MI55-GAILLARD_DUROCHER

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MI55-GAILLARD_DUROCHER

  1. 1. SYSTEMES DE RECUPERATION D’ENERGIE DANS L’AUTOMOBILE Mécaniqueet interactions: sujet n°55 (MI55) GAILLARD Nicolas DUROCHERIsaac Enseignant encadrant : Hervé Louche Résumé Dans une automobile, seulement 35% de l’énergie de combustion d’unmoteur sert à faire tourner les roues du véhicule. Le reste de cette énergie est inutilisée, perdue. Ces pertes d'énergie sont principalement sous forme d'énergie mécanique et thermique. A titre de comparaison, ces pertes correspondent à 44% de l’énergie électrique produite par le parc nucléaire françaisqui est perdus chaque année dans l’automobile. Il est donc indispensable de récupérer et de réutiliser une partie de l’énergie afin de rentabiliser aumaximumla productiond’énergie. Pour cela, de nombreux systèmes de récupérationd'énergie existent alors que d’autres sont seulement encours de développement. Il existe deux cas de figures :soit ces systèmesrécupèrent l'énergie mécanique ou thermique pour la réutiliser directement sous cette forme, soit ils la convertissent, la plus part du temps, enélectricité, pour la réutiliser sous une autre forme d'énergie. L'étude de ces systèmes fera l’objet de ce rapport.
  2. 2. SOMMAIRE I – INTRODUCTION : LA SITUATION ACTUELLE ............................... 1 II – ANALYSE DES DIFFERENTES PERTES ......................................... 2 III – SYSTEME DE RECUPERATION DE L’ENERGIE CINETIQUE (SREC) . 3 1) PAR VOLANTD’INERTIE .....................................................................................................................................................3 a) Présentation............................................................................................................................................................3 b) Principe ....................................................................................................................................................................3 c) Rendement..............................................................................................................................................................4 d) Application industrielle .........................................................................................................................................4 2) PAR BATTERIE...................................................................................................................................................................5 e) Présentation............................................................................................................................................................5 f) Principe ....................................................................................................................................................................5 g) Application industrielle .........................................................................................................................................6 IV – RECUPERATION DE L’ENERGIE THERMIQUE AVEC LE CYCLE DE RANKINE .................................................................................... 6 1) PRESENTATION.................................................................................................................................................................7 2) PRINCIPE..........................................................................................................................................................................7 Processus du cycle de Rankine......................................................................................................................................7 3) RENDEMENT ....................................................................................................................................................................8 4) APPLICATION INDUSTRIELLE...............................................................................................................................................8 V – LES SOLUTIONS ANNEXES OU EN COURS DE DEVELOPPEMENT.. 8 V – CONCLUSION......................................................................... 8 VII – ANNEXES 1 : SOLUTIONS ANNEXES........................................ 9 1) THERMOELECTRICITE.........................................................................................................................................................9 a) Présentation............................................................................................................................................................9 b) Principe ....................................................................................................................................................................9 c) Rendement............................................................................................................................................................10 d) Application industrielle .......................................................................................................................................10 2) ‘’TURBOCOMPOUND’’....................................................................................................................................................10 3) LES ALLIAGES AMEMOIREDEFORME (OU AMF) ..............................................................................................................10 4) L’AMORTISSEUR A RECUPERATION D’ENERGIE ..................................................................................................................11 5) LACONVERSION DECHALEUR EN ELECTRICITEAU NIVEAU DU RADIATEUR...........................................................................12 6) LES CHOCS AU NIVEAU DES PNEUMATIQUES .....................................................................................................................12 VIII – REFERENCES (PAR ORDRE D’APPARITION) .......................... 12
