MI55-GAILLARD_DUROCHER

SYSTEMES DE RECUPERATION D’ENERGIE DANS L’AUTOMOBILE

Mécanique et interactions : sujet n°55 (MI55)

GAILLARD Nicolas DUROCHER Isaac Enseignant encadrant : Hervé Louche

Résumé

Dans une automobile, seulement 35% de l’énergie de combustion d’un moteur 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 français qui est perdus chaque année dans l’automobile. Il est donc indispensable de récupérer et de réutiliser une partie de l’énergie afin de rentabiliser au

maximum la production d’énergie. Pour cela, de nombreux systèmes de récupération d'énergie existent alors que d’autres sont seulement en cours de développement. Il existe deux cas de figures : soit ces systèmes récupèrent l'énergie mécanique ou

thermique pour la réutiliser directement sous cette forme, soit ils la convertissent, la plus part du temps, en électricité, pour la réutiliser sous une autre forme d'énergie.

L'étude de ces systèmes fera l’objet de ce rapport.

SOMMAIRE

I – INTRODUCTION : LA SITUATION ACTUELLE.................................1

II – ANALYSE DES DIFFÉRENTES PERTES...........................................2

III – SYSTÈME DE RÉCUPÉRATION DE L’ÉNERGIE CINÉTIQUE (SREC). .31) PAR VOLANT D’INERTIE....................................................................................................................................3

a) Présentation.........................................................................................................................................3b) Principe.................................................................................................................................................3c) Rendement...........................................................................................................................................4d) Application industrielle.........................................................................................................................4

2) PAR BATTERIE................................................................................................................................................5e) Présentation.........................................................................................................................................5f) Principe.................................................................................................................................................5g) Application industrielle.........................................................................................................................6

IV – RÉCUPÉRATION DE L’ÉNERGIE THERMIQUE AVEC LE CYCLE DE RANKINE.........................................................................................6

1) PRÉSENTATION..............................................................................................................................................72) PRINCIPE......................................................................................................................................................7

Processus du cycle de Rankine......................................................................................................................73) RENDEMENT.................................................................................................................................................84) APPLICATION INDUSTRIELLE..............................................................................................................................8

V – LES SOLUTIONS ANNEXES OU EN COURS DE DÉVELOPPEMENT. .8

V – CONCLUSION.............................................................................8

VII – ANNEXES 1 : SOLUTIONS ANNEXES..........................................91) THERMOÉLECTRICITÉ.......................................................................................................................................9

a) Présentation.........................................................................................................................................9b) Principe.................................................................................................................................................9c) Rendement.........................................................................................................................................10d) Application industrielle.......................................................................................................................10

2) ‘’TURBOCOMPOUND’’...................................................................................................................................103) LES ALLIAGES À MÉMOIRE DE FORME (OU AMF)................................................................................................104) L’AMORTISSEUR À RÉCUPÉRATION D’ÉNERGIE....................................................................................................115) LA CONVERSION DE CHALEUR EN ÉLECTRICITÉ AU NIVEAU DU RADIATEUR.................................................................126) LES CHOCS AU NIVEAU DES PNEUMATIQUES.......................................................................................................12

VIII – RÉFÉRENCES (PAR ORDRE D’APPARITION)............................12

Polytech Montpellier Système de récupération d’énergie dans l’automobile

I – Introduction : la situation actuelleAvant d’aborder les différents principes de récupération d’énergie dans l’automobile, il est

préférable de poser la situation ainsi que les problèmes qui en résultent. On rappelle également qu’un watt est la puissance d’un système énergétique dans lequel une énergie de 1 joule est transférée pendant 1 seconde.

Aujourd’hui, seulement 35% de l’énergie de combustion d’un moteur sert à faire tourner les roues du véhicule. Le reste, soit 65% de l’énergie produite par un moteur automobile issue du carburant, est perdu1, généralement sous forme de chaleur dont un tiers dans les gaz d’échappement, les frottements mécaniques, le radiateur et les pertes thermiques diverses. Un comble, à l’heure où les ressources fossiles se raréfient et où le coût de l’énergie augmente.

Une comparaison de ces pertes avec des objets de la vie courante, ainsi qu’à une plus grande échelle comme les centrales nucléaires, permet de prendre conscience de l’étendue de ces pertes. En effet, une ampoule de basse consommation consomme environ 0,01kW ; une lampe (de type néon) 0,02kW alors qu’un radiateur à 50 °Cconsomme quant à lui2kW . De même, un homme pratiquant du sport a une puissance comprise entre 100 et 150W alors qu’un cycliste en plein effort peut grimper jusqu’à400W .

