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Page de résumé pour ULgetd-12072009-141022

Auteur : Nzisabira, Jonathan
E-mail de l'auteur : jnzisabira@student.ulg.ac.be
URN : ULgetd-12072009-141022
Langue : Français/French
Titre : Intégration de l'Ecoefficience dans la conception préliminaire des véhicules propres: une approche basée sur l'optimisation multidisciplinaire
Intitulé du diplôme : Doctorat en sciences de l'ingénieur
Département : FSA - Département d'aérospatiale et de mécanique
Jury :
Nom : Titre :
Coquery, Gérard Membre du jury/Committee Member
Fleury, Claude Membre du jury/Committee Member
Germain, Albert Membre du jury/Committee Member
Jamoulle, André Membre du jury/Committee Member
Léonard, Olivier Membre du jury/Committee Member
Lilien, Jean-Louis Membre du jury/Committee Member
Van Mierlo, Joeri Membre du jury/Committee Member
Ngendakumana, Philippe Président du jury/Committee Chair
Duysinx, Pierre Promoteur/Director
Mots-clés :
  • Véhicules propres
  • Ecoefficience
Date de soutenance : 2009-09-04
Type d'accès : Public/Internet
Résumé :

Actuellement, notre planète est menacée par un réchauffement global qui entraînera des changements climatiques avec des conséquences néfastes sur la vie. Ce désastre est lié à l’augmentation rapide des gaz à effet de serre. Ces gaz proviennent de presque toutes les activités humaines mais les principales sources sont les industries, le chauffage résidentiel et

le transport. Car le principal gaz à effet de serre, de part ses quantités énormes présentes dans l’atmosphère, est le dioxyde de carbone (CO2) rejeté lors de la combustion des combustibles

fossiles dont le pétrole. Au niveau mondial, le transport dépend à 95% du pétrole. Ce qui représente 55% [WBCSD, 2004] de la consommation mondiale de pétrole ou 28% de l’énergie consommée dans le monde. De plus, le secteur de transport connaît une croissance

moyenne de 2% par an. Concernant le transport routier, il consomme, à lui seul, 1,7 GTEP (Gigatonne équivalent de pétrole) en énergie dont 58,6% d'essence, 37,7% de gazole et le reste, soit 3,7%, concerne les carburants alternatifs dont le gaz naturel, le GPL et les biocarburants qui ne représentent que 1,5 %. Selon l'étude "The Sustainable Mobility Projet" réalisée par WBCSD (World Business Council for Sustainability Development) en 2004 [WBCSD, 2004], la demande en transport routier connaît une forte croissance que ce soit pour

les passagers ou les marchandises. L'étude prévoit une augmentation de la demande de transport routier de 62% pour les passagers (calculée en passagers kilomètres) et 100% pour

les marchandises (calculée en tonnes kilomètres) dans les 30 prochaines années et elle sera doublée en 2050. Les régions qui connaîtront une large augmentation sont l’Afrique,

l'Amérique Latine, l'Inde et la Chine. Les zones comme l'Europe et l'Amérique du nord connaissent une demande relativement stable.

Cette augmentation du trafic routier ne manque pas de conséquences désagréables:

la congestion du trafic, La qualité de l'air, le dioxyde de carbone, la sécurité routière et la déplétion des ressources de pétrole. En résumé, les enjeux liés au transport routier uxquels nous devons faire face sont de trois ordres:

- La diversification des sources d'énergie pour se libérer de cette dépendance au pétrole qui n'est pas une source inépuisable et s'orienter vers d'autres sources plus propres telles que les biocarburants, l'électricité ou l'hydrogène.

- La réduction des émissions de gaz à effet de serre (GES) surtout le CO2

- Et la réduction des émissions polluantes réglementées (HC, NOx, CO, particules) et non réglementées, des nuisances comme le bruit et l'encombrement et les accidents de

la route.

