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Accueil > Espace Découverte > Les grands débats > Quel avenir pour l’automobile ? > Les alternatives au moteur conventionnel

Les alternatives au moteur conventionnel

 

Automobile-débat

Par motorisation alternative, on entend soit des moteurs dédiés à un nouveau type de carburant tel que gaz naturel, biocarburant ou hydrogène soit une remise en cause profonde de l'architecture des moteurs actuels.  

Cadres Bleus


 

+ Le moteur dédié au gaz naturel
 + Le véhicule électrifié
 + L'Hydrogène et pile à combustible (PAC)

 

 

Le moteur dédié au gaz naturel : un vrai potentiel de développement
Moteurs-alternatifs

Les moteurs à gaz naturel sont souvent issus de la conversion de moteurs diesel ou à essence existants puisque le marché relativement réduit n'incite pas à des développements lourds spécifiques. Mais des moteurs spécialement conçus pour le gaz naturel sont en cours de développement et permettent une réduction des émissions de CO2 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). Ce type de moteur est certainement appelé à se développer.

IFPEN a développé un prototype de véhicule hybride au gaz naturel avec Gaz de France, l'Ademe, Valéo et l'IFSTTAR. Installé sur une Smart, il est fondé sur le concept du downsizing qui consiste à réduire la taille du moteur en lui associant une suralimentation adaptée.
 Le système hybride assure la fonction "stop-start" (coupure du moteur thermique dès l'arrêt du véhicule) et permet une récupération de l'énergie de décélération ainsi que l'assistance au décollage et à l'accélération du véhicule. Les performances techniques et environnementales du démonstrateur sont significatives : émissions de CO2 inférieures à 84 g/km respectant la future norme Euro 5. Avec une autonomie d’environ 200 km, le véhicule est doté de réservoirs composites ultra-légers intégrés sous le châssis, sans impact sur l’habitacle du véhicule.

 

Le véhicule électrifié : une évolution inéluctable

L'électrification des véhicules présente un potentiel important pour réduire la consommation de carburant, limiter l'impact sur l'environnement et diversifier les sources d'énergie. On assiste actuellement à une véritable mobilisation autour de la thématique des véhicules hybrides et électriques qui devrait permettre une mise sur le marché accélérée de ces technologies. Le plan "Véhicule décarboné" lancé par le gouvernement prévoit l'émergence, d'ici à 2012, d'une offre de véhicules électriques et hybrides rechargeables.

Le véhicule purement électrique
 Le véhicule électrique présente de nombreux atouts : aucune émission polluante directe, de faibles émissions sonores, une chaîne de traction à haut rendement, des sources d’énergie primaire variées et des émissions de CO2 potentiellement très faibles si l’électricité est produite à partir d’énergie renouvelable, nucléaire ou fossile avec captage et stockage du CO2. Des réductions moyennes d'émissions de CO2 de 50  % sont possibles en Europe. Les verrous technologiques restent néanmoins nombreux, parmi lesquels les batteries qui posent des problèmes tant en termes d’autonomie que de coût. Autre défi de taille : la création d’une infrastructure de recharge rapide, indispensable pour le développement d’un parc automobile électrique d’envergure, pour pallier les 8 à 12 heures de recharge nécessaires sur le réseau classique. Des solutions de motorisation tout électrique avec une autonomie de 100 à 200 km sont envisagées, notamment en usage urbain et péri-urbain.

De nombreuses solutions de véhicules hybrides
 Les véhicules hybrides qui associent un moteur thermique, une machine électrique et leurs stockages d'énergie respectifs (réservoir de carburant et batterie) présentent un potentiel élevé pour optimiser la gestion de l'énergie à bord du véhicule et donc en termes de réduction des émissions de CO2. Cette association permet en effet de choisir le mode de fonctionnement optimal (thermique, électrique ou combiné) selon le profil du trajet, et notamment de réserver l'utilisation du moteur thermique dans ses zones de bon rendement.
 Bien qu'étant industriellement opérationnel, ce type de véhicule est encore à des coûts élevés. Toutefois il pourra être mis en œuvre progressivement à partir de solutions relativement simples et peu coûteuses qui évolueront ensuite progressivement vers des solutions plus complexes permettant d'obtenir une forte réduction de la consommation .