Examinons maintenant le cas d’une petite citadine de 80 chevaux. Elle consomme environ 59 kW (en effectuant la conversion :1ch=0,736kW ). Or, nous avons dit précédemment que seulement 35% de l’énergie était utile. Par conséquent près de 38kW sont perdus, inutilisés. Soit pour chaque véhicule en marche, une perte de38kWh.

En 2004 en France, la voiture utilisait plus de 24 millions de tonne d’équivalent pétrole (ou tep). Ce qui équivaut donc à279120×106 kWh /an, soit 7,65×108kWh / jour ou encore 765GWh/ jour (avec1 tep=11630kWh). Or le rendement d’un moteur de combustion est seulement de 35%, ce qui signifie que 497,25GWh 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 1,123×109kWh / jour ou encore1123GWh / jour .

L’énergie perdue par toutes les automobiles en France représente donc environ 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 notamment dans l’ingénierie où l’on cherche à économiser au maximum les 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 pourrait qualifier 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 éléments du véhicules ainsi que contribuer à sa propulsion. Les opportunités sont nombreuses. 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 systèmes existants ? Comment fonctionnent-ils ? Quelles sont les solutions d’avenir ? Quelles sont les solutions utilisées dans les voitures en série ?

Avant de répondre à ces différentes questions, nous analyserons les différentes pertes d’énergie dans un véhicule. Par la suite, nous évoquerons les principaux systèmes existant ou en cours de

1 Nous ne tiendrons pas compte ici des autres pertes (frottements dans l’air, dissipation dans les pneumatiques, etc.)

GAILLARD Nicolas DUROCHER Isaac 1


développement ainsi que leur fonctionnement. Nous examinerons par les solutions annexes avant de conclure.

II – Analyse des différentes pertes Avant de chercher à réduire les pertes et 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 ?Les pertes ne sont pas concentrées dans un pôle. En effet, elles sont dispersées dans la totalité du

véhicule. On retrouve des pertes d’énergie thermique au niveau des pots d’échappements, du moteur, aux freins ainsi qu’au niveau de la transmission principalement. Quant aux importantes pertes d’énergies mécanique, elles se trouvent au niveau de la carrosserie extérieure, des pneumatiques, de la transmission et également des pots d’échappements.

Quand sont observées ces pertes ?Il est important de comprendre que ces pertes ne s’effectuent pas au même moment. En effet, on

repère 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.

Afin de mieux distinguer les différentes pertes, nous avons élaboré un diagramme synthétisant l’analyse des différentes pertes.



Il est important de préciser que certains systèmes sont moins avancés mais aussi moins intéressants et efficaces que d’autres. En effet, certains sont en phase de recherche et de développement alors que 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 pas réellement des procédés de récupération d’énergie, par conséquent, elle ne sera pas traitée ici. Par contre, les voitures hybrides sont les premières à accueillir les différents systèmes. De plus, des pertes sont observées au niveau du moteur, mais le traitement de l’énergie (à récupérer) 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 fois que notre voiture s’arrête à un feu rouge (par exemple), son énergie cinétique est

dissipée sous forme de chaleur dans les freins et est donc perdue. Lorsque le feu passe au vert, notre moteur régénère 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 peut alors être réutilisée, soit pour la propulsion du véhicule comme c'est déjà le cas en Formule 1, soit pour toute autre fonction nécessitant une source d'énergie. Dans la suite du chapitre, nous utiliserons l’abréviation SREC.


Figure 1. Synthétisation des pertes d'énergie dans l'automobile


Le physicien américain Richard Feynman est à l’origine dans les années 1950 de l’invention du SREC dans sa version mécanique et de son application. Il existe actuellement deux types de système de récupération de l'énergie cinétique utilisée, l'un utilisant une batterie, l'autre un volant d’inertie.

