1DCARBONER LA MOBILIT : ROULER SANS PTROLE ? Jacques PORTALIER Spring School Dijon Mars 2015

2Mobilit & Energie

Consommation des vhicules : un peu de physique

Le cas Franais

Perspectives

3MOBILITE

4Monde 25%

Europe 30%

Energie et Mobilit : les transports dans lnergie finale

Transportation

Residential/Commercial

Industrial

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

1990 2000 2010

Source : Exxon WEO 2014

Residential/Commercial

28%

Transportation25%

Industrial47%

2010

Residential/Commercial

33%

Transportation30%

Industrial37%

2010

MToe

MToe

Transportation

Residential/Commercial

Industrial

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

1990 2000 2010

5Monde : 96%

Europe : 93%

Energie et Mobilit : transports = ptrole (ou presque)

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

1990 2000 2010

Oil T Other T Gas T Biofuels T

Chine : 92%

0

50

100

150

200

250

300

350

1990 2011

OTHER FUELS

BIOFUELS

ELEC

OIL

0

50

100

150

200

250

300

350

1990 2011

OTHER FUELS

BIOFUELS

ELEC

OIL

MTOE MTOE

Source : Exxon WEO 2014

Source : WEO AIE 2013

MTOE

6Transports = mobilit des personnes . & des biens

Source : Exxon WEO 2014

Environ :

Personnes : 50%

Biens : 50 %

760% Conso Eg Transport = Personnes

Transports = mobilit des personnes . & des biens

0

10

20

30

40

50

60

1

9

8

0

1

9

8

2

1

9

8

4

1

9

8

6

1

9

8

8

1

9

9

0

1

9

9

2

1

9

9

4

1

9

9

6

1

9

9

8

2

0

0

0

r

2

0

0

2

r

2

0

0

4

r

2

0

0

6

r

2

0

0

8

r

2

0

1

0

Marchandise Elec

Marchandise Ptrole

Passager elec

Passager Ptrole

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

1

9

8

0

1

9

8

2

1

9

8

4

1

9

8

6

1

9

8

8

1

9

9

0

1

9

9

2

1

9

9

4

1

9

9

6

1

9

9

8

2

0

0

0

r

2

0

0

2

r

2

0

0

4

r

2

0

0

6

r

2

0

0

8

r

2

0

1

0

Source SOES : CONSOMMATION D'NERGIE DE TRACTION SELON LE MODE DE TRANSPORT (sur le territoire mtropolitain)

8EN RESUME Transports = 25% 30% de la consommation dEg finale

Transports = 95% Ptrole (+ 3% bio carburants)

Mobilit des personnes environ 50% de lEg finale des transports

Mobilit des personnes : >80% automobile. Croissance de larien

9AVANT DE PARLER SOLUTIONS,

UN PEU DE PHYSIQUE :

LA CONSOMMATION DUN VEHICULE

10

Une voiture (ou autre chose)

Les postes de consommation dnergie- Frottements :

- Rsistance arodynamique

- Rsistance au roulement Pneu et/ou frictions internes

- Changement de vitesse Energie Cintique- Changement daltitude Energie potentielle- Alimentation des quipements de bord (chauffage, radio, clim,

clairage, smartphone, .)

11

Lquation pour une automobile

Pour faire avancer un vhicule une certaine vitesse, dans une pente et lui communiquer une acclration il faut lui appliquer une Force de traction

Ftraction : force de traction, ou effort moteur, communique au contact sol/pneu (N)

Frr : force de rsistance au roulement (N)

Faro : force de rsistance arodynamique (N)

Ffrott mca : force de frottement de la mcanique interne (N)

Fpente : effort d la pente (N), peut tre rsistif ou moteur

M : masse du vhicule (kg)

V : vitesse vhicule (m/s)

: acclration vhicule (m/s)

L quation peut tre crite en puissance en multipliant tous les termes par V

= = ( + + + + )

= + + + +

12

Une modlisation simplifie de leffort peut tre donne par :

