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RÉSUMÉ
Le paysage automobile a évolué très rapidement durant les dix dernières années, motivé par la demande sociétale d’une mobilité propre et durable et poussé par le « Dieselgate » et la réglementation. Si le graal du véhicule électrique devient une réalité, il apparaît toute une panoplie d’hybrides de plus en plus complexes. Cet article propose une partie théorique de l’hybridation thermique électrique, pile à combustible et hydraulique. Ensuite, il présente le comportement en usage des différents hybrides. Pour traiter des évolutions de la mobilité, les aspects environnementaux, énergétiques ainsi que l’analyse du cycle de vie seront comparés aux technologies thermiques. Enfin une approche économique comparative permet d’être sûr que cette mutation n’aura pas d’effets collatéraux nuisibles.
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Joseph BERETTA : Président Avere-France - Président Automobile Technology & Mobility Expertise (AT&ME), Paris, France
INTRODUCTION
Face à de nombreuses incertitudes comme la pénurie d’énergie fossile, le réchauffement climatique ou la qualité de l’air, les constructeurs ne baissent pas la garde, ne serait-ce que pour conserver la maîtrise de l’avenir et ne pas être un jour contraints de s’adresser à un tiers pour satisfaire ces exigences environnementales. L’idée d’un véhicule hybride, vieux concept datant du début du XXe siècle, réapparaît alors. C’est un véhicule qui combine deux sources d’énergie différentes : un moteur utilisant un carburant fossile ou dérivé (essence, gazole, gaz naturel pour véhicule, hydrogène, etc.) et un moteur électrique. Il existe deux grands types d’hybridation :
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l’hybride « parallèle » qui fonctionne sur l’alternance ou bien l’association des deux sources d’énergie ;
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l’hybride « série » qui fonctionne toujours grâce à l’énergie électrique, l’énergie thermique ne venant qu’en renfort du moteur électrique à l’instar d’un groupe électrogène. La recharge des batteries se fait alors aussi bien par une prise domestique qu’en roulant, par le biais d’un alternateur.
L’intérêt de l’hybridation consiste à pouvoir réduire la consommation en carburant fossile et donc les émissions de CO2, dans la mesure où le moteur thermique ne fonctionne pas en permanence, mais principalement aux régimes où le rendement est le plus favorable. Il résulte aussi des avantages d’une propulsion électrique en zone de circulation dense, où le taux de pollution est élevé, alors que disparaissent les problèmes d’autonomie rencontrés avec les véhicules « tout électrique ».
Fiable sur le plan technique, le véhicule hybride présente cependant deux inconvénients majeurs :
-
la double motorisation induit une surcharge pondérale qui pénalise son autonomie et ses performances ;
-
son coût est relativement plus élevé qu’une motorisation classique.
Ces inconvénients, joints au désir d’optimiser la filière et de marquer leur différence, ont conduit les constructeurs à décliner l’hybridation dans d’autres versions, en général du reste en l’altérant dans le même sens : celui du « sacrifice de leur part électrique ». Ainsi, la Prius de Toyota, le premier véhicule hybride à avoir été lancé sur le marché, ne fonctionnait en électrique qu’entre 0 et 20 km/h, lors des appels de puissance et en marche arrière. L’« Insight » de Honda ne se déplace jamais en mode électrique pur, sa batterie a pour fonction principale de récupérer l’énergie du freinage.
Depuis les choses ont évolué très vite et cet article va d’abord présenter toutes les bases de la théorie des hybrides qui permettront de comprendre ce monde complexe où les possibilités d’arbitrage entre les technologies doivent tenir compte de critères à la fois environnementaux, économiques et d’usages car c’est bien le client qui à la fin jugera de la pertinence du choix.
Tous ces points seront abordés et la pile à hydrogène replacée dans cet environnement.
