Possibilités de récupération de l’énergie cinétique d’un...

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Note : Ce document ne prtend pas tre exhaustif et ne fournit que des ordres de grandeur Gnralits et objectifs ..................................................................................................................................2

I. Les diffrentes formes dnergie utilisables dans un vhicule...................................................................4

I.1. Les nergies chimiques .......................................................................................................................4

I.1.a) Les nergies chimiques base dhydrocarbures (charbon exclu) ................................................4 I.1.b) Les nergies chimiques sans composs carbons ........................................................................5

I.2. Les nergies pneumatique/hydraulique ...............................................................................................6

I.3 Lnergie mcanique ............................................................................................................................6

I.4. Les nergies renouvelables..................................................................................................................6

II. Elments de pr-dimensionnement des dispositifs de stockage................................................................6

II.1. Hypothses pralables........................................................................................................................6

II.2. Les stockages mcaniques .................................................................................................................7

II.2.a) Par roue dinertie.........................................................................................................................7 II.2.b) Par ressort ...................................................................................................................................7

II.3. Les stockages pneumatique/hydraulique ...........................................................................................8

II.3.a) Cas dune nergie pneumatique..................................................................................................8 II.3.b) Utilisation dune nergie hydraulique ......................................................................................11

II.4. Le stockage chimique.......................................................................................................................14

II.4.a) Description thorique succincte................................................................................................14 II.4.b) Travail lectrique dune pile.....................................................................................................15 II.4.c) Exemple : laccumulateur au plomb .........................................................................................16

III. Classement des solutions de stockage ...................................................................................................18

III.1. Elaboration de critres de classement.............................................................................................18

III.2. Notation de chaque solution ...........................................................................................................19

III.2.a) Principe....................................................................................................................................19 III.2.b) Notation de la roue dinertie....................................................................................................19 III.2.c) Notation du ressort spirale ....................................................................................................20 III.2.d) Notation du ressort de traction ................................................................................................20 III.2.e) Notation du stockage pneumatique/hydraulique .....................................................................21 III.2.f) Notation du stockage chimique................................................................................................21

III.3. Bilan................................................................................................................................................22

III.3.a) Classement des solutions et remarques ...................................................................................22 III.3.b) Quels systmes de rcupration pour une automobile ?..........................................................22

Conclusion ...................................................................................................................................................23

Possibilits de rcupration de lnergie cintique dun vhicule Mise jour du 7 novembre 2009

Elments de pr-dimensionnement de quelques dispositifs de rcupration pour voiture de tourisme

http://sycomoreen.free.fr

Adapt dun document original du 2 avril 2005

Concepts innovants, moteurs/pompes et nergies renouvelables http://sycomoreen.free.fr


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Gnralits et objectifs La rcupration de lnergie cintique dun vhicule nest pas une ide nouvelle bien quelle soit trs peu rpandue : la plupart des vhicules ralentissent en convertissant la totalit de leur nergie cintique en chaleur au niveau de leurs freins. Cette nergie est libre dans latmosphre et elle est dfinitivement perdue pour le vhicule. En fait, on peut sparer les sources dnergie en 2 grandes catgories :

- Les nergies non rcuprables : ce sont des nergies qui ne peuvent qutre dstockes au sein du vhicule pendant son fonctionnement. Soit elles sont fonctionnement non rversible, soit il nexiste pas de dispositifs de rgnration de ces nergies dans le vhicule. Exemple : lnergie chimique dun carburant quil est impossible de reformer aprs sa combustion, lnergie lectrique de batteries non pourvues dun chargeur rgnrateur.

- Les nergies rcuprables : ce sont des nergies qui peuvent tre tantt dstockes, tantt stockes

au sein du vhicule pendant son fonctionnement condition quil soit quip de dispositifs adquats : elles sont alors fonctionnement rversible. Autrement dit, le dstockage de ces nergies permet de faire avancer le vhicule. Inversement, on peut stocker ces nergies simplement en faisant rouler le vhicule et sans avoir recours des sources dnergie extrieures au vhicule (ex : une station service, le rseau EDF, le soleil, le vent). Exemples :

o Lnergie mcanique : elle peut notamment tre stocke dans un vhicule soit laide de ressorts (principe des voitures friction), soit laide de volants dinertie, soit sous forme lectromagntique avec la charge de condensateurs ( supercapacitors ) ou bobines.

o Lnergie chimique : elle est stocke dans des accumulateurs (ou batteries) : des ractions doxydorduction spontanes ou non (lectrolyse) permettent de stocker et dstocker cette nergie (le dstockage produit une nergie lectrique).

o Lnergie pneumatique/hydraulique : un gaz (ou un fluide) sous pression constitue la rserve dnergie (compression du fluide : stockage ; dtente : dstockage).

La rcupration de lnergie cintique du vhicule est un enjeu majeur pour la rduction de sa consommation dnergie non rcuprable. En effet, dans lhypothse o les frottements sont faibles (pneus perfectionns ou roulage sur voies ferres, mcanismes soigns de transmission de la puissance vers les roues et moteurs limitant les pertes par frottements), un vhicule pourrait parcourir des milliers de km avec un stock initial dnergie non rcuprable relativement faible : il mettrait profit toutes les descentes ou les freinages pour stocker de lnergie rcuprable, ce stockage lui servant ensuite pour affronter les montes et vaincre les frottements qui seront toujours prsents, mme sils sont rduits. Lnergie non rcuprable de la majorit des vhicules actuels est une nergie chimique base dhydrocarbures couramment appele carburants , les plus connus tant lessence et le gasoil. La diminution de la consommation de carburants est une vidence flagrante la fois dun point de vue conomique (prix toujours plus levs des hydrocarbures avec acclration certaine de la hausse) et dun point de vue cologique (la combustion des carburants induit des polluants gazeux cancrignes et des gaz effet de serre comme le CO2). On peut alors stonner, en 2008, que pratiquement tous les vhicules gaspillent leur carburant sans chercher rcuprer leur nergie cintique ( lexception de quelques trs rares vhicules hybrides ou lectriques). En fait, ceci nest quune consquence de la combinaison de 4 facteurs :



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- La puissance des industriels du ptrole pour qui la consommation de ptrole des pays dvelopps et bientt celle de grands pays mergents (Amrique du Sud, Chine, Inde) est un objectif trs important pour amortir les sommes quelles investissent dans la prospection de nappes huileuses.

- La condescendance des Etats qui, en taxant massivement les carburants, exploitent insidieusement la situation malgr des dclarations de circonstances sur la protection de lenvironnement et limportance de leur indpendance nergtique.

- Limmobilisme des automobilistes qui dans leur majorit, semblent se rsigner dans les stations-service et, dans leur majorit, nexigent pas des produits efficients, mais confortables et puissants.

- La frilosit des constructeurs dautomobiles qui, quelques exceptions prs, pensent se donner une image valorisante en confiant leur service R&D le dveloppement de prototypes cologiques, prsents avec une certaine autosatisfaction dans les salons de lautomobile. La bonne foi des services R&D et la qualit de leurs ralisations contrastent avec les stratgies des constructeurs qui, ds le dpart, nenvisagent pas lintroduction de ces technologies dans des voitures de srie avant 4, 5, 6 ans, cest dire au moment o le march ou bien un cadre lgal les y contraindra, ce qui risque dtre un futur trs lointain moins que le baril de ptrole natteigne des sommets plus tt que prvu suite une surestimation des rserves exploitables

