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L'Usine Auto

L’automobile, centrale d’énergie

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Enquête Les trois quarts de l’énergie produite par un moteur automobile sont dissipés en pure perte. Plusieurs technologies émergentes permettront de les récupérer.

L’automobile, centrale d’énergie © L’imagerie thermique permet de visualiser les zones chaudes d’un véhicule.

Des moteurs qui consomment toujours moins, c’est formidable. Mais si c’est pour envoyer dans la nature la plus grande partie de l’énergie qu’ils produisent, à quoi bon ? Seulement un quart de l’énergie de combustion d’un moteur sert en effet à faire tourner les roues du véhicule. Le reste est dissipé dans les gaz d’échappement, les frottements mécaniques, le radiateur et les pertes thermiques diverses… Le constat n’est pas nouveau. Ce qui l’est plus, ce sont les technologies mises au point pour récupérer et réutiliser cette énergie perdue. Après des années de recherches chez les constructeurs et les équipementiers, celles-ci commencent à arriver à maturité. Et répondent à des objectifs très pragmatiques. "La récupération d’énergie est une option valable pour atteindre les normes futures sur les émissions de CO2 à un prix compétitif", affirme Georges de Pelsemaeker, le directeur R & D et marketing de Valeo Systèmes thermiques. 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. En effet, en récoltant cette énergie "gratuite", on peut produire de l’électricité, éviter de brûler du carburant pour alimenter le véhicule, et même contribuer à la propulsion en transformant l’énergie récoltée en énergie mécanique.

40%

C’est la part de l’énergie produite par le moteur qui est dissipée dans les gaz d’échappement.

Transfert thermique

Les gaz d’échappement, qui dispersent 40% de l’énergie du moteur, constituent le principal gisement et la priorité des recherches. L’idée la plus simple est d’extraire la chaleur des gaz pour chauffer l’habitacle ou le moteur. PSA a joué les pionniers en installant un échangeur thermique entre les gaz et un circuit de liquide sur des Citroën destinées à des pays froids. Faurecia propose ce type de système en option. Au-delà du confort, il est ainsi possible de réduire le temps de chauffe d’un moteur et d’agir sur sa consommation. Toyota en a équipé ses voitures hybrides.

Mais des progrès sont encore attendus, notamment avec l’échangeur thermique "tri cooler" développé chez Valeo, qui réchauffe aussi le circuit d’huile. Toutefois, pour une réutilisation plus souple, mieux vaut convertir la chaleur en électricité. Les 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.

Le projet européen HeatReCar, qui vient de se terminer par des essais sur un utilitaire Fiat, reprend ce principe. Les résultats "prometteurs" coïncident avec ceux sur banc d’essai moteurs, soit 500 watts électriques produits à 100 km/h. Des résultats équivalents ont été obtenus en 2012 par Ford et BMW, qui collaborent sur un projet avec l’américain Gentherm (et Faurecia). Pour tous, l’objectif est d’extraire le maximum de chaleur des gaz et de maximiser l’écart de température aux bornes des modules thermoélectriques. 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. "Il fallait en même temps limiter la contre-pression exercée sur les gaz par l’échangeur", souligne Véronique Monnet, chef de projet R & D chez Valeo dans l’usine de Laval. La qualité du transfert thermique entre l’échangeur et les modules thermoélectriques est, elle aussi, essentielle. 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. "Dans le cadre d’un Renoter 2, l’objectif est d’atteindre une production électrique de 1 kW à 100 km/h", précise Kamel Azzouz, expert thermicien au centre de R & D de Valeo Systèmes thermiques. Dans ces projets, comme dans ceux menés aux États-Unis, les modules générateurs d’électricité ont été réalisés avec le matériau thermoélectrique Bi2Te3 (tellurure de bismuth), qui a l’avantage d’être performant (au moins à basse température)… mais l’inconvénient d’être cher. Tous les projets explorent maintenant des matériaux plus industrialisables [lire l’encadré ci-dessus].

