Petit lexique des propulsions alternatives

Savez-vous comment fonctionne une hybride parallèle ? L’abréviation LPG vous dit-elle quelque chose ?

A quoi sert un Range-Extender ? Voici de A à Z les notions les plus importantes en rapport avec les propulsions alternatives pour que vos connaissances de ce thème soient à jour.

Accumulateur

On désigne par accumulateur ou accu les différents types de batteries rechargeables. Les fabricants parlent souvent, à tort, de batteries en se référant aux réserves électriques des véhicules hybrides et électriques.

Aérodynamique

L’aérodynamique conditionne la résistance à l’avancement d’un véhicule. Elle influence donc la consommation, surtout à haute vitesse. L’aérodynamique d’une voiture est définie, entre autres critères, par son coefficient de pénétration dans l’air (Cx). Plus il tend vers zéro, meilleur est le résultat.

Batterie

La batterie stocke de l’énergie par processus chimique pour la restituer en temps voulu. Par définition, les batteries ont un cycle de vie déterminé et doivent ensuite être recyclées. Les batteries automobiles sont rechargeables, raison pour laquelle il s’agit plutôt d’accus. Les voitures électriques sont dotées d’accus de type nickel-hydrure de métal ou lithium-ions pour les plus avancées techniquement.

Batteries lithium-ions

Ces accumulateurs représentent l’avenir des véhicules électriques et hybrides. Ils proposent une densité énergétique supérieure à celle des batteries conventionnelles, mais leur essor est encore entravé par de nombreux obstacles : une gestion thermique complexe, une densité énergétique qui reste dix fois inférieure à celle des carburants fossiles et des coûts de fabrication élevés.

Batteries nickel-hydrure de métal

Parfaitement éprouvés, ces accumulateurs sont utilisés à large échelle depuis longtemps et sur un large éventail de véhicules électriques et hybrides. Leur faible densité énergétique limite toutefois l’autonomie.

Biocarburants

Les biocarburants remplacent le diesel et l’essence. L’alcool fabriqué à partir de matières premières renouvelables (éthanol ou méthanol aux États-Unis) se substitue et se mélange à l’essence dans des proportions variables (du E5 à 5% au E85 à 85% d’éthanol). L’éthanol retarde le phénomène d’auto-combustion (cliquetis) mais se montre plus corrosif et affiche une plus faible teneur énergétique que l’essence. Il implique donc un surcroît de consommation. Dans le cas des moteurs diesel, on peut remplacer le carburant fossile par des huiles végétales (colza) subissant une transestérification. L’utilisation de carburants bio en forte proportion nécessite des aménagements du circuit d’alimentation et du moteur.

Bivalent

Un moteur bivalent fonctionne aussi bien avec des carburants conventionnels qu’avec des carburants alternatifs. La gestion moteur diagnostique le carburant sélectionné et adapte automatiquement l’injection et l’allumage. A l’inverse, une motorisation monovalente ne fonctionne qu’avec un carburant déterminé. Un moteur « quasi monovalent » est optimisé pour un carburant précis (par ex. le gaz naturel) mais accepte un deuxième carburant au prix d’une perte de puissance.

CNG (Compressed Natural Gas – gaz naturel)

Le gaz naturel fossile, issu de gisements souterrains, se compose en majeure partie de méthane. Grâce à sa faible teneur en carbone, sa combustion génère moins de CO2 que les carburants liquides. Le gaz naturel est stocké sous pression (sous forme gazeuse). Le gaz naturel est injecté à une pression de 7 bars dans les cylindres. Sa forte expansion limite la quantité d’air (donc d’oxygène) nécessaire à la combustion. Pour cette raison, la puissance à pleine charge diminue de 10 à 15% par rapport à un moteur à essence. La suralimentation permet de compenser cette perte de puissance en insufflant de l’air comprimé.

Downsizing

Cette approche vise à réduire la cylindrée des moteurs, et donc la quantité d’air maximale en phase d’aspiration. On ouvre ainsi plus fréquemment le papillon au maximum, en réduisant les pertes par pompage. Un petit moteur génère aussi moins de frictions, a fortiori lorsque le downsizing se conjugue à une réduction du nombre des cylindres. On retrouve le facteur de réduction de la cylindrée dans le déplacement de la zone de charge partielle, qui glisse vers de meilleurs rendements, proches de la charge maximale. Une suralimentation appropriée fournit une plus grande quantité d’air dans les cylindres afin de compenser la perte de puissance imputable à la réduction de cylindrée.