1) Par volant d’inertie a) Présentation

Revenons à la situation du feu rouge : plutôt que de dissiper l’énergie en chaleur, il est préférable 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 faisant tourner un volant d’inertie à plusieurs dizaines de milliers de tours par minute, qui la restituera via une transmission mécanique. Mais comment fonctionne-il et quelle en est sa composition ?

b) PrincipeUn système de récupération de l'énergie

cinétique par volant d'inertie fonctionne de la manière suivante : un arbre de transmission se met en marche et actionne un embrayage qui, à son tour, actionne un autre arbre. Celui-ci fait tourner le disque contenu dans le volant d’inertie. Il est constitué d’une masse (que ce soit un anneau ou un tube) en fibre de carbone.

L'embrayage est ensuite déconnecté du premier arbre. La masse tourne alors très vite : 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.

Quand on veut récupérer l'énergie, on connecte l'embrayage à un nouvel arbre qui est mis en rotation par l'énergie stockée dans le volant d'inertie. Dans le cas de la Formule 1, les pilotes peuvent utiliser seulement 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 peut servir soit à donner plus de performances (booste à l’accélération), soit à faire 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 sont diminuées. De plus, le système a une phase de stockage très rapide par rapport à une batterie et un temps de réponse très court. Pour finir, il n’y a aucune pollution : ni combustibles fossiles, ni produits chimiques ne sont utilisés dans ce système.


Figure 2. Schéma du volant d'inertie de Volvo


Mais il présente également certains inconvénients, tel que le poids et l’encombrement qu’il provoque. 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) RendementDans la formule 1, les 400 kJ que délivre le SREC à chaque tour représentent l'équivalent en essence

de 0,021 litre, soit 1,47 litre par Grand Prix.

Volvo prévoirait de réduire de 20 % la consommation de carburant grâce à son volant d’inertie, bientôt disponible dans des véhicules en série.

d) Application industrielleLa Formule 1 a été le précurseur du volant d’inertie dans l’automobile. En effet, le système a été

introduit durant la saison 2009. De plus, il est maintenant utilisé dans de nombreuses compétitions telles que les 24 heures du Mans.

Aujourd’hui, des constructeurs automobiles cherchent à intégrer le système en série. 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 sous vide. Le système proposé par Volvo pourrait absorber l’énergie cinétique d’une voiture de 2 tonnes roulant à 90 km/h. De plus le système, peut restituer 80 cheveux de puissance, soit 60 kW pendant 20 secondes. Enfin, le volant d’inertie de Volvo est totalement indépendant du bloc moteur car 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’essieu arrière avec un rapport de transmission variable, commandé électroniquement en fonction des vitesses des deux éléments et des actions sur les pédales de frein et de gaz. L’entreprise Torotrak aurait développé le système pour le volant d’inertie de Volvo. Ce n’est pas une entreprise débutante sur ce domaine, puisqu’elle avait collaboré à des projets de SREC pour la Formule 1. Dernier point, et non des moindres, le volant d’inertie de Volvo sera 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.


Figure 3. Détails des composants d'un SREC Figure 4. Disposition d’un SREC dans une voiture Volvo


f) PrincipeLe système initial est le même que précédemment mais, au lieu d'actionner le volant, l'arbre

actionne une “machine électrique " qui fonctionne en dynamo et convertit l’énergie mécanique en énergie électrique elle-même stockée dans une batterie. Quand on veut réutiliser l'énergie, on effectue le processus inverse, 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.

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’a pas que des qualités (masse des batteries, durée de vie des batteries réduite

à cause des charges et décharges rapides) mais est plus léger, 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 RankineLes gaz d’échappement dispersent à eux seuls 35% de l’énergie du moteur. À l’intérieur d’un pot

d’échappement, les pertes d’énergie sont de différentes natures : elles sont thermiques, cinétiques, de chaleur latente et même chimiques. Les quantités d’énergie perdues les plus importantes sont thermiques et cinétiques, les deux autres étant négligeables.

Aux États-Unis, le département de l’Énergie a injecté plus de 8 millions de dollars dans des projets visant à réduire de 5% la consommation d’un véhicule en transformant la chaleur des gaz d’échappement en électricité. Ils consacrent leurs recherches sur les gaz d’échappement qui dispersent 35% de l’énergie du moteur et en font une priorité. L’idée la plus simple est d’extraire la chaleur des gaz pour chauffer 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 vapeur en faisant tourner une turbine. Un deuxième échangeur dit "froid" recondense le fluide. La turbine sert à produire de l’électricité ou à envoyer de l’énergie mécanique supplémentaire aux roues via une transmission.