CRR = coefficient de rsistance au roulement

M : masse sur le pneumatique

= angle de la pente = atan (), avec : pente en %

Leffort de rsistance au roulement : modle simple

)/()cos()/()(1000

1)( 2 tKgCrrsmgKgMNFrr =

Cet effort est d : aux dformations du pneumatique (structure et gomme)

au brassage arodynamique de lair autour du pneumatique

aux glissements qui se produisent dans laire de contact entre le pneumatique et le sol

Lordre de grandeur est de 100-200 N pour les 4 roues

Cet effort varie : Pression pneumatique

vitesse vhicule

rugosit sol

temprature (pneu, sol, air)

temps de roulage

13

L effort arodynamique est gal

Avec : : densit de l air (kg/m3)S : maitre couple du vhicule (m)

Cx : coefficient de forme

V : vitesse vhicule (m/s)

L effort varie beaucoup en fonction de la vitesse :12N 20 km/h

1200N 200 km/h

Leffort arodynamique

2

21 VCSF xaero =

Le S est bien connu il est dtermin partir des cotes du vhicule

il est li aux exigences dhabitabilit du vhicule

il est compris entre 1,8 et 2,5 m

14

Les efforts frottement mcaniques internes

Ces efforts correspondent l ensemble des autres frottements mcaniquesTrane des triers de frein

Trane des roulements de roues

Il existe un compromis entre le mordant du frein et la trane.Pour avoir du mordant on va rapprocher les pastilles du frein du disque ce qui augment la probabilit d un frottement rsiduel.

La trane de frein est galement trs dpendante de la qualit gomtrique des triers de frein (forte dispersion entre fabricants prestation quivalente)

L ordre de grandeur est de 20 100N pour un vhicule

Cet effort :est peu important sur les performances vhicules

peut tre important sur la consommation (de 0,1 0,5 l/100)

15

Leffort d la pente

L effort d la pente est gal :

M : masse pesante du vhicule

= angle de la pente = atan () avec : pente en %

Cet effort est soit moteur, soit rsistif

Cet effort peut tre important aussi bien en monte (important pour le dimensionnement du moteur) quen descente (dimensionnement du freinage en poids lourd)

)sin(= gMFpente

16

La masse vhicule

La masse vhicule intervient de deux manires diffrentes :

la masse pesante qui appuie sur les pneumatiques

c est la grandeur qui est prise en compte pour le calcul des efforts pneumatiques (F = m*g*crr)

la masse inertielle qui soppose une variation d acclration (F =m * )

17

Leffort de traction est leffort efficace ralis par le moteur ramen la roue (au contact pneu/sol). Il sexprime en N.

En puissance

Leffort de traction

moteurtranstraction PP =

NCVFVPF

mottransvhtraction

vhmottranstraction

=

=

trans = rendement de la transmission

Puissance vhicule

0 1 1 23 4

5 79

1215

1923

28

34

41

49

58

67

78

0,0

10,0

20,0

30,0

40,0

50,0

60,0

70,0

80,0

90,0

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210

Vitesse (km/h)

P

u

i

s

s

a

n

c

e

(

k

W

)

Puissance de traction multiplie par 2 entre 100 et 130km/h (d aux efforts aro)

x2

18

Ordre de grandeur: rpartition des efforts plat V constante

REPARTITION DES EFFORTS D'UN VEHICULE A VITESSE STABILISEE

12 11 10 9 8 7 6 5 4 4 3 3 2 2 2 2 1 1 1 1

8680

72

6354

4640

3429

26 23 20 18 17 16 15 14 14 14 13

29

1828

3847

5561

67 71 74 77 79 81 82 83 84 85 85 86

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200

Vitesse vhicule (km/h)

%aro%pneu% frott

Loi 50-50: 50km/h, rpartition 50% aro et 50% effort rsistance au roulement

19

Ordres de grandeur: Puissance en pente 6% - V constanteP u issan ce 6% p en te s tab ilis

3 69 1 2

151 9

232 7

323 7

4349

566 3

7 2

81

91

10 2

1 13

12 6

0 ,0

20 ,0

40 ,0

60 ,0

80 ,0

100 ,0

120 ,0

140 ,0

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210

V itess e (km /h )

P

u

i

s

s

a

n

c

e

(

k

W

)