Des modèles déjà sur le marché
 D’ores et déjà, les constructeurs ont mis des modèles sur le marché, comme Toyota qui vient de sortir la 3e génération de sa Prius dont plus d'un million ont été vendues dans le monde depuis 1997 ou encore Honda avec son modèle Insight alimenté à la fois en essence et à l’électricité, et dont les batteries n’ont pas besoin d’être rechargées sur le secteur. Des constructeurs ont également développé des modèles dont le moteur s'arrête puis re-démarre automatiquement au feu vert comme, par exemple, la Citroën C3 avec le procédé "stop and start".

Une hybridation progressive
 En fonction de la gamme de véhicule et des performances visées, le taux d'hybridation (c'est à dire la puissance électrique disponible à bord du véhicule) va être augmenté avec l'introduction de fonctionnalités complémentaires telles que la récupération de l'énergie de freinage, l'accroissement du couple moteur, l'optimisation de la gestion de l'énergie à bord ou l'hybridation rechargeable '"plug in". Il va falloir attendre les années 2010-2015 pour voir apparaître les premiers volumes significatifs d’hybrides légers (le moteur électrique vient apporter une assistance au moteur classique), puis 2020 pour que se diffuse la technologie de l'hybride total (puissances électrique et thermique comparables). L’hybridation n'est pas limitée à l’essence, puisque l'on peut également marier l’électricité avec le diesel, les biocarburants ou encore le gaz naturel.

Des performances environnementales variables
 La réduction de consommation de carburant et donc d'émissions de CO2 est fonction du degré d'électrification du véhicule : 3 à 7  % pour les modèles Stop&Start qui stoppent le moteur thermique à l’arrêt du véhicule; 20 à 35  % pour les modèles Full hybrid (capables de fonctionner en mode tout électrique sur de très courtes distances, entre 1 et 5 kilomètres), grâce notamment à la récupération d’énergie électrique lors du freinage. Quant aux futurs modèles rechargeables sur le réseau électrique et pouvant fonctionner en mode tout électrique sur des distances importantes, ils pourraient voir leurs émissions de CO2 réduites de 50 à 90  % en usage urbain et à condition toutefois que l'électricité soit produite à partir d'une source bas carbone comme en France. En effet, il ne faut pas oublier que les marges de progrès sont très variables selon la source d’énergie électrique utilisée.

Des défis techniques et économiques
 Les principaux enjeux relatifs au déploiement de ces technologies hybrides portent sur le coût des équipements électriques (moteur, électronique de puissance, stockage d'énergie,...) ainsi que sur leurs performances et leurs durabilités. La densité d’énergie et de puissance des batteries doit être augmentée et le coût abaissé tout en assurant les meilleures conditions de sécurité possibles. Les batteries lithium-ion et lithium-polymère constituent un réel progrès en termes de puissance embarquée comparées aux batteries nickel-métal-hydrure. Mais elles sont plus coûteuses et posent plus de problèmes de sécurité.
 Des progrès doivent aussi être réalisés sur le moteur électrique lui-même, encore trop coûteux et peu adapté à la grande série automobile. Autre point clé, le superviseur, véritable cerveau de l'automobile qui gère l’énergie à bord, les systèmes de climatisation, le freinage et les infrastructures de recharge. La complexité des véhicules hybrides, qui associent deux systèmes de motorisation et de stockage avec une grande variété d'architectures, nécessite un pilotage en temps réel par des logiciels intégrés dans les contrôleurs embarqués pour, qu'à chaque instant, soit prise les meilleures décisions pour optimiser la charge de la batterie, diminuer la consommation et assurer le meilleur agrément de conduite.