2) Principe Dans les transports, le principe des systèmes de cycle Rankine est de vaporiser un fluide sous pression,

par le biais d’un évaporateur placé dans le pot d’échappement. Sous l’effet de la chaleur des gaz d’échappement, le liquide est transformé en vapeur. La pression engendrée entraîne le système de détente du moteur Rankine qu’il soit une turbine ou un détendeur volumétrique. Ce détendeur peut être directement relié au vilebrequin du moteur thermique, ou relié à un alternateur pour produire de l’électricité.

Le fluide utilisé dans les moteurs Rankine peut aussi bien être un fluide dit « humide » (comme l’eau par exemple) qu’un fluide dit « sec » comme le sont en général les fluides organiques. 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 sélection du 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.

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 travers une turbine pour produire du travail mettant l'arbre en rotation. La pression de la vapeur (d’eau) chute lors de son passage à travers la turbine 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 4. Diagramme de Clapeyron du cycle de Rankine


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 rejets thermiques 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 industriel le De nombreuses entreprises développent des systèmes basés sur le principe Rankine:

La société allemande BMW a été l'un des premiers grands groupes à étudier la récupération de chaleur 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 développementLes deux systèmes présentés précédemment ne sont pas les seules solutions existantes. En effet, il existe

de nombreux autres systèmes, moins connus, dont la plupart sont encore en phase 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 – ConclusionL’énergie perdue par toutes les automobiles en France représente environ 44,3% de l’énergie

électrique produite par le parc nucléaire français. Devant l’importance de ces pertes, la récupération de cette énergie est un enjeu majeur qu’il ne faut pas négliger.

A ce jour, de nombreuses solutions existent. Certaines sont déjà mises en application (notamment sur les véhicules de Formule 1) et d’autres sont encore en phase de développement. Le système le plus répandu est cependant le SREC, que ce soit en Formule 1 ou dans l’automobile particulière, où Volvo serait le premier à l’intégrer d’origine dans ses véhicules.

Bien que des solutions soient apportées au fur et à mesure des recherches, des problèmes persistent cependant. Pour Dimitri Lortet, responsable des projets Énergies alternatives chez Renault Trucks, la principale difficulté est de concevoir un système Rankine compact et léger. Pierre Leduc, chef de projet à l’Ifpen, témoigne également sur la difficulté à miniaturiser la machine de détente de la vapeur (micro turbine, piston…). En effet, l’objectif commun est un système qui devrait peser entre 10 et 15 kilos, commercialisable en 2015.

Il n’existe donc pas de solutions miracles pour récupérer l’énergie inutilisée. Quel que soit le système retenu, son utilisation optimale passera par un couplage avec des moyens de stockage de l’énergie, sous forme 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 recycler avec la route. Ce n’est plus le véhicule qui récupère l’énergie, mais son environnement : des



capteurs 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 expériences ont eu lieu, dans ce sens, en Israël sur des autoroutes. Un projet de recherche préliminaire a été lancé en Californie, avec un financement de la California energy commission.

VII – Annexes 1 : solutions annexes1) Thermoélectricité

a) PrésentationLa possibilité de convertir un flux de chaleur en courant électrique permet d’envisager des

applications 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 pour la transformer à son tour en énergie et alimenter ainsi en courant électrique les équipements du véhicule, serait l’idéal. Surtout à une époque où tous les constructeurs essaient de récupérer de l’énergie au freinage et de trouver d’autres moyens (par exemple l’énergie solaire) pour soulager la batterie principale.

b) PrincipeLes matériaux thermoélectriques produisent de l’électricité quand ils sont soumis à un fort écart de

température. Pour constituer un générateur, il faut donc un échangeur avec, d’un côté le circuit de gaz chauds, de l’autre un circuit de liquide de refroidissement, et entre les deux des modules du matériau. L’objectif est d’extraire le maximum de chaleur des gaz et de maximiser l’écart de température aux bornes des modules thermoélectriques.

Pour convertir la chaleur directement en électricité, les matériaux thermoélectriques sont caractérisés par leur facteur de mérite, qui indique l’efficacité de la conversion d’énergie. Dans l’automobile, ils doivent en plus se plier à de fortes contraintes. Ainsi, le Bi2Te3 ou Tellurure de bismuth serait privilégie pour le diesel, dont les gaz sortent à moins de 400 °C, mais pas pour les moteurs à essence, où le matériau doit fonctionner à 600 °C.