Les solutions à tous ces problèmes s'orientent sur trois axes: la technologie, la planification et le comportement individuel. La technologie concerne non seulement la motorisation mais également la communication (transfert d'informations entre véhicules et entre véhicules et

infrastructures). La planification concerne la gestion des différents modes de transports tandis que le comportement individuel concerne le choix et l'usage du véhicule. L'amélioration de la motorisation est susceptible d'apporter plus de progrès en matière d'émissions de CO2 et des

polluants. Les moteurs (essence, diesel) et les carburants conventionnels constituent le pilier

de la motorisation. C'est pour cette raison que le transport routier et surtout la voiture particulière fait objet d’une forte pression de la part de la législation en vue de réduire les

émissions polluantes. Les normes d'émissions deviennent de plus en plus sévères et leur évolution montre une tendance à la convergence des limites d'émissions pour les deux types de moteurs. En effet, il est montré que les limites d'émissions de NOx pour le diesel ont fortement diminuées depuis 2000 et pourront atteindre le même niveau que celles autorisées pour l'essence en 2013. Le moteur diesel devra diminuer respectivement ses

émissions de NOx et de particules, de 85% et de 90%, par rapport à l'année 2000. Remarquons qu'à partir de cette année 2009 on va voir apparaître les limites d'émissions des particules pour les essences (injection directe) de même niveau que pour le diesel.

Concernant les émissions de CO2, la situation européenne montre, d’une part, l’engagement de l’ACEA (Association des Constructeurs Automobile Européens) de réduire les émissions de CO2 à moins de 120 g/km en 2012; d’autre part, en raison des objectifs arrêtés lors de la conférence de KYOTO, la proposition du parlement européen consiste à passer à 120g/km en

2006 pour atteindre 90g/km en 2010. Mais au regard de la situation actuelle, la moyenne des émissions de CO2 des voitures diesel en Europe tourne autour de 150g/km et 170g/km pour

les essences. On est donc loin des objectifs de KYOTO.

De gros efforts doivent donc être consentis pour réduire encore les émissions de NOx et de

particules pour le moteur diesel et simultanément pour améliorer le rendement (émissions de CO2) pour le moteur à essence avec un coût de plus en plus élevé. En effet, pour le moteur à essence, les niveaux d'émissions des polluants sont généralement très bas grâce aux systèmes de post-traitement basés sur des catalyseurs à 3 voies qui

éliminent simultanément le CO, les HC et les NOx. Toutefois, ces systèmes restent inefficaces au démarrage à froid et génère des pics d’émissions (70 à 85% des émissions de CO ont lieu à

ce moment). Pour pallier ce problème, les recherches s'orientent vers des techniques d'amorçage du catalyseur à froid mais une solution commerciale n'est pas pour demain. Le plus grand défi du moteur à essence réside dans la réduction de ses émissions de CO2 qui sont de 20% plus élevées par rapport au diesel. Pour y parvenir, certaines voies ont été envisagées d'autres sont en cours de développement. L'injection directe et la combustion stratifiée pour

moteur à essence permet d’atteindre potentiellement des gains de 10 à 15% sur le cycle NDEC mais cette technique n'est rentable que lorsque le moteur fonctionne à faible régime et en mélange pauvre et, l'excès d'air combiné à de fortes températures entraîne la production, par réaction chimique, des oxydes d'azotes. Le catalyseur classique n'est donc plus efficace et il faut recourir aux catalyseurs permettant de piéger ces oxydes pour les réduire ensuite, ce qui

conduit à une surconsommation du moteur lors des phases de déstockage de ces NOx, réduisant ainsi les gains obtenus. Le système à distribution variable combiné au downsizing basé sur la suralimentation par turbocompresseur est une technologie en développement qui

permet d'envisager des gains entre 7 et 13%. Mais l'augmentation de température des gaz d'admission augmente le risque de cognement (auto allumage) et de formation des NOx. Ce qui nécessite l’utilisation d’un échangeur de chaleur au risque de l'augmentation du coût duystème et de l'énergie consommée atténuant ainsi les gains obtenus sur la consommation. Enfin de nouveaux procédés de combustion CAI (Controlled Auto Ignition) ou HCCI (Homogeneous Charge Compression Ignition) sont étudiés et font entrevoir des gains de

consommation de 10 à 15%. La technologie diesel est très éprouvée et le rendement du moteur diesel est plus élevé que celui des moteurs à essence. L’injection directe à haute pression combinée à la suralimentation permet une diminution de la consommation de 15 à 20%, ce qui entraîne une diminution d’émissions de CO2. L’optimisation de la combustion, le système EGR (Exhaust

gaz recirculation) et la réduction de la taille du moteur (downsizing) augmentent encore le rendement. Toutefois, pour ce qui concerne les progrès à venir sur le diesel, il faut noter des émissions en oxydes d'azote et en particules qui restent importantes comparativement au moteur à essence. Ce fait est en quelque sorte reconnu par la réglementation actuelle avec des seuils d'émission de NOx supérieurs à ceux autorisés pour l'essence. Le «post-processing» des