Les constructeurs automobiles prtendent pourtant tre sans cesse innovants. Ceci est la fois vrai et faux. Certes, sur le plan du design, les automobiles voluent sans cesse, mais la frontire entre une nouveaut et une innovation est parfois floue dans ce domaine. Sur le plan technique, qui est celui o SYCOMOREEN se place plus volontiers, il faut porter leur crdit de nombreuses innovations, en particulier dans le domaine de la scurit passive ou active, du chssis, dans la transmission de la puissance aux roues, ainsi que dans la gestion lectronique de la combustion. Mais dans le mme temps, il faut remarquer que depuis les dbuts de lautomobile, soit depuis 110 ans environ, larchitecture des moteurs thermiques est reste fige : des cylindres contiennent des pistons dont le mouvement de va-et-vient est converti via une bielle en un mouvement de rotation par un vilebrequin. Nous ne reviendrons pas ici sur la ncessit de changer cette architecture, mais signalons simplement quelle est encombrante et quen consquence, elle interdit la prsence de dispositifs de stockage dnergie crdibles dans un vhicule. Au contraire lmergence de moteurs trs compacts de mme puissance que les moteurs actuels rendrait possible un stockage significatif dnergies rcuprables grce aux gains despace quils offriraient dans le vhicule. Avec les Machines Pistons Rotatifs Battement Contrl (MPRBC) et le Piston Octogonal Gomtrie Dformable Contrle (POGDC), SYCOMOREEN propose des avances trs significative dans la conception de tels moteurs et souhaite ici largir lgrement le champ de sa rflexion avec les objectifs suivants

- Formaliser qualitativement les conversions dnergie possibles dans un vhicule

- Evaluer la dimension des dispositifs de stockage pour emmagasiner lnergie cintique dun vhicule de 1000 kg roulant 72 km/h afin de voir ce qui est envisageable ou pas sur une automobile.

- Esquisser des solutions technologiques permettant les changes nergtiques au sein du vhicule.



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I. Les diffrentes formes dnergie utilisables dans un vhicule

I.1. Les nergies chimiques

I.1.a) Les nergies chimiques base dhydrocarbures (charbon exclu)

Elles sont nombreuses et, pour la plupart, largement utilises de nos jours. On peut citer :

o Les essences : supercarburant, sans plomb destines aux moteurs allumage command o Le gasoil et les huiles lourdes destins aux moteurs allumage spontan (Diesel) o Le gaz de ptrole liqufi (GPL) utilis comme carburant dappoint pour les moteurs

essence. Leur introduction en France la fin des annes 90 sest rvle tre un chec puisque le taux dquipement des vhicules essence est infrieur 5%, bien que leurs missions de polluants soient rduites et que lEtat, dans sa grande bont, limite les taxes sur ce type de carburant, pourtant minemment fossile et assez polluant (NOx,CO2).

o Les carburants issus de matires organiques alimentaires : mthanol, esters qui commencent merger, notamment au Brsil, mais entrent en concurrence directe avec les matires alimentaires et ne sont pas aussi cologiques que lon peut lesprer. Largument cologique majeur des carburants verts est une quasi-suppression des rejets de dioxyde de carbone (CO2) dans latmosphre : la photosynthse des plantes utilise de grandes quantits de CO2 et rejette du dioxygne (O2). Cest ainsi que la photosynthse des plantes utilises pour obtenir le biocarburant consommera lavance la quantit de CO2 que la combustion du biocarburant produira, mais quels sont les rejets CO2 de production et transport des biocarburants ? Quel impact ont les pesticides ncessaires aux rendements requis ? Faut-il affamer la plante pour alimenter des automobiles mal conues car non conomes ?

o Les carburants issus de la biomasse, ont lavantage dutiliser des parties organiques habituellement pas ou peu valorises, par des procds varis (biomthanisation, thermolyse, gazification) ; ils constituent une voie de recherche quil faut assurment dvelopper, mais qui ne permettra pas de soutenir le gaspillage actuel dhydrocarbures.

Ces nergies base dhydrocarbures sont extrmement nergtiques (chaleur dgage par combustion de lordre de 20 000 kJ/kg de carburant) et faciles manipuler sous forme liquide, mais elles sont polluantes. La conversion de cette nergie chimique est irrversible : ceci signifie que lon ne peut que dstocker cette nergie au sein dun vhicule terrestre. On exploite schmatiquement lnergie chimique des hydrocarbures ainsi :

( )2 2

2 2

' 4 ,2 2 2

2

2

2

...

combustion irrversiblesuppose complte en prsence d air N O

x y z t w dans une enceinte dformable

nergie chimique

gaz sous pression haute t

y vx CO H O

hydrocarbures

t NO u N v HC H O N S

w SO

+

+ ++

dtenteaux pertesthermiques prs

emprature

Energie thermique et pneumatique

nergie mcanique



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I.1.b) Les nergies chimiques sans composs carbons

Elles sont utilises sous la forme daccumulateurs lectriques, dont le plus rpandu est laccumulateur au plomb utilis dans les batteries de voitures (accumulateurs lectrolytiques). Elles sont bases sur des ractions doxydorduction pour crer un courant lectrique. Leur grand intrt rside dans la rversibilit de ces ractions, cest dire que lon peut, en lui appliquant une tension, recharger laccumulateur. Le nombre de cycles de charge/dcharge est toutefois limit, mais important (de lordre de 2000 selon les technologies utilises). Laugmentation du nombre de cycles charge/dcharge des accumulateurs fait lobjet dactives recherches, les applications tant nombreuses (batteries de portables, de voitures, de navettes arospatiales). On a schmatiquement :

/oxydorduction spontane moteur lectriqueconsommant les ractifs

oxydorduction forcegnratrinergie lectriquergnrant les ractifsnergie chimique

ractifs tension courant ce lectrique

nergie mcanique

On remarque les doubles flches : ceci signifie que lon peut stocker et dstocker cette nergie chimique au sein du vhicule, et cela de 2 faons : soit le moteur thermique fait tourner une gnratrice qui charge les batteries, soit lnergie cintique du vhicule est convertie en nergie lectrique lors de la dclration du vhicule. Cest ainsi quune voiture va pouvoir freiner sans actionner les freins mcaniques : le gain nergtique est trs important puisquune grande partie de lnergie cintique du vhicule habituellement perdue en totalit par effet Joule au niveau des freins est rcupre ici (fig. I.). Cette nergie pourra servir par la suite acclrer nouveau le vhicule, etc

Fig. I.. : stratgie de rcupration dnergie et dassistance moteur dun vhicule hybride.

Signalons une variante dans le stockage de llectricit par le recours aux supercondensateurs apprcis comme tampon nergtique temps de rponse trs courts et capables de dlivrer de forts amprages. Enfin, on peut citer comme oxydorduction en phase gazeuse le cas particulier des piles combustibles dihydrogne/dioxygne qui ont connu rcemment un regain dintrt aprs avoir longtemps souffert de lencombrement des rservoirs et circuits divers. Lindustrialisation grande chelle de tels dispositifs nest toutefois pas envisage avant plusieurs annes et le dihydrogne est plus un problme nergtique (par ses tapes de fabrication, stockage, transport et dstockage) quune solution.



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I.2. Les nergies pneumatique/hydraulique Elles sont des nergies dont le comportement est voisin et elles sont fonctionnement rversible au mme titre que les nergies chimiques doxydorduction :

/

/

moteurhydraulique pneumatique

pompe compresseurnergie pneumatique

gaz ou fluidenergie mcanique

sous pression

Elles peuvent donc elles aussi tre utilises pour freiner ou acclrer le vhicule en limitant les pertes Joule au niveau des freins.

I.3 Lnergie mcanique Ce sont des volants dinertie pralablement lancs grande vitesse qui, accoupls une transmission, assurent la traction du vhicule. Dans les phases dacclration, le volant ralentit, dans les phases de dclration, les roues acclrent la rotation du volant (rcupration dnergie cintique). Ces dispositifs ncessitent des transmissions trs complexes pour adapter la vitesse des roues celle du volant (trains picyclodaux variation continue assists dembrayages et dune gestion lectronique). De plus, les volants sont gnralement lourds, encombrants, voire dangereux dans le vhicule et sont toujours assists dun moteur pour les relancer si ncessaire. En dpit de ces difficults, des tudes tendent introduire cette technologie en Formule 1 (projet KERS : Kinetic Energy Recovery System). Lautre alternative de stockage est la mise sous tension de ressorts en traction/compression ou en torsion, lnergie tant alors stocke sous forme dnergie potentielle lastique. La dtente du ressort libre cette nergie alors que sa mise sous tension en freinage ou en descente la stocke.