  3. 3. Polytech Montpellier Système de récupérationd’énergiedansl’automobile GAILLARD NICOLAS DUROCHERISAAC 1 I – Introduction : la situation actuelle Avantd’aborderlesdifférentsprincipesde récupérationd’énergie dansl’automobile,il estpréférable de poser la situation ainsi que les problèmes qui en résultent. On rappelle également qu’un watt est la puissance d’unsystème énergétique danslequel une énergie de 1 joule est transférée pendant 1 seconde. Aujourd’hui,seulement 35% de l’énergiede combustiond’unmoteursertàfaire tournerlesrouesdu véhicule.Le reste, soit 65% de l’énergie produite par un moteur automobile issue du carburant, est perdu1 , généralementsousforme de chaleurdontuntiersdans lesgaz d’échappement,lesfrottementsmécaniques, le radiateur et les pertes thermiques diverses. Un comble, à l’heure où lesressources fossiles se raréfient et où le coût de l’énergie augmente. Une comparaisonde ces pertesavecdesobjetsde la vie courante,ainsi qu’à une plusgrande échelle comme les centrales nucléaires, permet de prendre conscience de l’étendue de ces pertes. En effet, une ampoule de basse consommation consomme environ0,01 𝑘𝑊 ; une lampe (de type néon) 0,02 𝑘𝑊 alors qu’un radiateur à 50 °𝐶 consomme quant à lui 2 𝑘𝑊. De même, un homme pratiquant du sport a une puissance comprise entre 100 et 150 𝑊 alors qu’un cycliste en plein effort peut grimper jusqu’à 400 𝑊. Examinonsmaintenantle casd’une petite citadine de 80chevaux.Elle consomme environ 59 𝑘𝑊 (en effectuant la conversion : 1 𝑐ℎ = 0,736 𝑘𝑊). Or, nous avons dit précédemment que seulement 35% de l’énergie était utile. Par conséquent près de 38 𝑘𝑊 sont perdus, inutilisés. Soit pour chaque véhicule en marche, une perte de 38 𝑘𝑊ℎ. En 2004 enFrance,lavoiture utilisaitplusde 24millionsde tonned’équivalentpétrole(ou tep).Ce qui équivaut donc à 279120 × 106 𝑘𝑊ℎ/𝑎𝑛, soit 7,65 × 108 𝑘𝑊ℎ/𝑗𝑜𝑢𝑟 ou encore 765 𝐺𝑊ℎ/𝑗𝑜𝑢𝑟 (avec 1 𝑡𝑒𝑝 = 11630 𝑘𝑊ℎ). Or le rendement d’un moteur de combustion est seulement de 35%, ce qui signifie que 497,25 𝐺𝑊ℎ ont été perdus et inutilisés tous les jours en 2004. À titre de comparaison, le parc nucléaire français produit en moyenne 410 × 109 𝑘𝑊ℎ par an soit 1,123 × 109 𝑘𝑊ℎ/𝑗𝑜𝑢𝑟 ou encore 1123 𝐺𝑊ℎ/𝑗𝑜𝑢𝑟. L’énergie perdue partouteslesautomobilesenFrance représente doncenviron 𝟒𝟒, 𝟑% de l’énergie électrique produite par le parc nucléaire français ! La récupération d’énergie ainsi que l’utilisation d’énergie dite « verte » est devenue un enjeu fondamental de notre décennie notammentdansl’ingénierie oùl’oncherche à économiserau maximumles énergies fossiles afin de préserver la planète,tout en minimisant les coûts. L’automobile n’échappe pas à la règle, d’autant plus que nous l’utilisons tous les jours. Il est d’abord nécessaire de réduire les pertes avant de chercher à réutiliser l’énergie perdue. Cette énergie récupérée et que l’on pourraitqualifier de "gratuite"pourrait servir dans de nombreuses situations. En effet, elle pourrait par exemple participer au confort de l’usager en chauffant le véhicule, alimenter des élémentsduvéhiculesainsi que contribuerà sa propulsion.Lesopportunitéssontnombreuses.L’objectif est donc d’utiliser de moins en moins d’énergies fossiles et par conséquent de plus en plus d’énergies renouvelables issues, par exemple, de la récupération d’énergie dans l’automobile. Quels sont les systèmesexistants ? Comment fonctionnent-ils? Quelles sont les solutions d’avenir ? Quelles sont les solutions utilisées dans les voitures en série ? Avantde répondre àcesdifférentesquestions,nousanalyseronslesdifférentespertesd’énergiedans un véhicule. Par la suite, nous évoquerons les principaux systèmes existant ou en cours de développement ainsi que leur fonctionnement. Nous examinerons par les solutions annexes avant de conclure. 1 Nous ne tiendrons pas compte ici des autres pertes (frottements dans l’air,dissipation dans lespneumatiques,etc.)
  4. 4. Polytech Montpellier Système de récupérationd’énergiedansl’automobile GAILLARD NICOLAS DUROCHERISAAC 2 II – Analyse des différentes pertes Avant de chercher à réduire les perteset réutiliser l’énergie perdue, il est nécessaire d’identifier les différentes pertes dans un véhicule. Identifier signifie, en premier lieu, localiser les pertes, puis, associer le type d’énergie perdue à son positionnement. En effet, elles sont diverses et variées et nous tenterons d’étudier les plus importantes dans cette partie.  Sous quelles formes est perdue l’énergie dans une automobile ? Dans l’automobile, l’énergie se présente sous forme d’énergie mécanique (principalement de l’énergie cinétique) et d’énergie calorifique. Ce sont donc sous ces deux formes que l’on constate des pertes.  Où sont situées les principales pertes d’énergies ? Lespertesne sontpasconcentréesdansunpôle.Eneffet,ellessontdisperséesdanslatotalité duvéhicule. On retrouve despertesd’énergie thermiqueauniveaudespotsd’échappements,dumoteur,aux freinsainsi qu’auniveaude latransmissionprincipalement.Quantaux importantespertesd’énergiesmécanique,ellesse trouventau niveaude la carrosserie extérieure,despneumatiques,de latransmissionetégalement despots d’échappements.  Quand sont observées ces pertes ? Il est importantde comprendre que cespertesne s’effectuentpasaumême moment.Eneffet,onrepère une perte d’énergie cinétique lors de la phase de freinage (et donc au niveau des freins). On constate également plusieurs pertes lors du déplacement “normal“ du véhicule.Il y a une perte d’énergie mécanique lors des frottements de l’air sur la carrosserie ainsi qu’une perte d’énergie calorifique lors de la combustion s’effectuant au niveau du moteur. Afinde mieux distinguerlesdifférentespertes,nousavonsélaboré undiagramme synthétisantl’analyse des différentes pertes. Figure 1. Synthétisation des pertes d'énergie dans l'automobile
