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Les moteurs non conventionnels

Parallèlement aux améliorations du moteur conventionnel, notamment pour réduire la consommation, des motorisations alternatives sont développées. Mais il faudra attendre encore quelques années, voire des décennies, pour une application en série significative de ces technologies nouvelles.

Vehicule moteur alternatif

+ Le moteur dédié au gaz naturel
+ Le véhicule électrique
+ Le véhicule hybride
+ Le véhicule à hydrogène

Le moteur dédié au gaz naturel
Moteur gaz naturel

Les moteurs à gaz naturel sont souvent issus de la conversion de moteurs diesel ou à essence existants, le marché relativement réduit n'incitant pas à des travaux lourds spécifiques. Mais des moteurs spécialement conçus pour le gaz naturel sont en cours de développement.

Moins d'émissions de CO 2  
Ces moteurs dédiés permettent une réduction des émissions de CO 2 de l'ordre de 5 à 10 % par rapport à un moteur diesel. Le gaz naturel pourrait atteindre encore de meilleurs résultats sur un véhicule hybride (électricité/GNV).

   
Le véhicule électrique
Vehicule electrique

La voiture électrique apparaît sur le plan environnemental comme la solution "zéro émission".

Impact sur l'environnement :
L'impact sur l'environnement du véhicule électrique dépend de la manière dont est produite l'électricité stockée à bord du véhicule. En France, le véhicule électrique est en quelque sorte "nucléaire", ce type de génération d'électricité étant très majoritaire. En Allemagne, ou plus encore au Etats-Unis, c'est un véhicule qui roule en grande partie au charbon (l'électricité y est surtout produite à partir de ce combustible fossile), d'où un bilan CO 2 pouvant être plus mauvais que celui des solutions traditionnelles.

Une autonomie réduite :
Le véhicule électrique présente une autonomie réduite et un temps de recharge important, ce qui pourrait limiter son usage (sur des trajets relativement courts ou pour des flottes captives) et son développement commercial. Les batteries actuelles n'offrent qu'une centaine de kilomètres d’autonomie contre près de 1 000 km pour les véhicules diesel. Des progrès sont néanmoins en cours dans ce domaine. Des batteries avancées de type lithium-ion ou lithium-polymère, proposées par les groupes Dassault et Bolloré, vont permettre une autonomie de l'ordre de 250 à 300 km (toujours avec un temps de recharge de plusieurs heures).
Cependant, certains constructeurs positionnent aujourd'hui leurs véhicules électriques comme des véhicules péri-urbains dotés d'une autonomie modeste (entre 80 et 160 km), ce qui ne constitue plus un handicap pour des trajets quotidiens domicile/travail. Il existe, par ailleurs, des solutions de recharge rapide des batteries. Destinées à être utilisées en cas d'urgence, ces recharges redonneraient en quelques minutes entre 50 et 80 % d'autonomie afin de permettre au véhicule de regagner sa destination finale.

   
Le véhicule hybride
Véhicule hybride

C'est un véhicule équipé d’un système de motorisation mixte thermique/électrique et de deux systèmes de stockage d'énergie : un réservoir de carburant et une batterie.

Optimisation de l'utilisation de l'énergie :
Le principal intérêt de la voiture hybride est d'arriver à optimiser l'intégration des deux types de motorisation afin de tirer le meilleur parti de chacune d'entres elles. Tout type de combinaisons est théoriquement possible, le moteur thermique pouvant être utilisé aussi bien pour la recharge des batteries que pour l'entraînement du véhicule et le moteur électrique pouvant être utilisé aussi bien pour mouvoir le véhicule que pour récupérer son énergie de freinage. La double alimentation essence (ou diesel)/électricité permet l'optimisation de l’utilisation de l’énergie à bord du véhicule, la réduction des émissions de polluants, notamment du CO 2, et une économie de consommation (de 10 à 50 % selon le degré d'hybridation).