I.4. Les nergies renouvelables Ce sont les nergies olienne et solaire. Elles ne peuvent actuellement pas tre utilises pour mouvoir le vhicule, sauf sil est ultralger (moins de 300kg, passagers compris), ce qui nest gnralement pas le cas. Elles ne sont pas rversibles : la voiture ne peut pas rgnrer le vent qui la pousse ou bien renvoyer la lumire solaire quelle a reue. Toutefois, lnergie solaire via des cellules photovoltaques peut faire fonctionner les accessoires lectriques ou recharger des batteries, que le vhicule soit en marche ou non. Par exemple, on peut citer une voiture solaire ayant travers lAustralie dans le sens Sud/Nord. Les panneaux solaires ne peuvent malheureusement pas tre trs grands sur une automobile (surfaces limites au toit, au capot moteur et aux ailes), et ils sont chers et fragiles. II. Elments de pr-dimensionnement des dispositifs de stockage

II.1. Hypothses pralables Le stockage dnergie se justifie pour tous les vhicules terrestres, en particulier pour les automobiles qui roulent en ville. Lidal serait quavec une quantit dnergie initiale, lautomobile puisse se propulser jusqu la vitesse maximale en situation urbaine, puis par rcupration au freinage, acclrer jusqu environ la mme vitesse sans apport dnergie supplmentaire. Les vitesses urbaines se situent entre 0 km/h (feux rouges ou bouchons) et 70 km/h (priphriques). En arrondissant la vitesse maximale 72 km/h, soit 20 m/s, lnergie rcuprer au cours dun freinage complet est pour une masse roulante de

m=1000 kg : 21

200 0002c

E mv J= = .Le stockage doit tre efficace (au moins 90% de lnergie cintique

rcupre), rapide (dure du temps de freinage, tout au plus quelques dizaines de secondes) et permettre au vhicule de freiner sans actionner les freins mcaniques, si ce nest au dernier moment pour immobiliser compltement le vhicule. Par ailleurs, les dispositifs de stockage doivent avoir une taille raisonnable. On se donne par hypothse un volume ddi au stockage de lnergie de 20 000 cm3 .



7

II.2. Les stockages mcaniques

II.2.a) Par roue dinertie

On considre un cylindre dacier de masse volumique 7850 kg/m3, dun rayon R = 25 cm et dune hauteur h =10 cm. Son volume V vaut : 2 319635V R h cm= = , et 154.13m V kg= =

Et le moment dinertie J par rapport son axe de rvolution vaut : 2 4

2 2cylindrem R hRJ

= =

Lnergie cintique de rotation de ce solide : 4

2 21

2 4rotationhR

E J = = avec sa vitesse de rotation

En supposant une vitesse de rotation de 2800 tr/min (comparable celle dun moteur en charge moyenne), le fait de lancer cette roue dinertie de 0 2800 tr/min (293,2 rad/s) stocke une nergie de :

42 21

2 4rotationhR

E J = = = 207058 J

qui permet thoriquement de relancer le vhicule environ 70 km/h. Mais cela est loin dtre parfait : - Le poids est important : la roue dinertie pse ici elle seule plus de 154 kg, et il faut prvoir des

transmissions magntique ou variation continue, elles aussi lourdes et encombrantes. - La complexit mcanique de ces transmissions entrane des cots levs. - Pour acclrer brutalement la roue dinertie (freinage vif), celle ci va opposer un fort couple en

d

Jdt

. Ce couple risque dtre trop important et de bloquer les roues : une gestion

lectronique simpose donc (embrayage ou rglage du rapport '/roues roue d inertie ) .

II.2.b) Par ressort

Pour les ressorts de torsion en spirale, la raideur en torsion du ressort

sexprime par : 3

12

EbhK

L= Avec : E le module dYoung du matriau

(acier, 210 GPa), b la profondeur du ressort, h lpaisseur de la lamelle enroule (fig. II) et L la longueur dveloppe de la lamelle. Dans lapproximation des dformations linaires, le couple de rappel du ressort en fixant une de ses extrmits et faisant tourner lautre dun

angle vaut rapC K= . Lnergie lastique stocke vaut 21

2E K=

En choisissant un rayon maxi de 25 cm, une augmentation de rayon 2,875 cm/tour (soit 8 spires), un rayon moyen initial de 2 cm, une paisseur h de 12 mm et une profondeur b de 10 cm, on obtient : L = 6,79 m, K = 445,25 N.m/rad, le volume du ressort : 19635 cm3 Et pour une rotation de 2.5 tours : 6994 .rapC N m= et E = 54 931 J quivalent une relance 38 km/h. Lallure du ressort est donne sur la figure II. Lnergie stocke est intressante. Il faudrait toutefois vrifier que lon reste bien dans des dformations rversibles du mtal. Le couple de rappel important ncessite lutilisation dun rducteur dun rapport denviron 10 entre le mouvement de rotation des roues et larbre solidaire du centre de la spirale. Par ailleurs, il faut prvoir un dispositif dinversion du mouvement ( embrayages par exemple), sinon, la dtente du ressort tend faire reculer la voiture ! Pour un mme volume, le ressort spirale stocke 50 000 J, soit 4 fois moins que la roue dinertie. Il est toutefois beaucoup plus lger et, a priori, il ne ncessite pas de transmission variation continue.

Pour les ressorts en traction/compression, la raideur est donne par : 4

38

Gdk

nD=

fig. II



8

Avec : G le module au cisaillement du matriau (pour lacier : ( )

802 1

EG GPa

=

+ avec v=0,28), d le

diamtre du fil enroul, n le nombre de spires du ressort, et D le diamtre moyen du ressort Si lon reste dans le domaine linaire du ressort (dformations rversibles), la force de rappel du ressort

la suite dun allongement x vaut rapF kx= et lnergie lastique stocke est 21

2E kx= .

La contrainte dans le ressort est donne par 3

8 rapF D

d

=

Si lon choisit un ressort de traction spires jointives avec les caractristiques suivantes : d = 34 mm, R = 85 mm, longueur initiale 30 mm, allongement x = 30 mm, on obtient le ressort 9 spires de la figure III (en positions initiale et allonge) avec les caractrisitques suivantes :

- raideur du ressort : k = 308 267 N/m - force ncessaire pour lallongement : F = k x = 92 480 N - nergie lastique stocke : 13 872 J - contrainte mcanique : 1 018 MPa - volume du ressort allong : 19611 cm3

Lnergie stocke est ici nettement infrieure au ressort spirale. Ceci sexplique par la perte despace au centre du ressort. La contrainte est leve, mais les aciers HLE prsentent des limites lastiques allant jusqu 1500 MPa. Enfin, la force ncessaire lallongement est importante : elle reprsente une pression de 100 Bar sexerant sur 100 cm.

II.3. Les stockages pneumatique/hydraulique

II.3.a) Cas dune nergie pneumatique

Choix du fluide :

Ce sera un fluide gazeux qui assurera les changes nergtiques, le moins coteux et le plus disponible est lair ambiant.

Avantages :

- Les compresseurs ou les moteurs pneumatiques sont plutt bon march. - Une cuve dair sous pression est moins dangereuse quune cuve dhydrocarbures sous

pression, en particulier en cas dincendie du vhicule. - Le compresseur pourrait tre intgr dans le moteur :

On peut tout fait envisager de transformer une chambre de combustion en compresseur intermittent laide du calage variable des soupapes et dune valve aiguillant les gaz tantt vers lchappement de cette chambre, tantt vers la cuve sous pression. On peut mme renoncer dfinitivement utiliser cette chambre comme une chambre de combustion et sen servir exclusivement comme un compresseur (la valve bidirectionnelle devenant alors inutile).

On peut ainsi atteindre des pressions dau moins 50 Bars, en particulier si le taux de compression de la chambre est grand et les volumes morts restreints.

fig. III



9

Inconvnients

- Le rendement des moteurs pneumatiques est souvent infrieur celui des moteurs hydrauliques ou lectriques et le bilan nergtique risque dtre plus faible.