  5. 5. Polytech Montpellier Système de récupérationd’énergiedansl’automobile GAILLARD NICOLAS DUROCHERISAAC 3 Il est important de préciser que certains systèmes sont moins avancés mais aussi moins intéressants et efficacesque d’autres.Eneffet,certainssontenphase de recherche et de développementalorsque certains sont prêts à être commercialisés ou le sont déjà. Par conséquent, nous n’étudierons pas tous les systèmes avec la même profondeur et rigueur. Réellement, nous nous attacherons aux deux systèmes qui nous paraissent les plus complets et nous nous contenterons d’aborder brièvement les autres dans l’annexe. Notons également que l’hybridation des véhicules permet de réduire les pertes mais ne représente pasréellementdesprocédésde récupérationd’énergie,parconséquent,ellene serapastraitée ici.Parcontre, lesvoitureshybridessontlespremièresàaccueillirlesdifférentssystèmes.De plus,despertessontobservées au niveaudumoteur,maisle traitementde l’énergie (àrécupérer) se situe aux pots d’échappements. Nous commencerons par le système de récupération de l’énergie cinétique (ou SREC en français et KERS en anglais) par volant d’inertie, ainsi que par batterie, puis examinerons la récupération d’énergie calorifique aux pots d’échappements à l’aide du cycle de Rankine avant d’aborder succinctement les autres systèmes. III – Système de récupération de l’énergie cinétique (SREC) Chaque foisque notrevoiture s’arrêteàunfeurouge (parexemple), sonénergiecinétique estdissipée sousforme de chaleurdanslesfreins etestdoncperdue.Lorsque lefeupasseauvert,notre moteurrégénère de l’énergie cinétique en accélérant notre véhicule, ce qui provoque de nombreuses pertes. Le SREC, acronyme de Système de récupération de l'énergie cinétique (KERS ou Kinetic Energy Recovery System en anglais) est un système de freinage, surtout utilisé dans le monde de l'automobile,qui récupère une partie de l'énergie cinétique générée par le freinage au lieu de la disperser sous forme de chaleur.L'énergie récupérée peutalorsêtre réutilisée,soitpourlapropulsionduvéhiculecomme c'est déjàle cas enFormule 1, soitpour toute autre fonctionnécessitantune source d'énergie. Danslasuite du chapitre, nous utiliserons l’abréviation SREC. Le physicienaméricainRichardFeynmanestà l’origine danslesannées1950 de l’inventiondu SRECdans sa versionmécanique etde sonapplication. Il existe actuellementdeux typesde système de récupérationde l'énergie cinétique utilisée, l'un utilisant une batterie, l'autre un volant d’inertie. 1) Par volant d’inertie a) Présentation Revenonsàla situationdufeurouge : plutôtque de dissiperl’énergie enchaleur,il estpréférable de la stocker afin de la réutiliser au bon moment notamment lors du redémarrage et des accélérations. Il est possible de directement récupérer cette énergie cinétique, sans effectuer de conversion au préalable en faisanttournerunvolantd’inertieàplusieursdizainesde milliersde toursparminute,qui larestitueraviaune transmission mécanique. Mais comment fonctionne-il et quelle en est sa composition ? b) Principe Un système de récupération de l'énergie cinétique par volant d'inertie fonctionne de la manière suivante :un arbre de transmissionse metenmarche et actionne unembrayagequi,àsontour,actionne unautre arbre. Celui-ci fait tourner le disque contenu dans le volantd’inertie.Il estconstitué d’une masse (que ce soit un anneau ou un tube) en fibre de carbone. Figure 2. Schéma du volant d'inertie de Volvo
  6. 6. Polytech Montpellier Système de récupérationd’énergiedansl’automobile GAILLARD NICOLAS DUROCHERISAAC 4 L'embrayage estensuite déconnectédupremierarbre.Lamasse tourne alorstrèsvite :entre 8000 et 16 000 tours par minute en peu de temps et peut atteindre jusqu’à 60 000 tours par minute. On remarque que c’est un principe semblable à celui d’une dynamo. Quandonveutrécupérerl'énergie,onconnectel'embrayage àunnouvelarbre qui est misenrotation par l'énergiestockée danslevolantd'inertie.Dansle casde laFormule 1, lespilotes peuventutiliserseulement 400 kJ de l’énergie récupérée en appuyant sur un simple bouton, déclenchant un afflux supplémentaire de puissance de 80 chevaux pendant 6,67 secondes (ou 40 chevaux pendant 13 secondes) dans les phases d'accélération.L’énergie peutservirsoitàdonnerplus de performances(booste àl’accélération),soit àfaire avancer la voiture, lorsqu’elle est en vitesse de croisière. Intéressant, à condition de pouvoir freiner régulièrement. Le système de SREC par volant d'inertie possède de nombreux avantages, notamment de ne pas convertir l'énergie sous une autre forme. Ainsi, les pertes inévitables lors de la conversion mécanique/électrique sontdiminuées. De plus,le système aune phase de stockage très rapide par rapportà une batterie etun tempsde réponse trèscourt. Pour finir,il n’ya aucune pollution :ni combustiblesfossiles, ni produits chimiques ne sont utilisés dans ce système. Maisil présente égalementcertainsinconvénients,telque lepoidsetl’encombrement qu’ilprovoque. De