gaz d’échappement pour le diesel (Catalyseurs 4 voies, filtres à particule, Selective Catalytic Reduction (SCR), continuously regenerating trap, etc.) contribuera à la réduction des émissions polluantes avec la généralisation du filtre à particules. Mais le filtre à particules est un système complexe et coûteux qui nécessite un carburant sans soufre et entraîne une surconsommation de l'ordre de 2 à 5%. De plus, le système EGR est accompagné par un refroidisseur qui abaisse la température de combustion et réduit ainsi la formation des NOx mais la diminution de la température de combustion favorise l'augmentation du monoxyde de carbone et d'autres imbrûlés. Notons également le développement des systèmes de contrôle de la combustion (modèles embarqués, capteurs/actionneurs) pour réduire les émissions polluantes mais ce sont des

systèmes de plus en plus complexes et coûteux. Les coefficients de résistance aérodynamique (SCx) et de frottement des véhicules ont aussi diminués grâce au nouveau design. Mais en même temps, les consommateurs continuent à exiger davantage de sécurité et de confort, ce qui se traduit en général par une augmentation du poids des véhicules défavorable à la consommation. L’usage de carburants alternatifs (CNG, LPG, Méthanol, H2…) a été aussi envisagé mais leur diffusion reste controversée.

De ce qui précède, le grand constat est que malgré d'autres technologies envisageables pour améliorer encore le rendement comme le HCCI (Homogeneous Charge Compression Ignition) pour le diesel et le CIA (Combustion Control Auto Ignition) pour les essences, les

technologies traditionnelles semblent avoir atteint une asymptote et ne pourront peut être plus répondre aux nouvelles exigences. En effet, il s'installe par exemple un conflit entre les techniques d'optimisation de la combustion et la réduction des émissions de polluants locaux. Les nouveaux systèmes d’optimisation de la combustion favorisent parfois une augmentation des émissions de certains polluants locaux nécessitant des systèmes de dépollution supplémentaires. L’ensemble devient complexe et consomme plus d’énergie réduisant ainsi les gains espérés.

D’autres solutions ont été envisagées et certaines ont déjà porté leur fruit: il s’agit des véhicules électriques et hybrides. Un des exemples les plus récents est la nouvelle Toyota Prius qui a déjà marqué des points en émettant moins de 120g/km de CO2.

Le véhicule électrique est théoriquement la meilleure solution: aucune émission directe de CO2 ni de polluants avec un bruit très réduit. De plus, ce véhicule se prête bien à la

diversification des sources d'énergies car, l'électricité qu'il consomme n'est pas une source mais un vecteur d'énergie qui peut donc être produit à partir de plusieurs sources dont les

énergies renouvelables. Le principal problème du véhicule électrique est lié aux batteries. L'autonomie reste faible (moins de 200km) et toute tentative d'amélioration de la capacité de

stockage d'énergie entraîne une augmentation du poids (réduisant ainsi les performances du véhicule) et du coût des batteries. Les meilleures batteries en termes d’énergie stockable sont les batteries au lithium ion mais elles restent très chères. Il n'y a pas d'amélioration spectaculaire envisageable dans un proche avenir. La pile à combustible constitue également une solution intéressante, car elle est une alternative technologique pour la conversion du carburant en électricité. Elle n'émet que de l'eau à l'échappement et son fonctionnement silencieux le rend plus adéquate en trafic urbain. Le rendement est théoriquement élevé (80%) mais en pratique, il est compris entre 50% et

60%. Toutefois, la pile à combustible est fabriquée à base de matériaux très coûteux. Il s’agit notamment du catalyseur en platine, du graphite et de la membrane perméable aux ions H+.