- A ma connaissance, il nest pas usuel dutiliser un moteur pneumatique lenvers , cest dire comme un compresseur, or un moteur pneumatique rversible serait plus compact que 2 dispositifs spars.

On va considrer le travail mcanique W quil faut fournir un gaz pour le comprimer dun tat [ ]1 1,P V un tat [ ]2 2,P V avec 2 1P P> et 1 2V V> . On supposera une transformation polytropique du type kPV cte= avec k un paramtre positif. Le cas o k = , avec le coefficient de Mayer, correspond une compression adiabatique rversible, cest--dire isentropique. Pour les gaz parfaits diatomiques, 1,4 = . Le cas o k = 1 correspond une compression isotherme puisque dans ce cas, avec la loi des gaz parfaits,PV nRT cte T cte= = = . On posera de plus 1 2/V V = le taux de compression.

La loi polytropique nous donne en cours de compression : 11 1 1

kk k VPV cte PV P P

V = = =

2 2 2

1 1 1

1

1 1 11 1 1 1 1 21 1 1 1 2 1

1

11 1

kk k kV V Vk k k k

kV V V

V PV PV VdVW PdV P dV PV V V V

V V k k V

= = = = =

Do 1 1

1 1 2 1 1 1

1 2

1 11 1

k kPV V PV V

Wk V k V

= =

soit finalement 11 1 1

1kPVW

k =

A.N. : 16 = , 51 1 10P Bar Pa= = , 3 3

1 0.02 20000V m cm= = , 10 157W J= Si lon veut 200 000 J (20 fois plus), il faut un rservoir dair sous pression de 400 L, ce qui est trs encombrant lchelle dune voiture, bien que ce rservoir soit a priori lger. Qualitativement, on a des caractristiques inverses de celles de la roue dinertie. A lissue de cette compression polytropique, la temprature finale de lair suppos tre un gaz parfait avec

PV=nRT sera de 1 11 1 2 2k kTV T V =

1

12 1

2

kV

T TV

=

Si 1.4k = = , 16 = et 1 20 293T C K= = , 2 888T K= soit 615C et 12 1 12

48.5k

kVP P P BarV

= = =

Si cet air sous pression est stock peu de temps, il naura pas le temps de se refroidir et sa dtente pourra presque restituer lnergie cintique du vhicule initialement stocke. En revanche, si la restitution nest pas immdiate, lair va se refroidir jusqu la temprature ambiante T1 volume V2 constant. Par conservation de la matire dans la cuve sous pression, la nouvelle pression disponible 2

refP sera alors :

2 2 1 2 2 2 2

1 22 2 2

ref refP V nRT P V PV

RT RTPV nRT

= =

=

1

1 11 12 2 2 2 1

2 2

k

ref k k kT VP P P P PT V

= = = =

Donc 2 1refP P= A.N. : 2 16

refP Bar=



10

On cherche maintenant le travail W restituable au cours dune dtente polytropique jusqu {Pfinale=1 Bar,Vfinal}. Le volume partir duquel P=1 Bar vrifiera :

11/

1/2 12 2 2

1

finalekrefP P

ref k k kfinale final final

P VP V P V V V

P

= = = =

1

1

k

kfinalV V

= A.N. 3 39,06.10 9finalV m L=

La loi polytropique nous donne en cours de dtente : 22 2 2

kk ref k ref VPV cte P V P P

V = = =

2

2 2

1

1 1 12 2 2 2 22 2 2 2 2

2

11 1

final final

final

kk ref k ref kV V V finalref ref k k k k

finalkV V V

VV P V P VdVW PdV P dV P V V V V

V V k k V

= = = = =

( )1 1

2 2 2 1 11

1 1

11 1

1 1

k kref ref k kP V P V P

W Pk P k P

= = Do

11 1 1

1

k

kPV

Wk

=

A.N. : W= - 2735,7 J (nergie ngative car fournie par le gaz vers les roues du vhicule).

Remarque :

11 11 11

1 1 2 11 2 1 1 1 11

1

1

kk k k

k k k kfinale final finale

final k

V VT V TV T T T T T

VV

= = = = =

A.N. : Tfinale= 132,7 K soit 140,3C Bilan nergtique avec les hypothses suivantes :

- Les transformations sont adiabatiques rversibles k = 1.4 = - Il ny a aucune perte mcanique lors du stockage ou dstockage de lnergie (pas de

frottements dans la cuve sous pression) - Aucune perte mcanique, ni dans les transmissions entre les roues du vhicule et le

dispositif compresseur, ni dans le compresseur, ni dans les canalisations. - La cuve a un volume V1 de 20 L.

Etat du gaz P1 = 1 Bar V1 = 20 L T1 = 20C

Etat du gaz P2 = 48,5 Bar V2 = 1,25 L T2 = 615C

Energie stocke: 10157 J

Compression polytropique lors dune dclration

Dtente polytropique lors dune racclration immdiate du vhicule

Dtente polytropique lors dune racclration du vhicule aprs refroidissement complet du gaz jusqu la temprature atmosphrique

Etat du gaz P3 = 1 Bar V3 = 20 L T3 = 20C

Energie dstocke:10157 J

Etat du gaz Pfinale = 1 Bar Vfinal = 9 L Tfinale = -140C

Energie dstocke:2736 J Pertes thermiques vers

latmosphre : 7421 J

1 1 1, ,P V T

1 1,P T

2 2 2, ,P V T

1 1,P T

2 2 2, ,P V T

1 1,P T

2 1, ,refP V T

1 1,P T

1, ,final

finale

P V

T

1 1,P T

1 1 1, ,P V T

1 1,P T



11

Commentaires :

On remarque immdiatement que la quantit dnergie stocke est trs modeste par rapport au 200 000 J souhaits, sauf avec une cuve de 400L qui nest pas raisonnablement implantable dans une voiture. Toutefois, le tableau ci-dessous donne en fonction du volume de la cuve lnergie cintique stockable* et la vitesse correspondante du vhicule (vitesse au-del de laquelle le stockage de lnergie cintique ne sera que partiel).

Volume de la cuve (L) 20 40 50 60 100 150 200 Energie stockable (J) 10157 20314 25393 30471 50786 76179 101571 Vitesse correspondante* (km/h)

/

2 1015720

3.6

cuveLitre

km h vhiculekg

V

vm

=

16.2

23

25,6

28,1

36.3

44,4

51.3

*Aux frottements prs

Pour information : m = 1000 kg. Avec 60 L, volume raisonnable, on pourrait relancer le vhicule jusqu 28 km/h, ce qui est largement suffisant dans les bouchons.

De plus, cette nergie peut a priori tre stocke en peu de temps. Le rendement stockage/dstockage est de 100% si la relance du vhicule est immdiate aprs son

arrt. Il nest plus que de 27% si le refroidissement de lair est complet. Il faudra peut-tre un rservoir thermiquement isol, ce qui nest trs pas pnalisant en poids, mais risque dtre trs encombrant Par ailleurs, on remarque quon obtient une temprature trs basse lissue de la dtente. Elle peut tre mise profit pour la climatisation de lautomobile en liqufiant par exemple un gaz frigorigne. Ainsi, le compresseur de la climatisation fonctionnera moins et diminuera la consommation de la voiture.

II.3.b) Utilisation dune nergie hydraulique

Choix du fluide :

Ce sera un fluide liquide qui assurera les changes nergtiques. Le moins coteux est leau, mais elle est corrosive et gnre des cavitations dans les conduites en se vaporisant. De ce point de vue, une huile est plus stable, mais aussi plus chre. Toutefois, si lhuile circule en circuit ferm, cet aspect nest pas gnant.

Avantages :

- Les pompes ou moteurs hydrauliques prsentent un rendement proche de 95%. - Il existe des moteurs hydrauliques rversibles :

En dclration, on les utilisera en compresseur dhuile (nergie cintique nergie hydraulique),

On utilisera le dispositif en moteur hydraulique pour restituer cette nergie lors dune acclration ultrieure du vhicule (nergie hydraulique nergie cintique). Ces techniques sont actuellement dveloppes sur des poids-lourds pour rduire leur consommation de carburant.