plus, le mécanisme possède un temps de stockage limité.En effet, il ne permet pas d’obtenir une durée d’autonomie importante comme les batteries électrochimiques. c) Rendement Dans la formule 1, les400 kJ que délivre le SRECà chaque tour représententl'équivalentenessence de 0,021 litre, soit 1,47 litre par Grand Prix. Volvoprévoiraitderéduire de20%laconsommationde carburantgrâce àsonvolantd’inertie,bientôt disponible dans des véhicules en série. d) Application industrielle La Formule 1 a été le précurseur du volant d’inertie dans l’automobile. En effet, le système a été introduitdurantlasaison2009. De plus,il estmaintenantutilisédansde nombreusescompétitionstellesque les 24 heures du Mans. Aujourd’hui,desconstructeursautomobilescherchentàintégrerle système ensérie.En effet,Volvo a annoncé un volant d’inertie de 6 kilogrammes, mesurant 20 centimètres de diamètre et tournant jusqu’à 60 000 tours par minute sousvide.Le système proposé parVolvopourraitabsorberl’énergiecinétiqued’une Figure 3. Détails des composants d'un SREC Figure 4. Disposition d’un SRECdans une voiture Volvo
  7. 7. Polytech Montpellier Système de récupérationd’énergiedansl’automobile GAILLARD NICOLAS DUROCHERISAAC 5 voiture de 2 tonnesroulantà90 km/h.De plusle système,peutrestituer80cheveux de puissance,soit60kW pendant20 secondes. Enfin,le volantd’inertie de Volvoesttotalementindépendantdublocmoteurcar il se monte sur l’essieu arrière d’une traction avant grâce à un système ingénieux : c’est un variateur de vitesse mécanique (CVT module sur la Figure 3.) qui permet de coupler le volant d’inertie à l’essieuarrière avec un rapportde transmissionvariable,commandéélectroniquementenfonctiondesvitessesdesdeuxélémentset desactionssurlespédalesde freinetde gaz.L’entreprise Torotrak auraitdéveloppé le systèmepourle volant d’inertie de Volvo. Ce n’est pas une entreprise débutante sur ce domaine, puisqu’elle avait collaboré à des projetsde SREC pourla Formule 1. Dernierpoint,et nondesmoindres,le volantd’inertie de Volvosera bridé dans sa puissance de restauration : seulement 60 kW. 2) Par batterie e) Présentation Le SREC par volant d’inertie n’est cependant pas la seule technique permettant une récupération d’énergie cinétique. Il existe aussi le SREC par batterie. De plus en plus utilisé dans le domaine de la course automobile,ce système permet au pilote, lorsqu’il presse un bouton,de bénéficier d’un « boost » lors d’un dépassement ou à la sortie d’un virage. f) Principe Le système initialestle même queprécédemmentmais,aulieu d'actionnerle volant,l'arbre actionne une “machine électrique "qui fonctionne endynamoetconvertitl’énergie mécanique enénergie électrique elle-même stockée dansune batterie.Quandon veutréutiliserl'énergie,oneffectue le processusinverse,la machine électrique joue alors le rôle de moteur. L’inconvénient de ce système est le poids des batteries et leur faible résistance aux charges/décharges rapides. Il y a 3 éléments principaux qui composent ce SREC :  Un moteur électrique situé entre le réservoir et le moteur qui est directement relié à l’arbre  Des batteries ion-lithium situées sous le réservoir  Une boîte de contrôle KCU (Kers Control Unit) (cf. Figure 6.) Son fonctionnement peut être découpé en deux séquences : Phase de charge : Lors du freinage, les roues entraînent un moteur électrique directement relié à l’arbre moteur et fonctionnant comme un alternateur classique. Ce moteur convertit l’énergie mécanique ou cinétique en énergie électrique qui sera transférée vers l’unité électronique. Ensuite, cette unité transforme l’énergie chimique pour qu’elle soit stockée dans les batteries ion-lithium. Le pilote possède à ce moment-là d’une énergie disponible à tout moment par appui sur un bouton. Phase de décharge Quand le pilote appuie sur le bouton, l’énergie chimique des batteries est convertie en énergie électrique puis est redirigée vers l’unité électronique. Cette énergie va être ensuite fournie au moteur- générateur qui fonctionnera comme un moteur apportant de la puissance mécanique au moteur principal puisqu’il est directement lié à l’arbre moteur et procure ainsi au véhicule une puissance supérieure pendant un certain temps.
  8. 8. Polytech Montpellier Système de récupérationd’énergiedansl’automobile GAILLARD NICOLAS DUROCHERISAAC 6 Il est possible de représenter les deux phases avec le schéma suivant : Figure 2. Fonctionnement du SREC par batterie Le vilebrequin (1) est "boosté" par un moteur électrique (3) lui-même alimenté par une batterie au lithium (2) qui est elle-même rechargée par l'énergie récupérée lors des freinages Toutes ces informations transitent par la boîte de contrôle qui assure la charge et la libération de l’énergie accumulée. Cette boîte est reliée au cerveau électronique de la Formule 1. Figure 3. Schéma d'utilisation du SREC par batterie g) Application industrielle Le SREC par batterie n’apas que desqualités(masse desbatteries,durée de vie desbatteries réduite à cause des charges et décharges rapides) mais est plusléger, plus compact et plus facile à fiabiliser que le SREC par volant d’inertie. C’est le choix effectué par toute la Formule 1, à ce jour la seule à l’utiliser. IV – Récupération de l’énergie thermique avec le cycle de Rankine Les gaz d’échappement dispersent à eux seuls 35% de l’énergie du moteur. À l’intérieur d’un pot d’échappement,lespertesd’énergiesontde différentesnatures:ellessontthermiques,cinétiques,dechaleur latente et même chimiques. Les quantités d’énergie perdues les plus importantes sont thermiques et cinétiques, les deux autres étant négligeables.