Efficacité énergétique

Par efficacité ou rendement énergétique, on entend le rapport entre l’apport d’énergie et l’exploitation d’énergie d’un système (p.ex. moteur d’une voiture, pièce dans une maison). Plus l’énergie apportée est exploitée, plus grande sera l’efficacité énergétique. On parle d’une augmentation de l’efficacité énergétique lorsque la même prestation ou une prestation accrue est obtenue avec une consommation d’énergie réduite. Les nouvelles technologies automobiles permettant d’économiser du carburant sont un bon exemple pour l’augmentation de l’efficacité énergétique : il faut moins de carburant (dépenses énergétiques) pour assurer la locomotion du véhicule (prestation) qu’avec des moteurs traditionnels.

À l’achat d’une voiture à grande efficacité énergétique, le client peut se fier à l’étiquette Energie dont les voitures de tourisme sont obligatoirement munies. Cette étiquette comporte les catégories A (grande efficacité énergétique) à G (faible efficacité énergétique).

GPL (Liquified Petroleum Gas – gaz liquéfié)

Ce mélange de butane-propane est obtenu à partir du pétrole. Lorsqu’il est liquéfié, sa densité énergétique est inférieure d’environ 20% à celle de l’essence. Il entraîne donc des émissions d’autant plus faibles, mais implique une consommation supérieure. Son indice d’octane élevé (105 et 115) autoriserait un taux de compression plus élevé, apte à compenser la plus faible teneur énergétique. Toutefois, les moteurs compatibles au GPL restent avant tout des moteurs à essence (bivalent) et perdent une part de leur potentiel avec le carburant alternatif.

Hybride

Issu du latin « hybrida » (mélanger ou croiser), ce terme se réfère à la combinaison de deux ou plusieurs moteurs de différents types pour propulser un véhicule. Cas le plus fréquent, la voiture hybride embarque un moteur thermique et un moteur électrique placés en série (range extender), en parallèle ou de manière mixte. Sur les propulsions hybrides, la puissance maximale de propulsion ne correspond pas à la puissance cumulée des deux moteurs. Dans le cas d’une hybridation complète (full hybrid), le véhicule peut circuler quelques kilomètres en mode purement électrique. Les hybrides partielles en sont incapables, leur moteur électrique n’apportant qu’un surcroît de puissance à l’accélération. Il récupère aussi de l’énergie à la décélération.

Hybride en série

L’hybridation en série relègue le moteur thermique au rang de simple génératrice de courant, chargeant les accus. Celui-ci peut être d’ailleurs remplacé par une pile à combustible. La propulsion proprement dite est entièrement assurée par le moteur électrique. L’hybride en série est en général de type plug-in, c’est-à-dire rechargeable sur le secteur, comme la Chevrolet Volt.

Hybride mixte

Les hybrides mixtes sont en mesure de fonctionner en mode sériel ou parallèle en fonction des conditions de conduite. Le moteur à combustion peut, de concert avec l’alternateur, se contenter de recharger les accus. Mais il peut aussi alimenter directement le moteur électrique (propulsion hybride sérielle) ou animer par lui-même les roues motrices (propulsion hybride parallèle). L’hybride mixte la plus connue est sans conteste la Toyota Prius (Hybrid Synergy Drive System).

Hybride parallèle

A la différence de l’architecture hybride sérielle, l’architecture parallèle fait intervenir le ou les moteurs électriques en même temps que le moteur à combustion sur la chaîne cinématique. La voiture peut ainsi se contenter d’un petit moteur à combustion atmosphérique, « boosté » par le moteur électrique. Cette configuration est notamment retenue par Honda pour son modèle Insight.

Hybride plug-in

Doté d’accumulateurs de forte capacité, le véhicule hybride plug-in se recharge sur le réseau électrique domestique. Son petit moteur à combustion ne sert en principe que de génératrice visant à accroître l’autonomie (range extender).

Moteur à hydrogène

Un moteur à combustion interne peut fonctionner à l’hydrogène moyennant de lourdes modifications. Par rapport au moteur essence de base, on obtient des émissions de CO2 et de gaz nocifs pratiquement nulles, tout au moins à l’échelle locale. En contrepartie, le rendement baisse de manière notable. En considérant le bilan énergétique dans sa globalité – puisqu’il faut aussi produire l’hydrogène à grands coûts – ce type de propulsion ne présente pour l’instant qu’un intérêt marginal.

Normes de consommation

La consommation normalisée publiée par les constructeurs est calculée selon des cycles de conduite définis, les mêmes que pour le calcul des émissions. En Europe, le nouveau cycle NEDC se compose enfait de deux cycles complémentaires (liaisons interurbaines et ville). La consommation mixte (appelée aussi consommation UE) est calculée sur la base des composants des gaz d’échappement. Réalisés en laboratoire, dans des conditions optimales, ces cycles impliquent bien souvent des divergences avec les relevés que l’on observe en conduite réelle, comme lors de nombreux essais.