Lavantage dun moteur rversible est vident sur le plan de la compacit, et en plus il ny aura pas synchroniser plusieurs dispositifs hydrauliques.

-



12

Lutilisation dhuile sous pression dans le moteur est trs probable : en maintenant une pression importante dans la cuve, le moteur hydraulique pourrait donc tre une source dhuile sous pression commune des fonctions spcifiques au moteur thermique et/ou au vhicule :

Lubrification du moteur thermique Rglage des taux de compression des chambres de combustion Dispositifs hydrauliques annexes (direction assiste, suspensions

hydropneumatiques) Mise de gaz sous pression pour un moteur ventuel pneumatique. On peut

dailleurs regrouper dans une mme cuve sous pression lhuile et le gaz en les sparant par une paroi souple ou mobile compartimentant la cuve en 2 rservoirs distincts.

Inconvnients

- une cuve dhuile sous pression est relativement dangereuse en cas dincendie du vhicule. - Lhuile est quasi incompressible et ne peut donc pas tre mise sous pression par une des

chambres de combustion du moteur thermique : Pour arrter le pompage, on ferme les 2 soupapes en permanence : dans le cas du

gaz, le moteur peut continuer tourner car le gaz peut se dtendre ou se comprimer.

Si cest de lhuile, le moteur se bloquera car le volume de lhuile initialement contenue dans la chambre au moment de la fermeture des soupapes ne variera quasiment pas.

Ce caractre incompressible de lhuile obligera utiliser un fluide gazeux ou un ressort pour stocker de lnergie comme le suggre le schma de principe ci-aprs.

Sur la page suivante, la figure IV donne le principe gnral de circulation de fluides sous pression avec rcupration dnergie au sein dun vhicule :

De nombreux dispositifs sont optionnels, les composants de base tant un moteur hydraulique rversible, une pompe auxiliaire et une cuve cylindrique contenant de lair et de lhuile sous pression.

Le schma prsente une situation de stockage dnergie : le vhicule dclre et les roues actionnent le moteur hydraulique qui joue alors un rle de compresseur pour lair du compartiment 2. Si lon utilise un moteur hydraulique plateaux inclinables, il est trs facile de rgler le dbit dhuile entrant dans le compartiment 1, voire mme de lannuler, ce qui empchera le stockage si ncessaire.

Ds que le conducteur souhaite relancer le vhicule, lair comprim se dtend et chasse lhuile vers le moteur hydraulique qui envoie alors une nergie mcanique vers les roues, nergie qui naura videmment plus tre fournie par le moteur thermique comme cest le cas actuellement, do une conomie de carburant Ici aussi, linclinaison du plateau permet de piloter la quantit dhuile partant vers le moteur, (lequel rejette lhuile basse pression dans le rservoir), et donc de piloter la vitesse de dstockage de lnergie pneumatique du compartiment 2.

En permanence, les accessoires et la lubrification soutirent de lhuile dans le compartiment 1. Il faudra donc une pompe hydraulique auxiliaire simple et bon march ( engrenages par exemple), actionnable volont par le moteur thermique ou par un moteur lectrique pour maintenir la quantit et/ou la pression dhuile ncessaire au bon fonctionnement des accessoires et de la lubrification. Le fonctionnement de cette pompe sera intermittent car en principe, les accessoires nutiliseront pas beaucoup dhuile par rapport aux quantits dhuile pompes lors dune dclration.



13

Fig. IV : Principe gnral de circulation de fluides avec rcupration dnergie au sein du vhicule

Vannes ou dispositifs de rgulation de pression

Moteur pneumatique mcaWT

TCompresseur Ou chambre du moteur

utilise ainsi

mcaW

Tair ambiant compartiment 2 :air sous pression

compartiment 1:

huile sous pression

paroi dformable ou piston

T

pompe

auxiliaire

Direction assiste

Lubrification moteur

Suspension hydropneumatique T

T TT T

TRservoir dhuile

pression atmosphrique

Moteur/ Pompe hydraulique

mcaW

Dispositifs optionnels



14

II.4. Le stockage chimique

II.4.a) Description thorique succincte

Dans le cas gnral, un accumulateur aussi appel abusivement pile rechargeable met en jeu 2 couples rdox quelconques qui ragissent entre eux selon une raction doxydorduction :

2 2 2

1 1 1

(2)

(1)

rduction

oxydation

oxydation

rduction

ox n e red

red ox n e

+

+1 2 2 1 1 2 2 1n ox n red n red n ox

+ +

La canalisation dans un circuit lectrique des lectrons rsultant des changes lectroniques au cours de cette raction permet dobtenir un courant lectrique. La force lectromotrice (f.e.m.) de cette pile, aussi appele sa tension vide se calcule laide de la formule E = E2 E1 : en supposant E2 >E1, E2 est le potentiel lectrique de la cathode o ont lieu les rductions et E1 celui de lanode o ont lieu les oxydations. Les expressions de E2 et E1 sont donnes par la formule de Nernst avec ai lactivit chimique de lespce i et Ej le potentiel standard du couple rdox nj :

0 02 12 2 1 1

2 2 1 1

ln lnox ox

red red

a aRT RTE E E E

n F a n F a

= + = +

Avec F la constante de Faraday (96500 C/mol) et R celle des gaz parfaits (8,32 J/K/mol) et T la temprature en Kelvin laquelle fonctionne laccumulateur.

Calcul : La raction rdox considre est 1 2 2 1 1 2 2 1n ox n red n red n ox+ + . Il vient :

( )( )

( )( )

0 02 12 1 2 1

2 2 1 1

2 10 02 1

2 2 1 1

ln ln

1 1ln ln

ox ox

red red

ox ox

red red

a aRT RTE E E E E

n F a n F a

a aRTE E E

F n a n a

= = +

= +

Cette expression nest pas trs utilise car on fait apparatre le quotient ractionnel Q de la raction :

( )( )

( )( )

( ) ( )( ) ( )

1 2

1 2

1 2

1 2

2 10 02 1

1 2 2 1

2 10 02 1

1 2 2 1

ln ln

ln

n n

ox oxn n

red red

n n

ox redn n

red ox

a aRTE E E

n n F a a

a aRTE E E

n n F a a

= +

= +

Et en posant ( ) ( )( ) ( )

1 2

1 2

2 1

2 1

1n n

ox redn n

red ox

a a

Q a a= , il vient ( )0 02 1

1 2

lnRT

E E E Qn n F

=

La pile va dbiter jusqu lgalit des potentiels de ses 2 lectrodes (2 1 2 1 0E E E E E= = = ), cest--dire jusqu ce que le quotient de la raction soit gal la constante K dquilibre thermodynamique de la

raction : cette constante dquilibre Qquilibre = K se calcule en sachant que ( )0 02 11 2

0 ln quilibreRT

E E Qn n F

=

Posons de plus E = E2 E1 la f.e.m. de la pile dans les conditions standard.

( )0 02 11 2

0 ln quilibreRT

E E Qn n F

= ( ) ( ) 1 2ln ln quilibre FEK Q n n RT

= =



15

II.4.b) Travail lectrique dune pile

On considre toujours la raction 1 2 2 1 1 2 1 2 2 1 1 2n ox n red n n e n red n ox n n e + + + +

On notera lavancement de cette raction tel que, en dsignant le temps par t et le nombre de moles de lespce chimique A prsentes dans laccumulateur par ( )A :

( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )2 2 1 1 2 2 1 10 0 0 01 2 1 2

t t t t t t t to x o x red red red red o x o x

tn n n n

= = = =

= = = =

Pendant dt, il se produit une variation lmentaire d de lavancement de la raction et 1 2n n d moles dlectrons sont changes. Le gnrateur fournit alors :

- une tension ( ) ( )( ) ( )

1 2

1 2

2 10 02 1

1 2 2 1

lnn n

o x redn n

r ed o x

a aR TE E E

n n F a a

= +

- une intensit 1 2 1 2

dq di n n F idt n n Fd

dt dt

= = = avec F = 96500 C/mol.

