Communiqué de presse

"Voiture et Cité de demain" - VEHICULES ELECTRIQUES ET EFFICIENTS : LES FILIERES POUR UNE MOBILITE DURABLE

VEHICULES ELECTRIQUES ET EFFICIENTS :
LES FILIERES POUR UNE MOBILITE DURABLE

René Bautz, Ing. dipl. EPFL
Vice-président AVERE et Président e’mobile

A LA RECHERCHE D’UN CONCEPT DE MOBILITE DURABLE

Les motorisations peu gourmandes en énergie et peu polluantes sont incontournables pour assurer à l’avenir une mobilité individuelle aussi durable que possible.

En fait, une chose est sûre. L’industrie automobile est contrainte de travailler sur de nouveaux concepts de motorisation étant donné, d’une part, l’épuisement progressif des combustibles fossiles et, d’autre part, l’augmentation de la teneur en dioxyde de carbone contribuant au réchauffement indésirable de l’atmosphère terrestre.

Ce réchauffement devient un élément central dans les politiques environnementales des gouvernements confrontés au respect du protocole de Kyoto, c’est-à-dire à la réduction de 8% des émissions de CO2 par rapport au niveau de 1990 entre 2008 et 2012, soit l’équivalent de 346 millions de tonnes de CO2. Les transports contribuent pour une bonne part à l’augmentation des taux de dioxyde de carbone et l’inflexion des tendances nécessitera l’introduction de technologie permettant de réduire les émissions de CO2.
Vu les technologies existantes, le passage du véhicule actuel au « clean car » de demain nécessitera encore beaucoup d’efforts en intégrant progressivement les différentes motorisations déjà explorées, de la voiture électrique à la voiture à hydrogène en passant par l’amélioration des moteurs thermiques ou en les combinant dans des systèmes hybrides.

LES POLITIQUES INTERNATIONALES DE DEVELOPPEMENT DES TRANSPORTS INDIVIDUELS

En Amérique du Nord, le èCalifornian Air Ressources Boardè a maintenu son cap dans le Zero Emission Vehicle (ZEV) programme, soit :

• Dès 2003, le 10 % des véhicules passagers vendus par année devront répondre à la certification ZEV.
• Dès 2007, le 60 % des véhicules légers et lourds vendus devront répondre à la certification ZEV.

Toutefois, il a été admis que les constructeurs peuvent atteindre les objectifs avec d’autres types de véhicules à très faibles émissions. Ainsi, dès 2003, le 60% de leurs obligations pourra être rempli avec des véhicules répondant aux normes SULEV ou Super Ultra Low Emission Vehicle et le 20% de leurs obligations pourra être rempli avec des véhicules de technologies avancées, mais au minimum SULEV (ex : véhicules bi-énergie, à gaz naturel, hybrides ou à piles à combustible).Ce programme représente un volume de 100'000 véhicules/an dès 2003.

En Asie, la pollution atmosphérique dans les grands centres urbains (Shanghai, Pékin, Delhi, Calcutta, Tokyo etc.…) est un thème brûlant. Le Japon, à travers le MITI, a entrepris un programme ambitieux pour développer le parc des véhicules à faibles émissions :

Au total, 3'500'000 véhicules de nouvelle technologie devront être produits. Le gouvernement japonais a même fixé la barre à 5'000'000 pour 2020.

En Europe, le débat sur la mobilité durable a été lancé avec les publications du «green-paper» sur les objectifs énergétiques (projet politique amendable) et du «white-paper» sur la politique des transports jusqu’en 2010.

Dans la politique de transport, l’Union s’est fixé trois objectifs :

• Amélioration de la qualité de l’air.
• Diversification des sources d’approvisionnement
  de carburants (diminuer la dépendance vis-à-vis du pétrole).
• Réduction de la pollution sonore.

Un programme de développement durable s’élevant à 1700 M€ a été initié pour promouvoir notamment des carburants de remplacement, la construction de véhicules propres et l’utilisation de transports urbains favorables à l’environnement.

L’Association des constructeurs européens d’automobiles (ACEA) s’est engagée en juillet 1998 à réduire les émissions de CO2 de toutes les automobiles neuves à 140 g/km en moyenne avant 2008. Cela équivaut à une réduction de 25% par rapport à la situation de 1995 et à une consommation moyenne de 5,8 litres par 100 km. En Suisse, la branche automobile à travers Auto suisse s’est également engagée à réduire, d’ici 2008, la consommation moyenne de carburant des voitures de 8,4 à 6,4 litres par 100 km.