  9. 9. Polytech Montpellier Système de récupérationd’énergiedansl’automobile GAILLARD NICOLAS DUROCHERISAAC 7 Aux États-Unis, le département de l’Énergie a injecté plus de 8 millions de dollars dans des projets visantà réduire de 5% la consommationd’unvéhicule en transformantlachaleurdesgaz d’échappementen électricité. Ils consacrent leurs recherches sur les gaz d’échappement qui dispersent 35% de l’énergie du moteuret enfontune priorité. L’idéelaplussimple estd’extrairelachaleurdesgaz pourchauffer l’habitacle ou le moteur. 1) Présentation Parallèlement, les industriels de l’auto examinent d’autres voies pour réutiliser la chaleur des gaz. Notamment avec le cycle de Rankine : c’est un cycle thermodynamique endoréversible qui se rapproche le plus du cycle de Carnot. Il consiste à vaporiser un fluide de travail via un échangeur, puis à détendre cette vapeurenfaisanttourneruneturbine.Undeuxièmeéchangeurdit"froid"recondensele fluide.Laturbine sert à produire de l’électricité ou à envoyer de l’énergie mécanique supplémentaire aux roues via une transmission. 2) Principe Danslestransports,le principedessystèmesdecycle Rankine estde vaporiserunfluidesouspression,par le biaisd’unévaporateurplacé dansle potd’échappement.Sousl’effetde lachaleurdesgazd’échappement, le liquideesttransformé envapeur.Lapressionengendréeentraînele systèmede détentedumoteurRankine qu’il soitune turbineouundétendeurvolumétrique.Ce détendeurpeutêtre directementreliéauvilebrequin du moteur thermique, ou relié à un alternateur pour produire de l’électricité. Le fluide utilisé danslesmoteursRankine peutaussi bienêtre unfluide dit« humide » (comme l’eaupar exemple) qu’unfluide dit« sec » comme le sont en général lesfluidesorganiques.Le choix du type de fluide va dépendre notamment de la température de fonctionnement du système. Cependant, des progrès sont encore à réaliser notamment sur la miniaturisation de la machine de détente de la vapeur, la sélectiondu fluide de travail ainsi que sur l’optimisation de l’échangeur.  Le cycle de Rankine utilise les procédés suivants : Changement d'Etat Processus du cycle de Rankine 1 → B Le fluide de travail (de l’eau) est chauffé jusqu'à ce qu'il atteigne la saturation (changement de phase / point d'ébullition) dans un processus à pression constante. Figure 4. Diagramme de Clapeyron du cycle de Rankine
  10. 10. Polytech Montpellier Système de récupérationd’énergiedansl’automobile GAILLARD NICOLAS DUROCHERISAAC 8 B → 2 Une fois que la saturation est atteinte, un autre transfert de chaleur s’effectue à pression constante, jusqu'à ce que le fluide de travail soit complètement vaporisé (qualité de 100% / vapeur sèche) 2 → 3 La vapeur est expansée de manière isentropique (sans chaleur ajoutée ou perdue) à traversune turbine pourproduire dutravail mettant l'arbre en rotation. La pression de la vapeur(d’eau) chute lorsde sonpassage à traverslaturbine et sort à basse pression. 3 →4 Le fluide de travail est acheminé à travers un condenseur où il se condense (changement de phase) en liquide (eau). 4 →1 Le fluide de travail est pompé de nouveau dans la chaudière. Figure 5. Etape du Cycle de Rankine 3) Rendement Des chercheurs de la Loughborough University et de l’University of Sussex (Royaume-Uni) ont démontré que l’utilisation des rejetsthermiques dans un véhicule léger au travers d’un cycle Rankine pouvait délivrer des gains de 6.3 à 31.7% de consommation, suivant le cycle de conduite. 4) Application industrielle De nombreuses entreprises développent des systèmes basés sur le principe Rankine:  La société allemande BMWaété l'undespremiersgrandsgroupesàétudierlarécupérationdechaleur à partir d'un système Rankine, appelé Turbosteamer.  Honda poursuit également des recherches sur l’utilisation d’un module basé sur cycle Rankine pour améliorer l’efficacité générale des véhicules hybrides, en récupérant la chaleur du moteur et en la convertissant en électricité pour le pack batterie. D’après leurs essais, sur un cycle d’autoroute, le système Rankine a régénéré trois fois plus d’énergie qu’un système de récupération d’énergie cinétique. V – Les solutions annexes ou en cours de développement Les deux systèmesprésentésprécédemmentne sontpaslesseulessolutionsexistantes. Eneffet,il existe de nombreux autres systèmes,moins connus, dont la plupart sont encore enphase de développement mais qui ne sont pas pour autant moins prometteurs (tel que la thermoélectricité, le Turbocoumpound etc.). D’autres sont quant à eux déjà en phase de test. Nous pensons qu’il est impossible de les ignorer, c’est la raison pour