 Une mise en œuvre flexible :
- Le coût du véhicule hybride est encore élevé mais il peut être mis en œuvre progressivement en partant de solutions relativement simples et peu coûteuses pour aller vers des solutions plus complexes, permettant d'atteindre de fortes réductions de consommation. Cela peut aller des solutions hybrides légers (le moteur électrique vient apporter une assistance au moteur classique) à des technologies d'hybridation totale (puissances électrique et thermique comparables).
- L’hybridation n'est d’ailleurs pas limitée à l’essence, puisque l'on peut marier l’électricité avec le diesel, les biocarburants ou encore le gaz naturel. De plus, contrairement aux solutions utilisant par exemple de l'hydrogène, le véhicule hybride ne nécessite pas de modifications lourdes des structures de distribution de carburant. Le véhicule hybride devrait représenter une part significative du marché à l'horizon 2020.

>> voir l'animation interactive La voiture hybride au quotidien

   

Le véhicule à hydrogène
Véhicule hydrogène

L'hydrogène présente, à l'évidence, deux avantages majeurs : il peut être produit à partir de n'importe quelle source d'énergie primaire et n'émet pas de polluants lors de son utilisation (dans les véhicules ou les installations fixes). L'idée n'est pas nouvelle, mais sa mise en œuvre dans le secteur des transports se heurte à de nombreux verrous scientifiques, technologiques et économiques majeurs, qui sont autant d'obstacles à une diffusion de masse sur le marché de l'automobile. La recherche en est aujourd'hui au stade des prototypes. On est encore très loin du véhicule à hydrogène chez "Monsieur tout le monde". Dans tous les cas, le déploiement d'une telle solution sera très progressif et très long.

Le carburant hydrogène :
L'hydrogène pur n'existant pas à l'état naturel (il est combiné à l'oxygène dans l'eau ou avec du carbone dans les hydrocarbures), il faut une source d'énergie pour, en quelque sorte, l'extraire. Le bilan environnemental d'une filière hydrogène dépend en grande partie de la source d'énergie utilisée. L'hydrogène peut paradoxalement contribuer à une augmentation des émissions de CO 2 s'il est produit à partir d'énergie primaire fossile (pétrole, charbon, ou encore gaz naturel). On envisage dans ce cas de stocker le CO 2 émis au cours de la production de l'hydrogène, dans le sous-sol. A plus long terme, des recherches sont conduites pour pouvoir produire de l’hydrogène "renouvelable" issu de la biomasse (bois, déchets, etc.), ou avec de l'électricité ex-énergie renouvelable (centrales hydroélectriques et panneaux solaires) ou bien encore à partir d'énergie nucléaire.

Hydrogène et moteur à combustion interne :
L'hydrogène peut être utilisé comme carburant dans un moteur à combustion interne qui nécessite alors une adaptation. Le principal avantage réside dans le bilan environnemental : combinée à l'oxygène, la combustion de l'hydrogène ne produit que de l'eau et de la chaleur et ne rejette que des oxydes d'azote.
Mais cette solution présente un inconvénient majeur : l'augmentation du poids et de l'encombrement. Même si la compacité des équipements a fait des progrès considérables au cours des cinq dernières années, il faut sensiblement doubler la taille du moteur pour disposer des mêmes performances qu'un moteur classique. L'utilisation de l'hydrogène dans un moteur à combustion interne est plutôt envisageable comme une solution de transition vers la pile à combustible puisqu'elle permet de commencer la validation de toute la filière hydrogène.

Hydrogène et pile à combustible :
Les constructeurs automobiles semblent s'orienter davantage vers le couple hydrogène/pile à combustible pour le long terme. Le couple hydrogène/pile à combustible apparaît, en effet, dans le principe, comme un excellent candidat pour succéder au couple carburant pétrolier/moteur à combustion interne.
L'hydrogène sert alors à alimenter une pile à combustible - laquelle produit de l'électricité - pour permettre le fonctionnement d'un moteur électrique qui fera avancer le véhicule. L'hydrogène est par définition le meilleur vecteur d'énergie pour la pile : pas d'émissions de CO 2 et meilleures performances pour la pile, notamment un rendement environ deux fois supérieur à un moteur thermique essence sur cycle urbain.
Alimentée par un mélange d'air et d'hydrogène, la pile convertit l’énergie chimique de l'hydrogène en énergie électrique suivant le principe inverse de l'électrolyse. En faisant réagir de l'hydrogène avec de l'oxygène de l'air sur les électrodes (de fines membranes recouvertes d'un catalyseur, le platine), les piles à combustible permettent de produire de l'électricité sans autre émission que de la vapeur d'eau. Le principe date de 1839! Il est utilisé depuis longtemps pour produire de l'électricité à bord des fusées.
Les piles à membranes échangeuses de protons (PEMFC) sont les mieux adaptées au transport. C'est sur ce type de pile que les constructeurs automobiles concentrent l'essentiel de leurs recherches.