 

IFPEN engagé dans la recherche sur les véhicules hybrides et électriques

Les recherches d'IFPEN dans le domaine de l'hybride et l'électrique s'articulent autour des axes suivants : la conception de moteurs thermiques dédiés au véhicule hybride, la mise au point de stratégies de contrôle pour optimiser la gestion de l'énergie à bord, et, enfin, l'amélioration de la gestion des batteries, et en particulier, du diagnostic de l'état de charge pour étendre leur plage de fonctionnement. Pour réduire les coûts et délais de développement, IFPEN a adopté une démarche innovante qui associe le travail sur des maquettes virtuelles via la simulation sur ordinateur et des moyens d'essais réels.
 L'IFP participe à de nombreux projets de R&D dans ce domaine qui réunissent partenaires industriels et académiques (projets ANR, projets du Fonds démonstrateurs de l'Ademe, plate-forme de recherche Mov'eo Dege, etc.).

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

Hydrogène et pile à combustible (PAC) : une solution à long terme

Sans autres émissions que de la vapeur d'eau à l'échappement, le véhicule fonctionnant à l'hydrogène peut apparaître comme une solution inépuisable et propre. Mais c'est oublier que l'hydrogène doit être produit à partir d'une source d'énergie et que le bilan CO2 de la filière est complètement dépendant de son mode de production.

L'hydrogène est actuellement produit à partir du gaz naturel et du pétrole avec un bilan environnemental en termes d'émissions de CO2 qui n'est pas favorable. L’électrolyse de l’eau est la principale voie de production de l’hydrogène à partir de ressources non fossiles, et ce, malgré son coût actuel très élevé. La production d’hydrogène par transformation de la biomasse est une voie possible mais qui nécessite encore des travaux de R&D importants.
 Si un réseau de distribution d'hydrogène devenait disponible, on pourrait envisager son utilisation dans des moteurs à combustion interne dédiés à l'hydrogène. Cette solution est souvent imaginée comme une étape vers la pile à combustible puisqu'elle permet de commencer la validation de toute la filière hydrogène. Mais c'est sur un véhicule à motorisation électrique équipé d'une pile à combustible - qui offre un meilleur rendement énergétique que celui des moteurs traditionnels - alimentée à l'hydrogène que les constructeurs automobiles misent, même si de nombreuses difficultés demeurent pour sa mise en œuvre à grande échelle :
 - mise en place d'infrastructures de production,
 - émissions de CO2 lors de la production d’hydrogène à partir d'énergie primaire fossile (pétrole, gaz ou charbon),
 - création d'un réseau de distribution,
 - stockage de l’hydrogène à bord du véhicule,
 - coût relativement élevé des piles.

La PAC reste une option sur le long terme. Une production en série de véhicules à piles à combustible n'est pas envisageable avant les années 2030.

Produire de l’hydrogène dans des conditions favorables en termes économiques et de bilan CO2 .

IFPEN conduit des recherches pour lever les verrous technologiques sur toute la filière hydrogène : production, transport, stockage et utilisation dans les transports. IFPEN a développé une unité pilote (unité intermédiaire entre le laboratoire et l'unité industriel) produisant de l’hydrogène très pur à partir d’éthanol issu de la biomasse pour alimenter une pile à combustible.

 

Quels véhicules à quelle écheance ?
+ Zoom : Le véhicule connecté (Juillet 2015)

Liens utiles :

>> ADEME (Agence de l'environnement et de la maîtrise de l'énergie)
 >> Association Française du Gaz Naturel pour Véhicules
 >> Avere France
 >> CCFA (Comité des Constructeurs Français d'Automobiles)
 >> Comité Français du Butane et du Propane
 >> EDF
 >> GDF Suez
 >> Ministère de l'Ecologie, du Développement et de l'Aménagement durables
 >> Prolea : filière française des huiles et protéines végétales
 >> UFIP (Union Française des Industries Pétrolières)

Liste de liens externes
Médias

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