Le travail lectrique algbriquement reu par le circuit lectrique branch sur la pile sexprime alors

par : ( ) ( )( ) ( )

[ ]1 2

1 2

2 10 02 1 1 2

1 2 2 1

lnn n

ox redlec n n

red ox

a aRTW Eidt E E n n Fd

n n F a a

= = +

La raction sarrtera au moment o la force lectromotrice de la pile sera nulle. Comme les activits des espces chimiques dpendent a priori de lavancement de la raction, lavancement au bout dun temps infini, ( )t = , sera donc calculable laide de la relation suivante en supposant que la disparition de lun des ractifs ne viendra pas bloquer la raction avant quelle ait atteint lquilibre thermodynamique :

( ) ( )( ) ( )( )( )( ) ( )( )

1 2

1 2

0 01 2 2 1 2 1

2 1

ln

n n

ox red

n n

red ox

n n F E E a a

RT a a

=

On montre en thermodynamique que : - lactivit dun gaz vaut approximativement sa pression partielle (Pa) sur P=105 Pa - lactivit dun solut vaut approximativement sa concentration en mol/L - lactivit dun solide vaut approximativement 1.

Et le travail lectrique total que la pile peut fournir sobtiendra par :

( )( ) ( )( )( )( ) ( )( )

[ ]1 2

1 2

2 10 02 1 1 20 0

1 2 2 1

ln

n n

ox redlec lec n n

red ox

a aRTW W E E n n Fd

n n F a a

= = +

Remarquons quici, lecW , travail reu par le circuit, est algbrique :

- Si 1 2 2 1 1 2 1 2 2 1 1 2n ox n red n n e n red n ox n n e + + + + la raction se fait dans le sens direct et

spontan >0. lecW >0. Il y a consommation des ractifs dans laccumulateur qui se dcharge. - Si 1 2 2 1 1 2 1 2 2 1 1 2n ox n red n n e n red n ox n n e

+ + + + la raction se fait dans le sens inverse et non spontan


16

II.4.c) Exemple : laccumulateur au plomb

Cest celui utilis par les batteries dautomobiles. On peut ramener le fonctionnement de ces batteries la raction rdox entre les 2 couples suivants : 2 22/ , /Pb Pb PbO Pb

+ + o llment plomb a

respectivement les nombres doxydation +II, O, +IV,+II. Lorsque le moteur ne tourne pas et que la batterie est sollicite (dmarreur, phares, radio), celle-ci fonctionne comme une pile :

- la borne + est la cathode o PbO2 est rduit 2

2 24 2 2s aqPbO H e Pb H O+ ++ + +

- borne est lanode o Pb est oxyd : 2 2s aqPb Pb e+ +

Au contraire, lorsque le moteur tourne, il actionne un alternateur qui a une fonction de gnrateur : la batterie peut alors se recharger.

- la borne est la cathode o Pb2+ est rduit 2 2aq sPb e Pb+ +

- borne + est lanode o Pb2+ est oxyd : 2 2 22 4 2aq sPb H O PbO H e+ + + + +

On notera [A] la concentration en mol/L de lespce chimique A.

Une cellule lectrolytique au plomb utilise gnralement de lacide sulfurique ( )242H SO+ comme lectrolyte une concentration denviron c0 = 1,7 mol/L. On notera cellV le volume dlectrolyte que

contient la cellule. La prsence en grande quantit de 24SO fait quil existe toujours du sulfate de plomb

solide en solution, donc on peut crire 2 24 SPb SO K+ = le produit de solubilit 4sPbSO .

Le potentiel la cathode vaut 4 4 2

40 02 2 22

ln ln2 2 S

H H SORT RTE E E

F F KPb

+ +

+

= + = +

Le potentiel lanode vaut ( )0 2 01 1 1 24

ln ln2 2

SKRT R TE E P b EF F SO

+

= =

Elle a donc une f.e.m. de ( )4 2

40 0 02 1 2 1 2

4

2ln . ln

2S

S

H SO KRT RTE E E E E E H

F K FSO

+ +

= = + = +

Avec 0 02 1E E = E denviron 2.1 V, ce qui fait quune batterie 12V comporte 6 cellules connectes en

srie. Ici, la concentration en H+ vaut en fonction de lavancement : 0 4cell

H cV

+ = en mol/L

Do le travail lectrique ( )00

2ln 2lec

RTW E H Fd

F

+ = +

Lavancement maximal est atteint quant E = 0. On se place une temprature de 25C, soit T = 298K :

( )0

0 182 ln 0 exp 1,784.102t

RT FEE H H mol

F RT+ +

=

+ = = =

Pratiquement tout lacide a ragi, donc lavancement final est 04cellc

V = en mol.

22 2: 4 2 2s aqBilan Pb PbO H Pb H O

+ ++ + +

22 2: 4 2 2s s aqBilan Pb PbO H Pb H O

+ ++ + +



17

Ainsi : ( )00

2ln 2lec

RTW E H Fd

F

+ = +

, soit ( )0

00 0 0ln2lec cell

FE cW V RT c c c

= +

En choisissant un volume de 100 mL dacide par cellule et une concentration initiale de 1,7mol/L, il vient : 1 17 027,4celllecW J= par cellule et pour une batterie de 6 cellules :

1 102 164,5batlecW J=

Une telle batterie peut dbiter a priori une quantit de charges : 06 24

cellV cQ F= car 2F Coulomb

sont changs par mole davancement et que lavancement final est en mole 0 / 4cellV c par cellule. Soit

49 215Q C= . Si on souhaite ramener ceci en ampre.heure sachant que 1 A.h = 3600 C, une telle batterie charge bloc a une autonomie de 13.67 A.h. Le volume dune telle batterie est de lordre de 15 x 13 x 10 = 1950 cm3. Comme par hypothse nous avons un volume de 20 L ddi au stockage, on pourra utiliser environ 10 batteries, soit une nergie de 106 J ! Dun point de vue nergtique, les batteries prsentent de loin la plus forte capacit de stockage : la dcharge complte de ces 10 batteries peut en ngligeant les frottements (cest ici abusif) lancer un vhicule de 1000 kg une vitesse de 163 km/h (sur une route de pente nulle). En effet :

( )12 1 2 101 10 45,2 / 162,73 /2

batlecbat

lec

Wmv W v m s km h

m

= = = =

En revanche, les batteries peuvent tre lentes se charger ou se dcharger : le temps de charge dune batterie dpend de sa conception cause dun courant maximum dlectrolyse. Signalons ici que ces charges ncessitent une source de courant continu : soit un moteur lectrique courant continu utilis en gnrateur, soit une gnratrice de courant alternatif quil faut redresser avec des dispositifs encombrants, ce qui nest pas idal sur une automobile Ce courant dpend selon des lois complexes :

- de la surface des lectrodes en contact avec le bain lectrolytique - du matriau constituant ces lectrodes ainsi que de son tat de surface - de la tension dlectrolyse applique aux bornes de la batterie

Ce courant peut tre grand si la surface des lectrodes en contact avec le bain lectrolytique est grande. Par exemple, pour la mtallurgie du zinc par voie lectrolytique, on peut aller jusqu 4 A/dm2 dlectrode pour llectrolyse dune solution de sulfate de zinc ( )2 24Zn SO+ avec une anode en plomb argentifre et une cathode en aluminium sous une tension de 3,4 V. Mais les tensions dlectrolyse sur une cellule doivent tre faibles (en gnral < 5V). Une alternative ce problme est la mise en srie des cellules qui divise la tension globale dlectrolyse par le nombre de cellules en srie. En ce qui concerne le temps de dcharge, il peut tre trs variable en fonction de la sollicitation de la batterie. Toutefois, il existe un temps de dcharge incompressible cause de lexistence dun courant maximum de dcharge : ce courant est influenc par les mmes paramtres qui ont sur lui sensiblement les mmes effets. Ainsi, pour une batterie de 15 x 13 x 10 cm :

- en utilisant pour chaque lectrode 3 plaques quidistantes de 12 x 10 cm : 2720lectrodeS cm= car chaque plaque possde 2 faces de 120 cm.