Les défis économiques et technologiques :
Avant de pouvoir envisager une voiture à pile et hydrogène à l'échelle industrielle, les chercheurs vont devoir lever de nombreux verrous technologiques et réaliser des progrès pour rendre cette solution économiquement viable et sûre.
Des développements et des investissements sont nécessaires pour transporter et stocker ce carburant à bord des véhicules et s'assurer que les conditions de sécurité sont garanties.
L'utilisation de l'hydrogène nécessite la mise en place de toute une infrastructure nouvelle de production, de transport et de distribution. Les coûts de production, et surtout les coûts de stockage et de distribution de ce gaz, particulièrement volatil et difficile à "contenir", sont encore très élevés. Les coûts de la filière hydrogène sont aujourd'hui entre 2 et 5 fois plus élevés que pour les carburants pétroliers.
Le prix de revient de la pile à combustible est également très élevé : son coût est aujourd'hui de 50 à 100 fois supérieur à celui d’un moteur conventionnel. Même en grande série, le surcoût reste important.

La problématique du stockage à bord :
L'hydrogène est un gaz très léger qui n'est liquide qu'à une température très basse (-253°C à la pression atmosphérique) pour une masse volumique très faible. Pour obtenir la même quantité d'énergie qu'un carburant conventionnel, il faudra un grand volume d'hydrogène. Ceci constitue un problème pour son stockage et son transport.
Le coût du stockage est pour l'instant prohibitif; de l'ordre de 1000 euros par kilo, sachant qu'il faut compter 4 à 5 kilos d'hydrogène dans un véhicule pour une autonomie comprise entre 400 et 500 Km. Dans le cadre d'une production de masse, les coûts pourraient être ramenés entre 200 et 500 euros.
Il existe différents modes de stockage de l'hydrogène :
- certains misent sur le stockage de l’hydrogène sous forme comprimée à 350 bars, voire même à 700 bars (700 fois la pression atmosphérique). Les prototypes actuels ont une autonomie de 200 kilomètres.
- d'autres estiment que le stockage sous forme liquide à -253°c est la meilleure option. Elle offre la meilleure autonomie (400 km) mais consomme, pour la liquéfaction, une quantité importante d'énergie.
D'autres technologies sont aussi à l'étude notamment le stockage avec des hydrures métalliques.

Perspectives du véhicule à hydrogène et pile à combustible :
Avec l'urgente nécessité de lutter contre les émissions de gaz à effet de serre et la diminution progressive des ressources fossiles, l'hydrogène représente une des voies alternatives envisagées avec les biocarburants et l'électrification progressive des véhicules. Mais c'est une alternative qui demandera du temps, des progrès technologiques et des investissements importants afin d'atteindre des niveaux de coûts compatibles avec une diffusion sur des marchés de masse. Les constructeurs tablent sur une échéance d'au moins 20 à 30 ans pour que ces véhicules atteignent une part de marché significative. D'ici là, et probablement au delà, le moteur thermique restera le mode de motorisation dominant tandis que les véhicules hybrides et électriques auront commencé à prendre une part de marché significative.

+ Les grands débats > Quel avenir pour l’automobile ? > Développer des carburants alternatifs
+ Zoom : Le véhicule connecté

 

Liens utiles :

>> ADEME (Agence de l'environnement et de la maîtrise de l'énergie)
>> Association Française de l’Hydrogène
>> Avere France
>> CCFA (Comité des Constructeurs Français d'Automobiles)
>> EDF energies nouvelles

Liste de liens externes
Médias

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Chiffres clés

740 000
véhicules hybrides ont été vendus dans le monde en 2009. Au Japon, les voitures hybrides représentent plus de 10 % des voitures neuves, aux États-Unis 3 %. En Europe, les ventes de voitures hybrides sont encore très marginales.

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