Rpartition des efforts 6% pente en stabilis

12 12 11 11 11 10 10 10 9 9 8 8 8 7 7 6 6 6 5 5

0 0 1 1 1 1 1 1 1 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2

88 87 85 83 81 79 76 73 70 66 63 60 57 54 51 48 46 43 41 39

0 1 3 5 7 10 13 16 20 23 27 30 34 37 40 43 46 49 52 54

0%

20%

40%

60%

80%

100%

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200

Vitesse vhicule km/h)

aero

pente

frott meca

pneu

20

Les caractristiques nergtiques du moteur : le rseau de consommation

Le rseau de consommation moteur caractrise le rendement nergtique du moteur => conversion de lnergie chimique du carburant en nergie mcanique

pour chaque point de fonctionnement => caractris par un rgime de rotation & une puissance (ou un couple).

Le rseau moteur prend en compte la consommation de puissance des diffrents accessoires ncessaires pour que le moteur tourne en autonomie

pompe hydraulique de direction assiste non dbitante

pompe vide en diesel non dbitante

alternateur et bilan lectrique moteur seul

pompe haute pression mcanique diverses

courroie d entranement des accessoires

21

Le rseau de consommation du moteur

Le rseau en pelure doignon

Iso puissance 14,6 kW

Iso puissance 8,4 kW90 km/h

110 km/h

22

Le rseau consommation : rendements

Moteur essence (rdt max 34%)

1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 55001

2

3

4

5

6

7

8

9

10

12

Rgime (tr/mn)

Pme (bar)

34,0-36,032,0-34,030,0-32,028,0-30,026,0-28,024,0-26,022,0-24,020,0-22,018,0-20,016,0-18,014,0-16,012,0-14,010,0-12,08,0-10,06,0-8,04,0-6,02,0-4,00,0-2,0

max= 34%

1

0

0

0

1

2

5

0

1

5

0

0

1

7

5

0

2

0

0

0

2

2

5

0

2

5

0

0

2

7

5

0

3

0

0

0

3

2

5

0

3

5

0

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

Rgime (tr/mn)

Pme (bar)

GROS DIESEL TURBORendement

38,0-40,036,0-38,034,0-36,032,0-34,030,0-32,028,0-30,026,0-28,024,0-26,022,0-24,020,0-22,018,0-20,016,0-18,014,0-16,012,0-14,010,0-12,08,0-10,06,0-8,04,0-6,02,0-4,00,0-2,0

m ax = 39%

Moteur Diesel (rdt max 40%)

Meilleurs rendements (moteurs Diesel marins) : 55%

23

Exemple de bilan nergtique vhicule dans un roulage mixte

24

A vous de jouer !

Selon vous, quelles sont les solutions pour rduirelempreinte carbone de la mobilit des personnes ?

Quelles difficults ?

Quels lments facilitants ?

25

QUELQUES LMENTS DE REPONSE

UN CAS PRATIQUE : LA FRANCE

26

Pas de French Paradox

T

R

A

N

S

P

O

R

T

S

/

M

O

B

I

L

I

T

E

S

+3%/y+1,8%/y

Automobile & mobilit :

27

T

R

A

N

S

P

O

R

T

S

/

M

O

B

I

L

I

T

E

S

Automobile & Energie : + de 95% de Ptrole

93%

0%2%

5%

7%

Transports (France 2011)source : SOeS

Ptrole (produit raffins)GNVElectricitENR & dchets

28

Donc pour dcarboner la mobilit

. ya qu .

Faire des voitures qui consomment peu

Rouler avec une nergie propre

. mais avant de parler solutions, prcisons la question :

X XMobilit

Parc : 31,5 M

12000km/y D : 6,5 l/100kmE : 7,7 l/100km

D : 56% (EU 36%)E : 44%

2M

Vhicules neufs

29

Les clientsdiversit + acteur essentiel

Pour quil y ait concrtisation, un lment central : les CLIENTS, diffrents par

leurs besoins

leurs motivations

leurs contraintes

Proposer une varit de produits & services

Attractifs,

Adapts,

Avec la meilleure performance CO2/nergtique

TRENDS

ContrainteBudgtaire Mobilit et travail

Image & Valeursautomobiles

SensibilitEnvironnementale

Besoin dun espacedintimit

ContraintesRglementaires

Efficacit du Temps

Vitesse commerciale

Accs la mobilit

Evolution segmentation des mobilits

(occasionnelle, rgulire, longue distance)