L’Europe est active dans la promotion de véhicules peu gourmands en énergie et respectueux de l’environnement au travers de nombreux projets pilotes et de démonstration dont les plus connus ont été menés notamment à La Rochelle et à Mendrisio en Suisse.

LES FILIERES DE LA MOTORISATION DU FUTUR

Une question centrale que l’on peut se poser est : «Quelle technologie pour quelle mobilité ?». C’est un vaste débat qui nécessite l’analyse de beaucoup de paramètres tels que : l’autonomie attendue du véhicule, la disponibilité, les coûts d’investissement et d’exploitation, le rendement, les émissions de polluants, le recyclage, etc.

De nombreux spécialistes prédisent l’avenir de la société à hydrogène. Cette affirmation contient toutefois encore de nombreux points d’interrogations: D’où proviendra l’hydrogène? Qui mettra en place les infrastructures de production et de distribution? En outre, le èbreak-eaven point » ou le retour sur investissement, sans parler des progrès techniques à réaliser, devra encore être démontré avant une utilisation à large échelle de systèmes alimentés par hydrogène.

Une analyse fine des filières d’énergie et des techniques utilisées démontre la grande variété de solutions possibles :

Les carburants d’origine fossile (essence, diesel, gaz de pétrole liquéfié ou gaz naturel carburant) peuvent être utilisés dans les motorisations à combustion interne, hybrides ou dans les piles à combustible par l’intermédiaire d’un reformeur.

Les carburants dits alternatifs (méthanol, bio-carburants, hydrogène ou l’électricité) sont surtout utilisés comme source d’énergie pour alimenter des moteurs thermiques traditionnels ou des motorisations hybrides avec notamment des piles à combustible et l’électricité en tant qu’énergie de réseau pour la charge de batteries.

Un comparatif toujours intéressant à faire, en fonction du type d’énergie ou de motorisation utilisée, est celui de la chaîne de rendements énergétiques. Le rendement global de la source d’énergie primaire à la roue motrice (Well-to-wheel) peut varier, aux extrêmes, entre 66% (filière production hydroélectrique – moteur électrique) et 14% (filière pétrole – moteur à combustion).

Cette analyse doit être complétée par un bilan des émissions de dioxyde de carbone. En effet, les différents systèmes de production de carburant et la transformation finale en énergie mécanique ont souvent un impact non négligeable sur l’environnement. Pour les énergies de réseau, une analyse du parc de production permet de dégager, selon les mix d’énergie utilisés, les éco-bilans nécessaires. En général, on constate que les motorisations alimentées par le gaz naturel, les systèmes hybrides et à piles à combustible ainsi que les entraînements électriques permettent de respecter la limite des 140 g/km d’émissions de dioxyde de carbone.

EVOLUTION DES VARIANTES DE MOTORISATION

Les véhicules à combustion interne

Les moteurs thermiques traditionnels progresseront encore en terme de rendement et d’émissions. Il existe d’ores et déjà des technologies qui permettent de mettre sur le marché de petits modèles ayant une consommation de 3 litres/100km avec des émissions de CO2 inférieures à 90 g/km. Ces performances sont accessibles grâce notamment aux progrès effectués dans le domaine des moteurs diesels avec des injections directes à rampe commune et des turbos à géométrie variable associés à des filtres à particules.

Les moteurs thermiques alimentés au gaz naturel offrent une autre alternative intéressante. Ce carburant contient moins de carbone que le pétrole avec approximativement un même pouvoir calorifique. Grâce aux plus faibles émissions de CO2 (25% de moins que l’essence et environ 15% de moins que le diesel), les moteurs à gaz peuvent largement contribuer à la réduction des émissions de polluants à effet de serre et d’oxydes d’azote, notamment s’ils sont équipés d’un pot catalytique régulé. Une autre filière complète cette offre. Des expériences sont en cours dans la région zurichoise, entre autres, où est testée la fermentation de la biomasse et des boues d’épuration pour la production d’un gaz qui est purifié aux normes du gaz naturel et utilisé comme carburant. Cette technologie a l’avantage d’être neutre en ce qui concerne le bilan de CO2.