- en supposant Isurfacique = 4 A/dm

On a un courant dlectrolyse de 28,8 A. Il faudra donc au moins 13,7/28,8 = 0,47 h pour recharger une batterie soit pratiquement heure ! Avec 10 batteries en parallle, les courants sajoutent et on peut monter 288 A de courant global dlectrolyse. Lnergie stocke par une seule batterie en 30 min se rpartit alors sur les 10 mais en 3 min. Ce qui est encore long comme temps de dclration avec un amprage certainement peu raliste



18

Signalons que certains constructeurs comme Honda se sont penchs sur les difficults de rcupration dnergie par stockage lectrolytique sur leurs vhicules pile combustible, notamment la Honda FCX (4me gnration). Devant des rendements nergtiques dcevants en dclration, Honda a dvelopp un super condensateur dune capacit de 8 Farad qui stocke le courant produit par le moteur courant continu du vhicule (qui fonctionne comme une gnratrice lors des dclrations). Cette nergie lectrique est stocke sous la forme dune nergie lectrostatique dans les lments du super condensateur . Il semblerait que le rendement soit trs bon (>95%), mais il subsiste un problme dencombrement et surtout de cots. Sur le plan technique, un super condensateur de 34 kg peut dlivrer pendant quelques secondes une puissance de 40 kW pour relancer le vhicule, soit environ 55 Ch. Mais son volume occupe la moiti du coffre de la voiture Toutefois, le concept demeure intressant pour relancer le vhicule entre 2 feux rouges. Il est en cela une srieuse alternative au stockage lectrolytique, qui en plus dtre difficile mettre en uvre, pose aussi des problmes de pollution au moment o les batteries sont uses (acide, mtaux lourds divers), contrairement aux condensateurs. III. Classement des solutions de stockage

III.1. Elaboration de critres de classement On cherche ici mesurer la pertinence dun systme de stockage par rapport un autre. Le systme de stockage idal doit avoir les qualits suivantes :

- Rendement nergtique lev : o 100% de lnergie cintique initiale stocke o Restitution de 100% de cette nergie au dstockage

- Rapidit de stockage/dstockage de lnergie o Lnergie cintique doit pouvoir tre stocke sur la mme dure que celle dun freinage

laide de freins traditionnels. o Lnergie stocke doit pouvoir tre restitue sur la mme dure que lacclration procure

par le moteur thermique du vhicule - Facilit de rcupration de lnergie vers les roues

o Le systme ne doit pas ncessiter des lments de conversion mcanique trop complexes (rducteurs, trains picyclodaux, embrayages, transmission variation continue) pour restituer lnergie stocke vers les roues.

- Energie maximum stockable leve - Encombrement rduit - Poids faible

o Le poids est pnalisant pour des vhicules sans rcupration dnergie cintique : Surdimensionnement des suspensions Usure des pneumatiques Enormes pertes nergtiques chaque freinage

o Le poids est beaucoup moins pnalisant lorsque lnergie cintique du vhicule est rcupre chaque dclration.

Selon les vhicules, certains de ces critres sont moins importants que dautres : dans un train ou un camion, le poids et lencombrement du systme sont moins gnants que sur une petite voiture. Inversement, la rapidit de stockage/dstockage est primordiale sur une voiture (nombreuses acclrations/dclrations relativement courtes) alors que sur un train, elle est moins ncessaire (longues acclrations ou dclrations par ailleurs peu nombreuses). De mme, lnergie maximale stocker dpend directement de la masse et des vitesses de croisire des vhicules (trs grandes pour un TGV, faible pour une citadine).



19

Il est donc difficile de classer ces critres par ordre dimportance de faon absolue. Nanmoins, on peut retenir le classement typique suivant dans le cas de petits vhicules dont la vitesse varie trs souvent au cours dun trajet :

1. Rendement nergtique lev : le bilan nergtique doit tre optimis quel que soit le vhicule 2. Rapidit de stockage/dstockage de lnergie 3. Facilit de rcupration de lnergie vers les roues 4. Encombrement rduit 5. Energie maximum stockable leve 6. Poids faible

III.2. Notation de chaque solution

III.2.a) Principe

Pour chaque critre, une note de 1 5 est attribue chaque solution : 5 : trs bon 4 : bon 3 : moyen 2 : mauvais 1 : trs mauvais

Par ailleurs, on attribue les coefficients suivants chaque critre en fonction de leur importance : Critre n1 : coeff. 6 Critre n2 : coeff. 5 Critre n3 : coeff. 4

Critre n4 : coeff. 4 Critre n5 : coeff. 2 Critre n6 : coeff. 2

Note brute maximale : 23 x 5 =115. Note finale ramene sur 20 : N = Note brute x 20 / 115

III.2.b) Notation de la roue dinertie

Critre n Coeff Note Points Commentaire Rendement nergtique

6 4 24 Les transmissions ncessaires risquent dattnuer le bon rendement de la roue en elle-mme

Rapidit de stockage/dstockage

5 3 15 La synchronisation entre la vitesse de la roue dinertie et celle du vhicule ne se fera pas instantanment

Facilit de rcupration de

lnergie

4

1

4

Ncessit dembrayage ou de transmission continment variable.

Encombrement rduit 4 2 8 Lencombrement des transmissions attnue la compacit de la roue en elle-mme

Energie maximum stockable

2 5 10 Le meilleur moyen de stockage de ce point de vue

Poids 2 1 2 A la masse dj trs importante de la roue sajoute celle de la transmission.

Note sur 20

10,95

Total

63

Une solution prsentant de gros problmes de poids et de complexit mcanique, mais ayant du potentiel sur des vhicules massifs dont la vitesse fluctue peu souvent.



20

III.2.c) Notation du ressort spirale


6 5 30 La compression ou la dtente dun ressort prsentent un rendement trs proche de 100%.


5 5 25 La dtente ou la compression rapide du ressort ne posent pas de problme a priori


lnergie

4

3

12

La dtente du ressort tend faire tourner les roues en sens inverse alors que celles-ci doivent tourner dans le mme sens au stockage comme au dstockage.. Un systme intermittent dinversion du mouvement est ncessaire.

Encombrement rduit 4 3 12 Lencombrement du ressort de torsion nest pas norme par rapport lnergie stocke (Cf. II.2.b).


2 3 6 Energie correcte, mais 4 fois infrieure celle de la roue pour un mme volume de llment de stockage.

Poids 2 4 8 La masse du ressort devrait tre faible, mais celle de la transmission est difficile quantifier ici.

Note sur 20

16,17

Total

93

Une solution sduisante sur le plan de son rendement et de sa rapidit stocker/dstocker. Des zones dombre subsistent sur la rsistance de la spirale tourner de plusieurs tours et sur le systme de restitution de lnergie vers les roues.

III.2.d) Notation du ressort de traction


6 5 30 La compression ou la dtente dun ressort prsentent un rendement trs proche de 100%.


5 5 25 La dtente ou la compression rapide du ressort ne posent pas de problme a priori


lnergie

4

2

8

La dtente est un mouvement de translation de course restreinte (quelques cm) peu adapt pour mettre en rotation une roue de faon continue.

Encombrement rduit

4

2

8

Lencombrement du ressort de traction nest pas norme par rapport lnergie stocke, mais moins bon que celui du ressort de torsion (Cf. II.2.b).


2 1 2 Energie plutt faible : 13 fois infrieure celle de la roue dinertie pour un mme volume de llment de stockage.

Poids 2 4 8 La masse du ressort devrait tre faible, mais celle de la transmission est difficile quantifier ici.

Note sur 20

14,08

Total

81

Une solution sduisante sur le plan de son rendement et de sa rapidit stocker/dstocker, mais une nergie stockable faible car la zone centrale du ressort est perdue et le recours des matriaux haute limite lastique semble ncessaire.