Normes de dépollution

Valeurs plafond fixées par le législateur pour les polluants contenus dans les gaz d’échappement (monoxyde de carbone, oxydes d’azote, hydrocarbures imbrûlés, particules). Les normes Euro 5 entreront en vigueur le 4 septembre 2009 pour tous les modèles nouvellement homologués. Les seuils Euro 4 seront toutefois encore valides pour les autres véhicules neufs, pendant une période de transition d’un an. Les normes peuvent différer en fonction des pays. En Europe et dans quelques autres pays, ce sont les normes UE, établies sur le cycle de conduite NEDC, qui font foi. En Amérique du Nord, les véhicules doivent répondre aux normes US-EPA ou US-CARB. Le Japon utilise ses propres standards. Les normes Euro 6 pour moteurs diesel rentrera en vigueur en septembre 2014 en Belgique

Périphériques commandés

Les organesmécaniques périphériques d’un véhicule (compresseur de climatisation, pompe à eau, pompe à huile, servodirection) consomment de l’énergie même lorsqu’ils ne sont pas sollicités. On cherche donc à les faire intervenir sur commande, ou avec une intensité variable, afin de réduire la consommation. On peut réguler ces organes par le truchement de dispositifs mécaniques débrayables ou par le biais decommandes électriques.

Pile à combustible

Formé de cellules regroupées en « stack », ce convertisseur d’énergie utilise l’hydrogène et l’air pour alimenter un accu ou le moteur électrique. La transformation des deux gaz produit de l’eau. La pile à combustible se distingue par un rendement élevé et permet, tout au moins localement, de rouler sans rejeter de CO2 ni de gaz nocifs.

Propulsion alternative

Ce terme générique désigne tous les types de propulseurs qui ne fonctionnent pas uniquement à l’essence ou au diesel. On regroupe dans la catégorie des véhicules alternatifs ceux qui roulent au gaz (bio ou non), à l’éthanol (bio ou non), à l’hydrogène (pile à combustible ou combustion) ou à l’électricité (hybrides compris).

Propulsion alternative

Range extender

Utilisé sur les véhicules à hybridation en série, cet amplificateur de rayon d’action est en fait un petit moteur thermique embarqué, qui ne sert qu’à recharger les accus du moteur électrique. Il est donc totalement découplé de la transmission. Une pile à combustible (hydrogène) peut remplir le même rôle. Le range extender fait plutôt figure de solution de secours car il ne peut alimenter aussi efficacement la chaîne cinématique que des accus chargés.

Recyclage des gaz d’échappement

La recirculation d’une partie des gaz de postcombustion dans les chambres permet d’abaisser la température de la combustion suivante, réduisant ainsi la formation d’oxydes d’azote (NOX). Quand le moteur tourne à charge partielle, le recyclage des gaz d’échappement abaisse aussi la consommation car le volume d’air disponible pour la combustion diminue dans la proportion des gaz d’échappement recyclés.

Suralimentation

Les organes de suralimentation (turbocompresseur, compresseur, compresseur à ondes de pression) compriment l’air nécessaire à la combustion. On augmente ainsi le débit d’air du moteur et, parallèlement, la quantité de carburant injecté pour accroître la puissance. La suralimentation permet aussi de réduire la cylindrée des moteurs (downsizing) en privilégiant alors la baisse de consommation par rapport à un moteur atmosphérique plus gros. Au contraire du compresseur à entraînement mécanique ou électrique, le turbocompresseur et le compresseur à ondes de pression exploitent une énergie habituellement perdue (la pression des gaz d’échappement).

Systèmes start-stop

Ces systèmes permettent de couper automatiquement le moteur lorsque le véhicule s’arrête, et de le redémarrer aussitôt qu’on enfonce l’embrayage. Une voiture équipée d’un tel dispositif embarque une batterie de forte capacité et une accumulateur d’appoint, capable d’alimenter le démarreur renforcé et l’électronique de commande. La fonction start-stop est d’office intégrée aux voitures hybrides, sur lesquelles le propulseur électrique assure le redémarrage. Sa remise en fonction est automatique et instantanée au « lâcher » de la pédale de frein lorsque le conducteur souhaite repartir.

Tank-to-wheel

Cette analyse se rapporte au calcul de la consommation d’énergie et des émissions de polluants lors de l’utilisation du véhicule selon un cycle de conduite défini.

Well-to-tank

Cette analyse présente la consommation d’énergie et les émissions (en particulier de gaz à effet de serre) sur tout le cycle d’acheminement du carburant, depuis la matière première (extraction-production) jusqu’au pistolet de la station-service ou au chargeur de la voiture électrique.

Well-to-wheel

Cette analyse du « puits à la roue » appréhende le bilan énergétique et les polluants émis depuis l’extraction production du carburant jusqu’à la force transmise aux roues du véhicule. Bien qu’une telle analyse repose avant tout sur des estimations, elle contredit bien souvent certaines idées reçues. L’électricité produite dans des centrales thermiques à charbon n’est pas particulièrement « propre » !