laquelle nous les décrirons brièvement dans l’annexe 1. V – Conclusion L’énergie perdue par toutes les automobiles en France représente environ 44,3% de l’énergie électrique produiteparle parc nucléaire français. Devantl’importance de cespertes,larécupérationde cette énergie est un enjeu majeur qu’il ne faut pas négliger. A ce jour,de nombreusessolutionsexistent.Certaines sontdéjàmisesenapplication(notammentsur lesvéhiculesde Formule 1) etd’autressont encore enphase de développement.Le système le plusrépandu estcependantle SREC,que ce soitenFormule 1 ou dans l’automobile particulière,oùVolvo seraitle premier à l’intégrer d’origine dans ses véhicules. Bienque dessolutionssoientapportéesaufuretà mesure desrecherches,des problèmes persistent cependant. PourDimitri Lortet,responsabledesprojetsÉnergiesalternativeschez RenaultTrucks,laprincipale difficulté est de concevoir un système Rankine compact et léger. Pierre Leduc, chef de projet à l’Ifpen,
  11. 11. Polytech Montpellier Système de récupérationd’énergiedansl’automobile GAILLARD NICOLAS DUROCHERISAAC 9 témoigne également sur la difficulté à miniaturiser la machine de détente de la vapeur (micro turbine, piston…). Eneffet,l’objectif communestunsystème qui devraitpeserentre 10 et 15 kilos,commercialisable en 2015. Il n’existe doncpasde solutionsmiraclespourrécupérerl’énergie inutilisée.Quelque soitle système retenu,sonutilisationoptimalepasseraparuncouplage avecdesmoyensde stockagede l’énergie,sousforme d’électricité (batteries) ou de chaleur (matériaux à changement de phase). C’est en gérant au mieux la réutilisation, lors de la conduite, que ces efforts de récupération se traduiront par de réelles économies de carburant. Désormais, la récupération d'énergie ne se limite plus à l’automobile.Il est également possible d’en recycleraveclaroute. Ce n’estplusle véhiculequi récupère l’énergie,maissonenvironnement:descapteurs piézoélectriques placés sous la route transforment en électricité les vibrations créées par le passage des voitures et des camions et servent à alimenter l’éclairage de la route ainsi que les bornes d’appel. Des expériencesonteulieu,dansce sens, enIsraël sur desautoroutes.Un projetde recherche préliminaireaété lancé en Californie, avec un financement de la California energy commission. VII – Annexes 1 : solutions annexes 1) Thermoélectricité a) Présentation La possibilitéde convertirunfluxde chaleurencourantélectrique permetd’envisagerdesapplications de génération d’électricité par effet thermoélectrique, notamment à partir de sources de chaleur perdue comme les pots d’échappement des automobiles.Les systèmes thermoélectriques constitueraient alors des sources d’énergie d’appoint « propres », puisque, utilisant des sources de chaleur existantes inutilisées. La conversion en électricité est privilégiée en raison de la progression de la mécatronique et des besoins en électricité des véhicules. L’idée est dans l’air depuis une trentaine d’années. Récupérer la chaleur dégagée à l’échappement pourlatransformeràsontourenénergieetalimenterainsiencourantélectrique leséquipementsduvéhicule, seraitl’idéal.Surtoutàune époqueoùtouslesconstructeursessaientde récupérerde l’énergieaufreinageet de trouver d’autres moyens (par exemple l’énergie solaire) pour soulager la batterie principale. b) Principe Les matériaux thermoélectriques produisent de l’électricité quand ils sont soumisà un fort écart de température.Pourconstituerungénérateur,ilfautdoncunéchangeuravec,d’uncôté lecircuitde gazchauds, de l’autre un circuit de liquide de refroidissement, et entre les deux des modulesdu matériau. L’objectif est d’extraire le maximum de chaleur des gaz et de maximiser l’écart de température aux bornes des modules thermoélectriques. Pourconvertirlachaleurdirectementenélectricité,lesmatériauxthermoélectriquessontcaractérisés par leurfacteurde mérite,quiindiquel’efficacitéde laconversiond’énergie.Dansl’automobile,ilsdoiventen plus se plier à de fortes contraintes.Ainsi, le 𝐵𝑖2 𝑇𝑒3 ou Tellurure de bismuth serait privilégie pour le diesel, dont lesgaz sortentà moinsde 400 °C, mais pas pour lesmoteursà essence,oùle matériaudoitfonctionner à 600 °C. Par ailleurs, le 𝐵𝑖2 𝑇𝑒3, utilisé au départ dans la plupart des projets, risque de poser des problèmes d’approvisionnement. D’autres matériaux (𝑀𝑔2 𝑆𝑖 ou Silicide de Magnésium, 𝑀𝑛𝑆𝑖 ou Brownleeite) ont été retenusdansle projet Renoter(Renault,RenaultTrucks),carilssont moinschersetplusdisponibles.Laqualité du transfert thermique entre l’échangeur et les modules thermoélectriques est, elle aussi, essentielle.
