (ici le dioxygène O2) et son réducteur (ici le dihydrogène H2). Elle continue de fonctionner tant qu'elle est approvisionnée en dihydrogène et dioxygène. Le réducteur peut être aussi du méthanol ou du gaz naturel. 1. À l'anode, a lieu la réaction d'oxydation suivante : H2 → 2H+ + 2e– 2. Il y a donc production de deux électrons par molécule de dihydrogène. 3. L'ion H+ passe de l'anode à la cathode et provoque un courant électrique par transfert des électrons dans le circuit électrique. 4. À la cathode, les ions H+ sont consommés suivant la réaction de réduction: O2 + 4H+ + 4e– → 2H2O La force électromotrice (la tension à courant nul) théorique produite est de 1,23 V pour une pile fonctionnant à 25 °C avec de l'oxygène et de l'hydrogène purs à 1 bar. En pratique, la tension fournie par une pile débitant un courant électrique évolue généralement entre 0,5 et 0,8 V : cette perte de potentiel trouve son origine dans différents phénomènes physiques qui se produisent au niveau des électrodes, de l'électrolyte et des dispositifs de distribution des réactifs et d'évacuation des produits (chutes ohmiques et tensions de contact. On peut trouver sur le marché des voitures avec des niveaux d’hybridation différents. Il existe notamment : La Micro Hybrid, c’est le niveau le plus bas d’hybridation caractérisée par le stop and start qu’on peut trouver dans les Citroën C2 et C3. Ce concept technologique remplace les fonctions du démarreur et de l’alternateur d’une voiture classique et il consiste en la mise à l’arrêt du moteur essence lorsque le véhicule s’immobilise par exemple à un feu rouge ou dans les embouteillages. Cela permet une diminution de la consommation de carburant en conduite urbaine. La Mild Hybrid est une hybridation supérieure à la première. Equipé d’un système nommé urban Hybrid et du système stop and start. Le freinage est régénératif et l’énergie ainsi dégagée par le freinage et la décélération est stockée dans des batteries. On retrouve ces technologies dans les modèles présentés par BMW, Ford ou Honda. L’hybridation la plus connue et la plus utilisée est l’hybridation parallèle. Le fonctionnement du moteur thermique et électrique est synchronisé mécaniquement grâce au système du train épicycloïdal. Les voitures équipées d’une hybridation parallèle peuvent fonctionner exclusivement à l’électricité. On retrouve cette Hybridation dans des voitures comme la Toyota Prius, la Nissan Altima et dans les prototypes hybride HDi de PSA. L’hybride série est une voiture électrique équipée d’un groupe électrogène. Le moteur essence sert à alimenter un générateur électrique et les batteries servent à stocker l’énergie dégagée par le freinage et la décélération. La Chevrolet Volt prévue pour l’année 2010 sera équipée de cette hybridation. La pile à combustible est pressentie pour remplacer le moteur générateur dans les futures voitures hybrides. Il existe aussi l’hybride branché qui peut être aussi de série ou parallèle. Une voiture équipée de cette hybridation peut être branchée sur le réseau électrique pour une utilisation purement électrique sur des trajets courts. La future Chevrolet Volt pourra rouler sur une distance de 60 Km sans dépenser une seule goute d’essence. Le moteur thermique prend le relais dès que les batteries sont vides. Avantage /inconvénient Ce type de motorisation diminue de 10 à 50 % la consommation des véhicules suivant l'utilisation (la conduite urbaine offrant les gains les plus spectaculaires et la conduite autoroutière les plus faibles) et permet également de limiter les émissions polluantes proportionnelles à la consommation de carburant. La motorisation hybride est donc particulièrement intéressante pour les taxis et elle commence à être appliquée aux autobus aux États-Unis, en Europe et au Japon. Mais les accumulateurs électrochimiques de ces véhicules n'auraient pas une durée de vie aussi longue que le véhicule lui-même, il faudrait donc changer ceux-ci une ou plusieurs fois avant le recyclage total du véhicule, ce qui entraînerait un surcoût de maintenance et une obligation importante de recyclage pour le fabricant. Cependant, les marques proposant les systèmes hybrides comptent ceux-ci dans la garantie générale du véhicule (par exemple 8 ans ou 160,000 km pour la Prius en France, 8 ans et kilométrage illimité (999 999 km) pour la Honda Civic IMA). La voiture hybride a ses détracteurs. Certains fabricants comparent les économies en carburant induit par une motorisation hybride à l’économie provoquée par le passage de l’essence au diesel. Le diesel étant de plus en plus répandu, surtout en Europe, ces fabricants semblent rechigner à promouvoir l’hybride. La parade à cette argumentation qui met de côté l’aspect écologique est d’associer le moteur électrique à un moteur diesel. c) Voiture électrique Fonctionnement Une voiture électrique est une automobile mue par la force électromotrice de moteurs électriques, alimentée par une batterie d'accumulateurs. ( Une batterie d'accumulateurs ou généralement une batterie, est un ensemble d'accumulateurs électriques reliés entre eux de façon à créer un générateur de courant continu de la capacité et de la tension désirée. Ces accumulateurs même s'ils sont seuls sont parfois appelés éléments de la batterie. On appelle ainsi batteries les accumulateurs rechargeables destinées aux appareils électriques et électroniques). En l'état actuel de la technologie les batteries permettent difficilement d'assurer une autonomie suffisante, et nécessite des temps de recharges long (plusieurs heures). Certains véhicules électriques sont donc munis de générateurs électriques internes : moteur thermique classique assurant selon la situation une partie de la traction ou une fonction de groupe électrogène (véhicule "hybride"), pile à combustible ou autre groupe électrogène, éventuellement des panneaux solaires intégrés à la carrosserie pour des véhicules spécialement économes. Avantage/inconvénient A l'utilisation, une voiture électrique ne produit pas de gaz polluants ni gaz à effet de serre, est peu bruyante, ne consomme pas d'énergie à l'arrêt (ce qui est important en contexte urbain).Cependant, cela reste un objet technique source potentielle de pollutions dans le cadre de sa fabrication, et c'est évidemment un véhicule routier avec ce que cela implique comme impact environnemental (nécessité d'un réseau de routes, parkings et autres infrastructures, couteux, consommateur d'espace et facteur de fragmentation écologique, roadkill, pollution lumineuse, par les voies éclairées plus que par l'éclairage embarqué).Spécifiquement, le véhicule électrique pose la question écologique à propos des accumulateurs (production, recyclage, et élimination), et, selon le cas, de la pile à combustible et du carburant d'icelle, ou de la production d'électricité supplémentaire. La nature et l'ampleur de ces pollutions dépendent principalement du type d'énergie primaire utilisé pour produire l'électricité (ou le carburant pour la pile à combustible) destiné au véhicule. Le bilan écologique est très différent selon la propreté de l'énergie primaire utilisée, sachant que tout le spectre est possible (charbon, éolien, gaz, hydraulique, nucléaire, pétrole, solaire...), et que cela peut dépendre tant de la saison que du mode de recharge (rapide de jour ou lente de nuit, en hiver ou en été, la production électrique sollicitée n'est pas la même).