Par ailleurs, leBi2Te3, utilisé au départ dans la plupart des projets, risque de poser des problèmes d’approvisionnement. D’autres matériaux (Mg2Si ou Silicide de Magnésium, MnSi ou Brownleeite) ont été retenus dans le projet Renoter (Renault, Renault Trucks), car ils sont moins chers et plus disponibles. La qualité du transfert thermique entre l’échangeur et les modules thermoélectriques est, elle aussi, essentielle.

c) RendementLa thermoélectricité permettrait un gain de 5% à 10% du carburant attendu en limitant l'utilisation

de 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 industrielleDes résultats équivalents ont été obtenus en 2012 par Ford et BMW, qui collaborent sur un projet

avec l’américain Gentherm (et Faurecia). Dans le cadre de HeatRecar, Valeo a beaucoup travaillé sur l’efficacité du transfert thermique, en jouant sur la qualité des tubes et la géométrie de l’échangeur. Sur le projet Renoter, auquel ont participé Valeo, Renault et Renault Trucks, la solution adoptée consiste à souder



directement les modules sur les tubes de l’échangeur. Depuis quelque temps, BMW communique sur ce sujet. Mais, un projet de recherche – financé par le Département d’Etat à l’Energie aux USA – relance la question chez General Motors.

2) ‘’Turbocompound’’ Enfin, une option très différente consiste à récupérer l’énergie cinétique des gaz, en plaçant une turbine

directement dans l’échappement. Des constructeurs de poids lourds comme Scania et Volvo ont développé de tels systèmes dits "turbocompound“. D’après Pierre Leduc, chef de projet à l’Ifpen, ce dispositif serait plus simple qu’un système de Rankine. Il “suffirait“ de créer une contre-pression qui perturbe alors la combustion et qui oblige à adapter les moteurs.

Depuis la saison 2014, la Formule 1 a basculé vers une nouvelle formule de V6 1,6 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 suralimentation au cas où le ‘’turbo-compounding’’ avec la MGU –H échoue. Pour finir la puissance MGU –H ajoute 160 chevaux pour une durée de 33 secondes, ce qui est énorme.

3) Les alliages à mémoire de forme (ou AMF ) General Motors travaille sur un alliage à mémoire de forme pouvant transformer la chaleur en énergie.

En installant une pièce mécanique sur la ligne d’échappement, avec des fils utilisant cet alliage spécial (capables de se contracter quand ils sont chauffés puis de s’étirer à nouveau quand ils refroidissent), il serait possible par exemple de remplacer l’alternateur sur un véhicule conventionnel, sans avoir à solliciter le moteur pour récupérer de l’énergie en roulant. La solution étudiée par General Motors pourrait aussi trouver sa 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.

Chevrolet a également effectué des recherches sur les AMF. En effet, ils ont eu l’idée d’utiliser un alliage à mémoire de forme. Il s’agit d’un fil, composé d’un mélange d’aluminium-nickel ou de 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 du coffre ce qui a pour effet de le contracter car il prend alors la forme d’un ressort. Il



ouvre alors les volets d’aération auxquels il est relié. Une fois le hayon fermé, 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 du coffre par exemple. Les applications potentielles sont donc importantes, puisqu’on y recense 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’absorption des chocs de la route pour alimenter ensuite la batterie. Le système pourrait réduire de 2 à 10 % la consommation, si on l’applique à l’ensemble du véhicule. L’amortisseur en question est en forme de tube. Un petit tube magnétique coulisse dans un plus grand, entouré d’une bobine (une bobine en cuivre, entourant un tube en plastique). On arrive ainsi à créer un champ magnétique qui convertit les vibrations de l’amortisseur en un courant électrique.

Figure 8. Illustration d'un amortisseur récupérant de l'énergie

Selon ces chercheurs, un amortisseur peut récupérer 2 à 8 watts en conditions de roulage normales, à une vitesse de 70 km/h. Si on applique la technologie à l’ensemble des quatre roues, il devient possible de récupérer jusqu’à 256 watts. Soit, 64 watts par roue.