  12. 12. Polytech Montpellier Système de récupérationd’énergiedansl’automobile GAILLARD NICOLAS DUROCHERISAAC 10 c) Rendement La thermoélectricitépermettraitungainde 5% à 10% ducarburant attenduenlimitantl'utilisationde l’alternateur. Les résultats "prometteurs" coïncident avec ceux sur le banc d’essai moteurs, soit 500 watts électriques produits à 100 km/h. d) Application industrielle Desrésultatséquivalentsontétéobtenusen2012par Ford etBMW,qui collaborentsurunprojetavec l’américainGentherm (etFaurecia).Dansle cadre de HeatRecar,Valeo a beaucouptravaillé surl’efficacité du transfertthermique,enjouantsur la qualité destubesetla géométrie de l’échangeur.Surle projet Renoter, auquel ont participé Valeo, Renault et Renault Trucks, la solution adoptée consiste à souder directement les modulessurlestubesde l’échangeur. Depuisquelquetemps,BMWcommunique surce sujet.Mais,unprojet de recherche – financé par le Département d’Etat à l’Energie aux USA – relance la question chez General Motors. 2) ‘’Turbocompound’’ Enfin,une optiontrès différente consiste àrécupérerl’énergie cinétique desgaz,enplaçant une turbine directement dans l’échappement. Des constructeurs de poids lourdscomme Scania et Volvo ont développé de telssystèmesdits"turbocompound“.D’aprèsPierre Leduc,chef de projetà l’Ifpen,ce dispositif seraitplus simple qu’unsystèmede Rankine.Il “suffirait“de créerune contre-pressionqui perturbe alorslacombustion et qui oblige à adapter les moteurs. Depuisla saison2014, la Formule 1 a basculé versune nouvelle formule de V61,6 litres turbocompressé qui utilise ‘’turbocompounding’’. Les moteurs utilisent un seul turbocompresseur qui est relié à un moteur/générateur électrique appelé MGU –H. Sur la décélération, la MGU –H agit comme un générateur, convertissant l'énergie mécanique gaspillée de la turbine en énergie électrique qui est stockée dans une batterie. Lorsque le véhicule accélère, la MGU –H agit comme un moteur. Figure 6. Représentation du turbocompound Contrairement aux autres procédés, il utilise encore une soupape de décharge comme une mesure d'urgence pour contrôler la pression de suralimentationau cas où le ‘’turbo-compounding’’ avec la MGU –H échoue.Pourfinirlapuissance MGU–Hajoute 160 chevaux pourune durée de33secondes,ce qui esténorme. 3) Les alliages à mémoire de forme (ou AMF) General Motors travaillesurunalliage àmémoirede formepouvanttransformerlachaleurenénergie.En installantune pièce mécanique surlaligne d’échappement,avecdesfilsutilisantcetalliage spécial (capables de se contracter quand ils sont chauffés puisde s’étirer à nouveau quand ils refroidissent),il serait possible
  13. 13. Polytech Montpellier Système de récupérationd’énergiedansl’automobile GAILLARD NICOLAS DUROCHERISAAC 11 par exemple de remplacer l’alternateur sur un véhicule conventionnel, sans avoir à solliciter le moteur pour récupérerde l’énergie enroulant.La solutionétudiée par General Motors pourrait aussi trouversa place sur des véhicules hybrides. La chaleur dégagée par le pot d’échappement pourrait servir à l’alimentation du système audio, des sièges électriques, ou encore de l’air conditionné. Chevroleta égalementeffectué desrecherchessurles AMF. En effet,ilsonteu l’idée d’utiliserunalliage à mémoire de forme.Il s’agitd’unfil,composé d’unmélanged’aluminium-nickel oude nickel-titane,capable de prendre une forme déterminée lorsqu’il s’échauffe, et de reprendre ensuite sa position initiale en se refroidissant. L’échauffement est ici produit par un courant électrique. Le fil est traversé par ce courant à chaque ouverture ducoffre ce qui apoureffetde lecontractercaril prendalorslaforme d’unressort.Il ouvre alors lesvoletsd’aérationauxquelsil estrelié.Une foisle hayonfermé,le courant est coupé,le fil se détend et les volets se ferment pour conserver la température intérieure. Simple et efficace. Cette technique permettrait de supprimer sur la nouvelle Corvette l’un de ses nombreux petits moteurs électriques pour le verrouillage ducoffre parexemple.Lesapplicationspotentiellessontdoncimportantes,puisqu’onyrecense en moyenne 200 parties mobiles motorisées. De plus, ils peuvent servir d’activateurs électriques pour tout autre type d’option comme le verrouillage central du véhicule, l’inclinaison des sièges, le réglage des rétroviseurs et autres. Les alliages à mémoire de forme semble être une solution viable pour la récupération d’énergie dans l’automobile notamment car ils ont un faible encombrement, reposent sur un système simple et sont silencieux. 4) L’amortisseur à récupération d’énergie Les chercheurs de l’Université de New York ont élaboré un amortisseur qui récupère de l’énergie à partir de l’absorptiondeschocsde laroute pouralimenterensuite labatterie.Le système pourraitréduirede 2 à 10 % la consommation,si on l’applique àl’ensemble duvéhicule.L’amortisseurenquestionestenforme de tube.Un petittube magnétique coulissedansunplusgrand, entouré d’une bobine(une bobine encuivre, entourantun tube en plastique).Onarrive ainsi à créerun champ magnétique qui convertitlesvibrationsde l’amortisseur en un courant électrique. Figure 7. Illustration des AMF