21

III.2.e) Notation du stockage pneumatique/hydraulique


6 4 24 La compression ou la dtente dun gaz prsentent un rendement trs proche de 100% condition dempcher le refroidissement. Les moteurs hydrauliques ont un excellent rendement (>95%).


5 5 25 La dtente ou la compression rapide de lair ne posent pas de problme a priori.


lnergie

4

4

16

La dtente de lair envoie lhuile dans le moteur hydraulique qui transforme facilement cette pression en un mouvement de rotation continue fort couple et vitesse rglable de surcrot.

Encombrement rduit

4

2

8

Lencombrement est assez important au regard de lnergie stocke. Mais le rservoir dhuile peut intgrer de nombreuses fonctions ncessaires au vhicule, ce qui attnue ce dfaut.


2 1 2 Energie faible en particulier si lair se refroidit avant de se dtendre.

Poids 2 4 8 Le poids devrait tre raisonnable car peu dlments de transmission sont ncessaires.

Note sur 20

14,43

Total

83

Une solution sduisante sur le plan de son rendement et de sa rapidit stocker/dstocker. A dfaut de pouvoir stocker beaucoup dnergie, cest celle qui offre le plus de facilits pour la dstocker.

III.2.f) Notation du stockage chimique


6 4 24 Le rendement des lectrolyses est gnralement bon ainsi que celui de la dcharge dune batterie (>90%)


5

3

15

Si la dcharge dune batterie peut tre rapide, son temps de charge est beaucoup trop long devant le temps de freinage dune automobile par exemple.

Facilit de

rcupration de lnergie

4

5

20

La dcharge dune batterie se fait rapidement et facilement en principe. La gnratrice, ayant charg la batterie dans un premier temps, se transforme ensuite en moteur lectrique courant continu. Par ailleurs ces moteurs prsentent un fort couple bas rgime, ce qui idal pour lancer un vhicule (transmission labore inutile entre le moteur et les roues du vhicule).

Encombrement rduit 4 5 20 Lencombrement des batteries est relativement faible et le mouvement de rotation fourni par un moteur lectrique ne ncessite pas de transmissions trop encombrantes.


2 5 10 La meilleure solution de ce point de vue.

Poids 2 3 6 Le poids des batteries mme rcentes demeure encore important (10 kg) et on risque dtre oblig den avoir une dizaine.

Note sur 20

16,52

Total

95

Une solution sduisante sur le plan de lnergie stockable et de sa facilit de rcupration. Toutefois, le poids reste pnalisant et les temps de recharge sont trop longs.



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III.3. Bilan

III.3.a) Classement des solutions et remarques

On obtient finalement pour des voitures courantes le classement suivant :

1. Le stockage chimique : 16,52 /20 2. Le stockage par ressort de torsion : 16,17 /20 3. Le stockage pneum/hydraulique : 14,43 4. Le stockage par ressort de traction : 14,08 /20 5. Le stockage par roue dinertie : 10,95 /20

Comme on la remarqu, ces solutions prsentent des avantages et des inconvnients trs diffrents, ce que ne traduit pas la note finale. Plutt que dopposer ces solutions entre elles, il vaut mieux sinterroger sur la possibilit de faire cohabiter au moins 2 dentre elles sur un mme vhicule. En effet, il semble trs judicieux dutiliser 2 systmes :

- lun lent mais forte capacit de stockage efficace dans les longues descentes ou les dclrations trs prolonges,

- lautre efficace dans les dclrations courtes (peu dnergie stocker, mais en peu de temps), par exemple en circulation urbaine.

Par ailleurs, certains de ces systmes peuvent fusionner en un seul : par exemple, on peut remplacer lair comprim par la compression dun ressort, voire comprimer un ressort dans un compartiment contenant aussi de lair comprim pour bnficier des nergies pneumatique et lastique dans un mme compartiment globalement cylindrique. Enfin, certains de ces systmes apportent des fonctionnalits au vhicule quil faudrait de toute faon lui fournir travers dautres dispositifs : cest le cas dune part, des batteries lectriques du stockage chimique car lnergie lectrique est indispensable dans une voiture (allumage, phares, radio, ordinateur de bord), et dautre part de lnergie hydraulique souvent trs utile (lubrification, assistance volant ou suspension). Cest ainsi que mme si un dispositif peut paratre encombrant en lui-mme, il va librer de lespace ailleurs, ce qui attnuera cet aspect ngatif. Par rapport la matrise technologique de ces solutions, le stockage chimique se dveloppe considrablement avec des progrs rguliers depuis des annes (technologies lithium-ions, lithium-mtal-polymres) ; il est lorigine du dveloppement rcent des voitures hybrides lchelle industrielle et de llectronique portative (ordinateur, tlphone, MP3). Le stockage par roue dinertie est connu depuis longtemps, mais ne sest pas dvelopp. Enfin, il semblerait que le stockage par ressort na pas dapplication en dehors des petites voitures friction pour enfants.

III.3.b) Quels systmes de rcupration pour une automobile ?

Comme on la dj vu, les roues dinertie ne sont envisageables que sur des vhicules suffisamment spacieux et trs lourds ayant une grande nergie cintique (camion ou train). Il ne semble pas raisonnable de les utiliser sur des voitures. Par ailleurs, lutilisation de 2 systmes de stockage parat judicieuse car il nexiste pas de systme grande capacit de stockage qui soit rapide pour stocker/dstocker son nergie. De plus, le stockage chimique est utile et pourrait faire passer larchitecture 42V. Cette architecture a t plbiscite une poque pour les gains nergtiques quelle offre (par diminution de leffet Joule) mais nest plus lordre du jour actuellement. Enfin, le stockage hydraulique apporte aussi des fonctionnalits nombreuses et souvent ncessaires pour le vhicule. Pour SYCOMOREEN, le systme le plus appropri pour une automobile semble donc tre compos :

- dun stockage rapide pneumatique/hydraulique pistons (le piston pouvant ventuellement tirer/comprimer un ressort de traction) ou bien dun systme ressort en spirale : les pistons pouvant tre ceux du moteur MPRBC ou POGDC avec une chambre ddie.

- dun stockage lent, accumulateurs lectriques.



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Conclusion Cette annexe a permis de dessiner les grandes lignes de ce que pourraient tre les dispositifs de stockage dnergie pour des vhicules hybrides dont lun des modes de propulsion est thermique. Toutefois, il est bien vident que cette premire approche mriterait dtre approfondie avec une tude plus rigoureuse des diffrents systmes de stockage proposs et une recherche plus aboutie des moyens de stockage envisageables. Il faut rappeler quavant tout, lobjectif de SYCOMOREEN dans le domaine des moteurs/pompes est de concevoir des machines suffisamment compactes pour que limplantation de tels dispositifs dans un vhicule ne soit plus utopique, mais au contraire, srieusement envisageable ; dune part, le contre-argument de lencombrement de ces systmes nest plus recevable compte-tenu de la grande conomie de carburant permise par la rcupration de lnergie cintique du vhicule et du gain despace d la compacit du moteur thermique, dautre part, nous avons vu quavec 20 000 cm3 (volume dune petite valise) ddis au stockage dnergie (systme ventuel de transmission non compris), on arrivait stocker une nergie capable de relancer un vhicule de 1000 kg entre 16 et 160 km/h, avec une moyenne de 35 km/h, ce qui est amplement suffisant en milieu urbain. Ltape la plus difficile, savoir la conception darchitectures ultra-compactes de moteurs thermiques, a t franchie et nen pas douter, la fabrication et la mise au point des moteurs MPRBC et POGDC ouvriront de nombreuses pistes de rflexions et de recherches capables de modifier en profondeur le fonctionnement et limage des vhicules du 3me millnaire.


droite, en haut POGDC non rotatif droite, en en bas POGDC rotatif Ci-dessous, coupe de ltage thermomcanique de la MPRBC,

Possibilités de récupération de l’énergie cinétique d’un...

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