Figure 7. Illustration des AMF


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

thermoélectriques sur le radiateur, on peut convertir une partie de cette chaleur perdue en électricité. Celle-ci pourra alors être réutilisée "localement" pour faire tourner, par exemple, le ventilateur et ainsi limiter la consommation de carburant pour produire l’électricité dont a besoin le véhicule. Valeo a lancé des études sur 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. En effet, des microsystèmes (Mems) piézoélectriques, placés au niveau des roues, pourraient ainsi fournir de l’énergie à des capteurs autonomes. Une étude de l’Imec (Belgique) a ainsi montré qu’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 juillet 2011, ‘’Systèmes de Récupération de l’Énergie Cinétique’’, consulté à l’adresse : http://www.drgoulu.com/2011/07/03/srec/#.VImuFivF9Hb

[2] Wikipédia, 2 octobre 2014, ‘’Système de récupération de l'énergie cinétique’’, consulté à l’adresse : http://fr.wikipedia.org/wiki/Syst%E8me_de_r%E9cup%E9ration_de_l'%E9nergie_cin%E9tique

[3] Romain Guillo, date de parution non renseignée, ‘’Stockage d'énergie par volant d’inertie’’, consulté à l’adresse : http://www.ecosources.info/dossiers/Stockage_energie_volant_inertie

[4] Philippe Brendel, 14 Décembre 2011, ‘’Le volant d’inertie pourrait-il être une alternative à l’hybride classique?’’, consulté à l’adresse : http://www.carfutur.com/tag/recuperation-denergie-au-freinage/

[5] Thierry Lucas, 4 avril 2013, ‘’L’automobile, centrale d’énergie’’, consulté à l’adresse : http://www.usinenouvelle.com/article/l-automobile-centrale-d-energie.N194319

[6] F. Beaujot, 2012, ‘’Conception d’un système de récupération d’énergie cinétique (KERS) appliqué à une Lotus Elise ‘’, consulté à l’adresse : http://www.isilf.be/Articles/ISILF12p269gramme.pdf

[7] Fanovard Alain, date de parution non renseignée, ‘’Le SREC (ou KERS)’’, consulté à l’adresse : http://alain.fanovard.free.fr/develop2.htm


Figure 9. Capteurs piézoélectriques


[8] Magneti Marelli, date de parution non renseignée, ‘’Kers’’, consulté à l’adresse : http://www.magnetimarelli.com/business_areas/motorsport/technological-excellences/kers

[9] Auteur et date de parution non renseignés, “Récupération de l'énergie“, consulté à l’adresse : http://kers-utbm.e-monsite.com/pages/kers/page.html

[10] Wikipédia, 22 août 2014, “Système de récupération de chaleur à l’échappement“, consulté à l’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, ‘’Energy Conversion and Heat Engines (With a little bit of Thermodynamics)’’, consulté à l’adresse : http://www.mpoweruk.com/heat_engines.htm

[12] Wikipédia, 6 décembre 2014, ‘’Thermoélectricité’’, consulté à l’adresse : http://fr.wikipedia.org/wiki/Thermo%C3%A9lectricit%C3%A9#Applications_potentielles

[13] Laurent Meillaud, 7 novembre 2009, ‘’GM veut transformer la chaleur des gaz d’échappement en énergie électrique‘’, consulté à l’adresse : http://voituredufutur.autodeclics.com/?p=907#more-90 7

[14] Wikipédia, 26 Novembre 2014, ‘’Turbo-compound engine“, consulté à l’adresse : http://en.wikipedia.org/wiki/Turbo-compound_engine

[15] Mike Magda, 12 Mars 2014, ‘’Strange New Sounds Expected in Formula 1 Opener‘’, consulté à l’adresse : http://www.enginelabs.com/news/strange-new-sounds-expected-in-formula-1-opener/

[16] Benoît Solivellas, 13 février 2013, “Alliage à mémoire de forme, l’innovation discrète de la nouvelle Corvette“, consulté à l’adresse : http://www.cnetfrance.fr/cartech/alliage-a-memoire-de-forme-l-innovation-discrete-de-la-nouvelle-corvette-39787199.htm

[17] Nimesis, date de parution non renseignée, ‘’Exemples d’applications‘’, consulté à l’adresse : http://www.nimesis.com/faq/exemples-dapplications/

[18] Dr. Siu Wing OR, 2003, ‘’Overview of Smart Materials Technology’’, consulté à l’adresse : http://resources.edb.gov.hk/physics/articleIE/smartmaterials/SmartMaterials_e.htm

[19] Laurent Meillaud, 7 avril 2010, ‘’ Voiture du futur‘’, consulté à l’adresse : http://voituredufutur.autodeclics.com/?tag=recuperation-denergie


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