À la recherche du matériau idéal

Pour convertir la chaleur directement en électricité, les matériaux piézoélectriques 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 Bi2 Te3 est un bon candidat 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, le Bi2 Te3, utilisé au départ dans la plupart des projets, risque de poser des problèmes d’approvisionnement. "Dans le projet HeatReCar mené sur un utilitaire Fiat, un institut Fraunhofer a développé un nouveau matériau (skuttérudites) par frittage de nanopoudres, qui semble prometteur pour les hautes températures", indique Guilhem Vidiella, chef de projet chez Rom Innovation et Stratégie, chargé de la gestion technique. D’autres matériaux (Mg2 Si, MnSi) ont été retenus dans le projet Renoter (Renault, Renault Trucks), car ils sont plus industrialisables en termes de coût et de disponibilité.

Parallèlement, les industriels de l’auto examinent d’autres voies pour réutiliser la chaleur des gaz. Par exemple, un cycle thermique qui 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. Ce cycle de Rankine est courant dans les centrales thermiques. "Potentiellement, pour des véhicules longues distances, la puissance récupérée est plus élevée qu’avec des systèmes thermoélectriques. Mais la difficulté est de concevoir un système Rankine compact et léger", explique Dimitri Lortet, le responsable des projets Énergies alternatives chez Renault Trucks. Le constructeur collabore sur ce sujet avec l’Ifpen, qui dispose de moyens de simulation et de tests sur banc d’essai de moteurs. La conversion en électricité est privilégiée en raison de la progression de la mécatronique et des besoins en électricité des véhicules.

Miniaturisation des équipements

"De nombreux défis sont à relever, tels que la miniaturisation de la machine de détente de la vapeur (microturbine, piston…), la sélection du fluide de travail (une molécule de synthèse), l’optimisation de l’échangeur, complexe car biphasique (liquide/vapeur)…", explique Pierre Leduc, chef de projet à l’Ifpen. BMW semble avoir bien progressé. Il a montré, fin 2012, un prototype de son Turbosteamer beaucoup plus compact que les précédents (les études avaient démarré en 2005). L’objectif du constructeur est un système qui pèsera entre 10 et 15 kilos, commercialisable en 2015.

L’idée de convertir la chaleur des gaz en énergie mécanique n’est toutefois pas abandonnée. Pour preuve les développements menés par Valeo avec la société Heat2Power et son procédé fondé sur la compression-décompression d’air. 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", mais leur optimisation est délicate. "A priori, c’est plus simple qu’un système Rankine. On crée cependant une contre-pression qui perturbe la combustion et qui oblige à adapter les moteurs", précise Pierre Leduc.

Pas de solutions miracles, donc, pour récupérer les 40% d’énergie dissipée dans l’échappement. 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. 

les autres gisements

 

Le freinage

Un plein d’énergie en ralentissant

Au freinage, plutôt que de dissiper l’énergie en chaleur, mieux vaut la stocker pour la réutiliser au bon moment (redémarrage, accélération). C’est possible sur des batteries, mais aussi en stockant l’énergie sous forme cinétique, en faisant tourner un volant d’inertie à plusieurs dizaines de milliers de tours par minute, qui la restituera via une transmission mécanique. Utilisé en compétition (F1, 24 heures du Mans), ce système pourrait être intégré en série par des constructeurs (Volvo).

Le radiateur

La chaleur convertie en électricité

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.

Les pneus

Les chocs alimentent les capteurs

Les chocs et vibrations subis par le véhicule peuvent engendrer de l’électricité grâce à des systèmes piézoélectriques. 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. Assez, par exemple, pour alimenter un capteur qui surveille la pression des pneus.

La route

Le passage des véhicules éclaire 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 pour alimenter l’éclairage de la route, des bornes d’appel… Des expériences ont eu lieu en Israël sur des autoroutes. Un projet de recherche préliminaire a été lancé en Californie, avec un financement de la California energy commission.

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