  14. 14. Polytech Montpellier Système de récupérationd’énergiedansl’automobile GAILLARD NICOLAS DUROCHERISAAC 12 Figure 8. Illustration d'un amortisseur récupérant de l'énergie Selonces chercheurs,unamortisseurpeutrécupérer2 à 8 wattsen conditionsde roulage normales, à une vitesse de 70 km/h.Si on applique latechnologie àl’ensemble desquatre roues,il devientpossible de récupérer jusqu’à 256 watts. Soit, 64 watts par roue. Tout cela reste à vérifier avec un prototype à l’échelle 1. Mais, la récupération d’énergie est un domaine dans lequel s’investissent les constructeurs. Après le freinage, dont la chaleur est récupérée sous forme d’énergie,la suspension ouvre de nouveaux champs d’exploration. L’énergie des vibrations est une source d’énergie renouvelable encore peu utilisée. 5) La conversion de chaleur en électricité au niveau du radiateur Un tiers de l’énergie du moteur passe dans le circuit de refroidissement. En plaçant des modules thermoélectriquessurle radiateur,onpeutconvertirune partie de cette chaleurperdue enélectricité. Celle- ci pourra alors être réutilisée "localement" pour faire tourner, par exemple, le ventilateur et ainsi limiter la consommationde carburantpourproduire l’électricitédontabesoinle véhicule.Valeoalancé desétudessur le sujet. 6) Les chocs au niveau des pneumatiques Les chocs et vibrations subis par le véhicule peuvent générer de l’électricité grâce à des systèmes piézoélectriques. Eneffet,desmicrosystèmes(Mems)piézoélectriques,placésauniveaudesroues,pourraient ainsi fournirde l’énergieàdescapteursautonomes.Une étude de l’Imec(Belgique)aainsi montréqu’un Mems monté sur une voiture à 70 km/h pouvait produire 42 microwatts. Ce serait suffisant, par exemple, pour alimenter un capteur qui surveille la pression des pneus. VIII – Références (par ordre d’apparition) [1] Dr. Goulu,3 juillet2011, ‘’Systèmesde Récupérationde l’Énergie Cinétique’’, consulté àl’adresse: http://www.drgoulu.com/2011/07/03/srec/#.VImuFivF9Hb Figure 9. Capteurs piézoélectriques
  15. 15. Polytech Montpellier Système de récupérationd’énergiedansl’automobile GAILLARD NICOLAS DUROCHERISAAC 13 [2] Wikipédia,2octobre 2014, ‘’Système de récupérationde l'énergie cinétique’’, consulté àl’adresse: http://fr.wikipedia.org/wiki/Syst%E8me_de_r%E9cup%E9ration_de_l'%E9nergie_cin%E9tique [3] RomainGuillo, date de parution nonrenseignée,‘’Stockage d'énergieparvolantd’inertie’’, consulté à l’adresse :http://www.ecosources.info/dossiers/Stockage_energie_volant_inertie [4] PhilippeBrendel,14Décembre 2011, ‘’Le volantd’inertiepourrait-ilêtre une alternativeàl’hybride classique?’’, consultéàl’adresse :http://www.carfutur.com/tag/recuperation-denergie-au-freinage/ [5] ThierryLucas, 4 avril 2013, ‘’L’automobile,centrale d’énergie’’, consultéàl’adresse : http://www.usinenouvelle.com/article/l-automobile-centrale-d-energie.N194319 [6] F. Beaujot,2012, ‘’Conceptiond’unsystème de récupérationd’énergie cinétique (KERS) appliquéàune Lotus Elise ‘’, consulté àl’adresse :http://www.isilf.be/Articles/ISILF12p269gramme.pdf [7] FanovardAlain, date de parution nonrenseignée,‘’Le SREC(ouKERS)’’, consulté àl’adresse: http://alain.fanovard.free.fr/develop2.htm [8] Magneti Marelli,date de parution nonrenseignée,‘’Kers’’, consulté àl’adresse : http://www.magnetimarelli.com/business_areas/motorsport/technological-excellences/kers [9] Auteuretdate de parutionnon renseignés, “Récupérationde l'énergie“,consultéàl’adresse : http://kers-utbm.e-monsite.com/pages/kers/page.html [10] Wikipédia, 22 août 2014, “Système de récupération de chaleuràl’échappement“, consulté àl’adresse: http://fr.wikipedia.org/wiki/Syst%C3%A8me_de_r%C3%A9cup%C3%A9ration_de_chaleur_%C3%A0_l'%C3% A9chappement [11] Barrie Lawson,2005, ‘’EnergyConversionandHeat Engines(Withalittle bitof Thermodynamics)’’, consulté àl’adresse :http://www.mpoweruk.com/heat_engines.htm [12] Wikipédia, 6 décembre 2014, ‘’Thermoélectricité’’, consulté àl’adresse : http://fr.wikipedia.org/wiki/Thermo%C3%A9lectricit%C3%A9#Applications_potentielles [13] LaurentMeillaud,7novembre 2009, ‘’GM veuttransformerlachaleurdes gazd’échappementen énergie électrique‘’, consulté àl’adresse :http://voituredufutur.autodeclics.com/?p=907#more-907 [14] Wikipédia,26Novembre 2014, ‘’Turbo-compoundengine“,consultéàl’adresse : http://en.wikipedia.org/wiki/Turbo-compound_engine [15] Mike Magda, 12 Mars 2014, ‘’Strange New SoundsExpectedinFormula1Opener‘’, consulté àl’adresse: http://www.enginelabs.com/news/strange-new-sounds-expected-in-formula-1-opener/ [16] Benoît Solivellas,13février2013, “Alliage àmémoire de forme,l’innovationdiscrète de lanouvelle Corvette“, consulté àl’adresse:http://www.cnetfrance.fr/cartech/alliage-a-memoire-de-forme-l- innovation-discrete-de-la-nouvelle-corvette-39787199.htm [17] Nimesis,date de parutionnon renseignée, ‘’Exemplesd’applications‘’, consultéàl’adresse : http://www.nimesis.com/faq/exemples-dapplications/ [18] Dr. SiuWing OR, 2003, ‘’Overviewof SmartMaterialsTechnology’’, consultéàl’adresse : http://resources.edb.gov.hk/physics/articleIE/smartmaterials/SmartMaterials_e.htm [19] LaurentMeillaud,7 avril 2010, ‘’ Voiture dufutur‘’, consulté àl’adresse: http://voituredufutur.autodeclics.com/?tag=recuperation-denergie

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