Parmi les carburants produits à partir des huiles végétales, la forme la plus étudiée en Suisse est l’utilisation du colza (ester méthylique).

Les véhicules hybrides

A court terme, les véhicules hybrides, équipés d’un moteur électrique et d’un moteur thermique, offrent une alternative intéressante pour répondre aux normes SULEV (plus de 40'000 véhicules de ce type roulent déjà en Asie). Ce concept de motorisation repose sur la combinaison de la grande efficacité de l’entraînement électrique dans un contexte urbain (sans rejet de polluants à l’échelle locale et une pollution sonore très réduite) et la grande densité énergétique des moteurs thermiques traditionnels. Malgré le prix encore relativement élevé dû aux régulations sophistiquées, ces motorisations résultent du mariage de techniques d’entraînements maîtrisés par les ingénieurs en automobile.

On distingue essentiellement trois types de véhicules hybrides :

• Les hybrides parallèle.
• Les hybrides série.
• Les hybrides série-parallèlle.

La technologie parallèle est la plus utilisée. Les moteurs thermiques et électriques sont reliés ensemble ou séparément sur la chaîne cinématique. Les atouts du système parallèle résident dans le fait que l’on peut combiner ou superposer à loisir les deux entraînements.

La technologie série sépare complètement la production d’énergie et son utilisation pour l’entraînement des roues. Le véhicule est propulsé entièrement par le moteur électrique et le moteur thermique sert à fournir l’énergie électrique. Il n’y a aucun lien mécanique entre les deux moteurs. Le moteur thermique est optimisé pour la plage de fonctionnement présentant le meilleur rendement à la production.

La technologie série-parallèle est la plus sophistiquée. Elle combine les deux technologies mentionnées ci-dessus.

Ces technologies hybrides seront certainement intégrées dans de nombreux modèles de voiture à l’avenir.

Les voitures électriques

L’entraînement électrique est déjà très ancien et les premiers développements datent du 19ème siècle. C’est en 1881 que le physicien Gustave Trouvé a eu l’idée d’électrifier un tricycle à l’aide de deux moteurs électriques alimentés par six accumulateurs au plomb.
Actuellement, plus de 16'000 véhicules électriques en tous genres circulent en Europe. En Suisse le nombre de véhicules électriques routiers est estimé entre 2'500 et 3'000 unités sans compter les vélos électriques. La progression est constante, mais on ne peut pas encore parler d’une véritable percée sur le marché.

Le développement de batteries à plus haute densité énergétique et de piles à combustible permettant de produire l’électricité à bord est le principal défi à relever dans le domaine de la traction électrique.

L’United States Advanced Battery Consortium (USABC), qui regroupe les constructeurs et les centres de recherches américains, a défini les caractéristiques de la batterie idéale pour les véhicules électriques de demain: autonomie de 250 km pour 100 $ par kWh, recharge rapide ou lente en moins de six heures et durée de vie de 10 ans ou plus de 150'000 km.

Actuellement 5 couples électrochimiques sont disponibles sur le marché et des tests sont effectués pour la mise en production de batteries lithium ions ou lithium polymères.

Le véhicule électrique progressera certainement encore sur les marchés de niche où une autonomie de moins de 100 km est suffisante. Grâce aux nanotechnologies, des progrès sont attendus à moyenne échéance dans le domaine du stockage électrochimique avec des densités énergétiques dépassant les 150 Wh/kg.

Les moteurs à hydrogène et les piles à combustible

L’hydrogène est à priori un carburant intéressant à divers égards et il pourrait constituer une forme intermédiaire d’énergie, au même titre que l’électricité. Sa combustion non polluante produit de l’eau. Par contre, pour pouvoir être stocké et transporté facilement, il doit être refroidit à –253 degrés à la pression atmosphérique.

• Il existe plusieurs méthodes pour le produire. Les plus courantes sont :
• Le reformage d’essence, de gaz naturel ou de gaz liquéfié.
• L’oxydation partielle d’huile lourde.
• La gazéification du charbon.
• L’électrolyse de l’eau.

La combinaison idéale du point de vue écologique serait la production d’hydrogène à partir d’énergie primaire renouvelable telle que le solaire.