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MOTS-CLÉS
Analyse de cycle de vie mobilité véhicule hybride électrique véhicule hybride rechargeable véhicule hybride pile à hydrogène
VERSIONS
- Version archivée 1 de janv. 2010 par Joseph BERETTA
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Hybrides parallèles
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4. Hybrides série pile à hydrogène
4.1 Véhicule hybride série avec full pile à hydrogène
Ce sont des hybrides série où le générateur embarqué est une pile à combustible associée à un réservoir d’hydrogène. L’avantage de la pile à hydrogène est qu’elle ne génère pas d’émission polluante sur le lieu d’utilisation, ne fait pas de bruit et si l’hydrogène est décarboné présente un bilan environnemental intéressant.
Les véhicules pile à hydrogène seront des hybrides série à double source d’énergie (batterie et pile à hydrogène), ils pourront ainsi récupérer l’inertie du véhicule dans la batterie et augmenter leur efficacité (voir figure 22). La batterie fournit la pointe de puissance ce qui permet un dimensionnement optimale de la pile à hydrogène. La solution actuelle pour décarboné l’hydrogène est d’utiliser des électrolyseurs qui décomposent l’eau en hydrogène et oxygène à partir d’électricité décarbonée.
Le temps de remplissage des réservoirs en 5 min pour 500 à 700 km est comparable aux véhicules essence d’aujourd’hui.
Si nous nous intéressons à l’aspect énergétique, 1 kgH2 est équivalent à 33 kWh, le rendement maximum d’une pile à combustible hydrogène air est de l’ordre 50 % à 55 % ce qui permet de dire que 1 kgH2 est équivalent d’un point de vue énergétique à 17 kWh (équivalent batterie). La plupart des véhicules actuels embarquent 5 kgH2 ce qui représente 85 kWh d’équivalent batterie.
La consommation moyenne d’une berline électrique à 130 km/h est de l’ordre de 240 à 260 Wh/km, ce qui conduit à une autonomie de 350 km ; pour atteindre une autonomie de 450 km c’est 117 kWh qu’il faut embarquer soit 7 kgH2.
Le coût actuel d’une station hydrogène à 700 bar est de l’ordre d’1 million d’euros avec une capacité par pompe de 20 véhicules par heure.
Par rapport à un véhicule à batterie, du fait du nombre d’éléments de transformation de l’énergie (électrolyseur, compresseur et pile à hydrogène), le rendement arrive à...
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Hybrides série pile à hydrogène
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - BEDEUR (M.) - Histoire de l’usine Pieper-Impéria, - http://www.automag.be/Librairie-Automagautomobile.
-
(2) - BERETTA (J.) - New Classification on Electric-Thermal Hybrid Vehicles. - EVS 15, Bruxelles, Belgique (1998).
-
(3) - BERETTA (J.) - Le génie électrique automobile : la traction électrique. - Édition Hermès Lavoisier Science publication (2005).
-
(4) - BERETTA (J.) - Électronique, électricité et mécatronique automobile. - Édition Hermès Lavoisier Science publication (2007).
-
(5) - MATSUNAGA (M.), FUKUSHIMA (T.), OJIMA (K.) - Powertrain System of Honda FCX Clarity Fuel Cell Vehicle. - EVS 24 Stavanger, Norway (2009) http://www.honda.fr
-
(6) - BERETTA (J.) - Citroën...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
PSA Peugeot Citroën https://www.stellantis.com/fr
Renault http://www.renault.com
Toyota http://www.toyota.co.jp
Honda http://www.honda.fr
Volkswagen https://www.volkswagen.fr/
Mercedes-Benz https://www.mercedes-benz.fr/
AVERE-France http://www.avere.org
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Congrès Electric Vehicle Symposium (EVS) Manifestation mondiale sur les véhicules électriques, hybrides et pile à combustible qui se tient tour à tour tous les ans en Asie, en Amérique du Nord et en Europe
EEVConventions The European Battery, Hybrid and Fuel Cell Electric Vehicle (EEVC) Congress is now recognised as premier global platform...
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