En outre, plusieurs problèmes liés au réseau de production et de distribution à grande échelle de l’H2, à son stockage ou à sa production à bord du véhicule restent toujours sans réponse. Ilexiste plusieurs filières de production de l'hydrogène mais le bilan de la consommation d'énergie et des émissions globales de CO2 reste problématique. Ces différentes filières de production devront attendre longtemps pour être validées et la pile à combustible apparaît comme une solution à long terme. Le Véhicule Hybride est une solution intermédiaire très prometteuse. L'intérêt de ce véhicule est sa capacité de combiner les deux sources d'énergie (thermique et électrique) et bénéficier ainsi des avantages du véhicule conventionnel et du véhicule électrique. Ces systèmes de

propulsion permettent de résoudre certains problèmes que l'on rencontre avec les systèmes conventionnels. Les moteurs à combustion interne ont une grande variabilité de régimes et

fonctionnent parfois à très faible rendement. A l'arrêt du véhicule, dans les files ou devant les feux, le moteur thermique continue à tourner entraînant plus de consommation alors qu’avec le système hybride, on peut couper le moteur thermique et le redémarrer très rapidement ou tout simplement rouler «en tout électrique» lorsque la demande en puissance est faible. Dans

d’autres cas, le moteur électrique apporte le supplément de puissance au moteur thermique lui évitant ainsi de fonctionner en dehors de ses capacités lorsque la demande en puissance est

élevée. Le système hybride offre la possibilité de récupérer l'énergie de freinage (généralement dissipée en chaleur) et d’augmenter ainsi le rendement. De plus, à haut rendement , le système hybride stocke le surplus d'énergie dans les batteries quitte à l'utiliser ultérieurement. Enfin, le downsizing du moteur thermique combiné à la bonne gestion de l'énergie permet également d'obtenir un très bon rendement global. Le grand inconvénient du véhicule hybride reste son coût élevé. La masse et le volume du système de propulsion doivent aussi être optimisés sur une puissance donnée. Mais, ce véhicule a de l'avenir parce

qu'il peut être décliné en plusieurs configurations, selon l’usage. L'hybride léger appelé aussi "mild hybrid" permet de gagner 10% sur la consommation bien que ses performances ne soient pas des plus appréciées mais pour un coût peu élevé. Le "full hybrid" ou hybride complet a de très bonnes performances et permet des gains de consommation allant jusqu’à 40% mais présente un coût plus élevé. Le véhicule hybride se prête non seulement à la diversification des sources d’énergie mais également à l’usage d’autres nouveaux composants comme les Supercapacités et les accumulateurs Hydrauliques ou pneumatiques. L'usage des composants hydrauliques a certes des inconvénients, liés surtout à leur masse et encombrement, mais suscite beaucoup d'intérêts au regard de leurs coûts et de leur recyclabilité moins polluante par rapport aux batteries.

Il ressort de ce qui précède qu'il existe beaucoup de solutions alternatives eu égard à la diversité des sources d'énergie d'une part et à la possibilité d'avoir plusieurs technologies de propulsion par combinaisons de différents composants d'autre part. Il est dès lors difficile de cerner les solutions les plus intéressantes sur tous les aspects lorsqu’on est encore à la phase de la conception préliminaire. Certaines filières de productions des carburants et ou de fabrication des véhicules par exemple restent méconnues quant à leur bilan énergétique et gaz à effet de serre (GES). Ainsi donc, bien que les véhicules hybrides soient prometteurs sur le plan environnemental, certaines interrogations subsistent:

- satisfont-ils mieux que les véhicules conventionnels les besoins de l’utilisateur?

- constituent-ils un réel progrès pour l’environnement?

- les performances environnementales ne sont-elles pas offertes à un prix nettement plus élevé en regard des ressources consommées?

Plusieurs outils d'évaluation des systèmes de transport automobile comme la LCA (Life Cycle Assessment), l'ECOSCORE existent mais sont orientés sur l'impact environnemental. Et

pourtant, le succès sur le marché des nouvelles technologies, notamment les véhicules hybrides, est fortement lié à la satisfaction des utilisateurs potentiels. D'où l'idée de définir

l'ECOEFFICIENCE comme un nouveau concept qui tient compte à la fois de l'impact des véhicules sur l'environnement et de la satisfaction de l'utilisateur (SU). Les contraintes

environnementales sont fortes et constituent souvent un élément essentiel des évolutions technologiques et des schémas d'organisation ou de planification des moyens et infrastructures de transport. La satisfaction de l’utilisateur souvent ignorée par les outils d’évaluation des systèmes de transport est aussi un élément important pour une clientèle de

plus en plus exigeante en matière de qualité et de service. Par ailleurs, les impacts sur l'environnement sont très nombreux, de nature très diverse et sont souvent antagonistes aux

critères de satisfaction de l’utilisateur (ou de performances). Cela explique la nécessité de disposer dans un premier temps d’outil et de méthode d’évaluation et dans un deuxième temps d’optimisation de l’écoefficience des systèmes de transport pour guider le concepteur.

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