Certains constructeurs ont développé des motorisations bivalentes à hydrogène et à essence basées sur des moteurs à combustion interne. En cas de choix idéal de la température de combustion, les moteurs à hydrogène ne rejettent que de très faibles émissions. Toutefois, des infrastructures de production et de transport, écologiquement et économiquement adaptées, doivent encore être développées.

L’hydrogène est également le carburant principal de la pile à combustible alimentant en électricité les véhicules électriques de demain.

De nombreux spécialistes prédisent l’avenir avec la pile à combustible. Mais la pile à combustible n’est en soi qu’une petite centrale transformant l’énergie chimique en énergie électrique.

Depuis le programme Gemini de la NASA, beaucoup de variantes de piles à combustible ont été étudiées. La pile à combustible à membrane protonique (PEMFC) semble la plus adaptée pour être embarquée dans les véhicules. Des systèmes qui extraient l’hydrogène du méthanol, du gaz naturel ou du gaz propane par l’intermédiaire d’un reformeur sont étudiés et testés.

Les grands constructeurs ont décidé d’investir des sommes considérables dans ces nouvelles techniques. Le groupe Renault – Nissan Motor Co a fixé un délai de 2005 pour le développement de ces systèmes de propulsion avec un programme s’élevant à 800 millions d’Euros. Daimler Chrysler continue son programme de test avec la NECAR 5. Fiat a présenté en 2001 la Seicento Elettre H2 Fuel Cell. Des tests de fiabilité ont été conduits par Opel sur leur circuit d’essai pendant 24 heures à des températures élevées. Le prototype HydroGen1 alimenté directement en hydrogène a parcouru 1386,9 km à 57,79 km/h de moyenne pour ne citer que quelques exemples.

Toutefois, ces technologies ne perceront pas sur le marché avant la prochaine décennie selon des dires de certains spécialistes.

A moyen et long terme, et ceci grâce aux développements scientifiques et techniques, des carburants innovants associés à des entraînements électriques et hybrides offriront certainement plusieurs alternatives à l’acheteur de demain. Mais toute conscience écologique du citoyen passe nécessairement par des technologies économiquement accessibles, d’où la nécessité d’une collaboration étroite entre les autorités publiques, les instituts de recherche et de développement et les grands constructeurs d’automobile.

Conférence Voiture et Cité du 24 avril 2002.

René Bautz, ing.dipl. EPFL
Vice-président AVERE et président e’mobile

Le système de transport, notamment dans les cités, est confronté à des défis majeurs par le nombre de véhicules qui encombrent les routes. Comme l’a récemment relevé Jean-Marie Revaz, président du Salon de l’Auto de Genève, environ 600 millions de voitures individuelles circulent chaque jour sur terre et 42 millions de nouvelles unités sont produites chaque année.

Cette évolution a pour conséquence d’augmenter progressivement les difficultés de gestion du trafic, d’aggraver la pollution de l’environnement et de peser sur les coûts directs et indirects liés aux infrastructures des grandes agglomérations.

Quelles sont finalement les attentes des citadins sur leur environnement ?

• Un lieu d’échange et de liberté, donc la possibilité de pouvoir s’y déplacer sans entrave ni perte de temps.
• Un espace de travail et de loisir qui doit être mis en valeur avec un environnement construit, un patrimoine et des espaces verts adaptés aux besoins, donc des voies de communication et de transports bien intégrés.
• Une qualité de vie élevée qui enrichit les relations sociales et les activités de toutes sortes, donc des nuisances liées aux activités humaines les plus faibles possibles.

Pour répondre à ces préoccupations, des gestionnaires visionnaires sont demandés, que ce soit des urbanistes, des spécialistes dans les transports, des ingénieurs ou des décideurs tout simplement. Améliorer la qualité de la vie urbaine est une nécessité qui n’échappe à personne. Or, si l’on ne peut raisonnablement interdire les centres villes aux véhicules, ni sous-estimer les progrès réalisés notamment en dépollution par les voitures modernes, il est aujourd’hui possible d’imaginer une nouvelle façon de circuler en ville tenant compte, d’une part, d’une intermodalité efficace avec les transports publics et, d’autre part, l’intégration progressive sur le marché de nouveaux véhicules plus efficients.

Voilà tout l’enjeu des transports dans la cité de demain.