30

New Car market(y to y 2035)

Powertrain mix (E/D/El) Volumes Fuel consumption Annual mileage

Parc Automobile & Dynamique de Parc

E : EssenceD : DieselEl : Elc

Fleet of Ref Year By fuel x age Fuel consumption by age Annual mileage by age

Parameters Survival law = f(age, year) or

Equipment rate Annual mileage evolution = f(age)

Fleet Forecast( 2035)

Fleet structure (E/D/El) & by age Fuel demand/CO2 by fuel type Mileages

31

Et donc en partant dun besoin en voyageurs.km donn

La voiture

Son usage

Sa conduite

32

La voiture

Sa consommationLa silhouette

Masse

Aero

Pneu

Le groupe motopropulseurRendement

Rcupration

Son carburant Carburants Fossiles

Essence

Gazole

GNV

GPL

Biocarburants1re, 2me, 3me gnration

Electricitdont hybridations

33

Le Crr :

Ordre de grandeur de Crr pour pneus de vhicule classique:

Pneus standard: 9,5 12 Kg/t

Pneus basse rsistance: 8 9,5 Kg/t

Pneus ultra basse rsistance: 6,5 8 Kg/t

Roue chemin de fer (dformation en flexion du rail): 2 Kg/t

Roue mtro: 5 Kg/t

Historique pour vhicules classiques En 1880: 30Kg/T

En 1920: 20Kg/T

En 1950: 15Kg/T

En 2000: 9Kg/T

/2

34

Leffort arodynamique : panorama SCx

C x =0 ,27

C x =0 ,29

C x =0 ,3 1

C x =0 ,25

C x = 0 ,33

C x =0 ,3 5

0 ,53 0 ,55 0 ,57 0 ,59 0 ,61 0 ,63 0 ,65 0 ,67 0 ,69 0 ,71 0 ,73 0 ,75 0 ,77 0 ,79 0 ,81 0 ,83 0 ,85

1 ,80 1 ,85 1 ,90 1 ,95 2 ,00 2 ,05 2 ,10 2 ,15 2 ,20 2 ,25 2 ,30 S u rfa ce fro nta le (m )

S .C x (m )

Le S Cx dpend de la surface et du coefficient arodynamique Cx

35

La course la rduction de conso/CO2 des vhicules neufs : lEurope est partie devant mais les plus gros marchs se sont lancs dans la course

En 2020 : cibles rglementaires

similaires en tenant compte des

diffrences :

- de cycles et conditions de mesures

- de mix segments

- de mix Essence / Diesel

36

EFFET PARC

Le CARBURANT : un levier complmentaire pour rduire le CO2 automobile

37

Le CARBURANT : un levier complmentaire pour rduire le CO2 automobile

Et la mobilit lectrique . et bien a dpend

38

Son Usage

co-voiturage

EFFET PARC

Auto-Partage

Carsharing

Location TCD

DIFFUSION & UTILISATION

DES VEHICULES BAS CO2

1,2

Sa conduite

VITESSE

SOUPLESSE

ACCESSOIRES

EFFET PARC

Sa conduite

-20%

GPS 3D + ACC

Car2x : Trains de voitures

41

En synthse

Besoin de conduire des actions cohrentes vis--vis des diffrents termes de lquation :

maximiser Rsultats/Efforts

viter les effets rebonds

Ne pas oublier

X XMobilit

Parc

xx000km/y D : x l/100kmE : y l/100km

D : %E : %

Elec : %

Vhicules neufs

42

ET POUR FINIR, QUELQUES ELEMENTS SUR LES DYNAMIQUES AUTO A LUVRE DANS LES DIFFERENCES REGIONS

Global Choice for Different Markets

Car type

Fuels

Maturity & Dynamic

Customers

2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013

60

20

10

50

40

30

0

18

16

14

12

10

8

6

4

2

0

70Passenger car market volume (million) World

sales

Projections Parc auto

Passenger car fleet (2011) : 900 Million de vhicules

Passenger car fleet (2030) : 1800 Million de vhicules ?

PC

PLDV