Les chaînes d’énergie des voitures

– Le réservoir d’énergie de début de chaîne cède de l’énergie. Exemple : une pile…
De l’énergie est échangée entre les différents éléments de la chaîne.
– Le convertisseur reçoit l’énergie sous une forme, et la cède sous une autre. Lorsqu’il fonctionne, il reçoit
autant d’énergie qu’il en cède. Exemple : une lampe, un moteur électrique…
De l’énergie est échangée entre les différents éléments de la chaîne.
– Le réservoir d’énergie de fin de chaîne reçoit de l’énergie. Exemple : l’environnement…

Exemple d’une chaîne d’énergie d’une lampe de poche :

A) Construire les chaînes d’énergie d’une voiture thermique, d’une voiture électrique et d’une voiture hybride.
B) Quels sont les 2 objectifs des constructeurs ?
C) Proposer des solutions en précisant sur quelle partie de la chaîne d’énergie on intervient.

A l’heure actuelle

Où en sommes-nous ?
Activité documentaire :
« De nos jours tous les véhicules (ou presque) utilisent comme source d’énergie principale des carburants
d’hydrocarbures (essence ou gasoil). Ces carburants sont pour l’instant les seuls à pouvoir être stockés facilement avec une densité énergétique volumique élevée (10 kWh/litre). À titre indicatif, les meilleures batteries qui peuvent équiper les véhicules électriques disposent seulement d’une densité énergétique volumique voisine de 200 Wh/litre (Li-Ion, Li-Polymer…). En outre, les batteries ont un temps de recharge très long. On comprend fort aisément la préférence des constructeurs pour le véhicule thermique au début du vingtième siècle. Pour propulser le véhicule, une combustion entre carburant et comburant est réalisée dans le moteur thermique. L’énergie calorifique produite par la combustion du mélange gazeux carburé est transformée en une énergie mécanique. Un moteur parfait ne dégagerait que de l’eau (H2O) et du dioxyde de carbone (CO2). Mais actuellement la combustion d’hydrocarbures dans les moteurs à combustion est telle qu’elle engendre des émissions de polluants. Polluants – Les polluants sont classés en deux parties, la pollution dite locale (ou régionale) et la pollution de fond (transfrontalière ou globale). Nous les appellerons polluants primaires et secondaires. Les polluants primaires ont leurs effets qui sont ressentis à proximité des agglomérations. Ils dépendent des conditions géographiques du site (vallée, altitude…) ainsi que des conditions atmosphériques (ensoleillement, vent, pluie…). À l’heure actuelle la réglementation des émissions automobiles ne concerne que quatre polluants :
→ Les composés organiques volatiles (COV) parmi lesquels on distingue les hydrocarbures imbrûlés
(HC) qui sont issus de l’évaporation de carburant et d’une combustion incomplète ;
→ Les oxydes d’azote (NOx) qui contribuent aux « pluies acides » responsables de la destruction des forêts
et de la corrosion des monuments et édifices dans les pays fortement industrialisés
→ Le monoxyde de carbone (CO), véritable poison pour chaque être vivant qui le respire, bloquant
l’hémoglobine ;
→ Les particules Diesel qui émettent surtout des particules de taille inférieure à 10 μm, dont les effets sur la
santé reste de nos jours encore méconnus.
Les polluants secondaires ont des effets qui peuvent couvrir plusieurs pays ou même toute la planète.
Dans le domaine de l’automobile, ces polluants peuvent se réduire à un seul polluant : l’ozone troposphérique (O3) qui résulte d’une transformation complexe entre COV et NOx sous l’effet des ultraviolets (UV). Il est aussi à l’origine des « smogs » photochimiques, brouillard oxydant dans les régions de fort ensoleillement qui peut s’étendre sur des centaines de kilomètres. Ce gaz incolore présente des effets similaires à ceux du dioxyde d’azote (NO2 – NOx) mais à des taux beaucoup plus faibles.
Le gaz à « effet de serre » – Le dioxyde de carbone encore appelé gaz carbonique (CO2) est présent de manière naturelle dans l’atmosphère à hauteur de 0,03 %. Ce gaz incolore faiblement acidulé non inflammable n’apparaît pas dans la liste non exhaustive des polluants. En effet, le qualifier de polluant ne lui convient pas car il n’est nullement toxique pour l’organisme et la végétation. Il est également appelé gaz à « effet de serre » car il contribue principalement au réchauffement de la surface de la planète par « effet de serre ». Les gaz à « effet de serre » laissent passer 48 % du rayonnement solaire réchauffant ainsi océans et continents. Par ailleurs, ils absorbent à 80 % le rayonnement infrarouge réémis par la surface terrestre. Sans eux la température moyenne à la surface de la Terre serait de −18°C au lieu des +15°C actuellement. Le CO2 émit naturellement par les océans, sols, végétations ou autres, est stocké par les océans sous forme de carbonates et transformé par les plantes par photosynthèse mais en quantité insuffisante.
Selon le ministère de l’environnement français, en 1880 on comptait 280 ppm1 de CO2 contre
345 ppm de nos jours avec une tendance actuelle à s’accroître de 1,5 ppm par année. Les hypothèses
envisagées par les climatologues pour le siècle prochain prévoient un doublement du dioxyde de carbone qui induirait un réchauffement de la planète de 2 à 3°C. La fonte des glaces pourrait engendrer une augmentation du niveau de la mer causant des inondations dans les régions côtières. Les accidents météorologiques tels que la modification des régimes de vent et de pluie s’intensifieraient.
D’après une étude de l’Energy Information Administration, le secteur transport participerait à un taux de proportion de 30 % en ce qui concerne les émissions de dioxyde de carbone. La tendance des émissions du dioxyde de carbone est à la hausse. Le secteur transport y contribue fortement. L’accroissement de la population prévu entre 1990 et 2025 et le développement des pays asiatiques risque d’amplifier le phénomène. Il faut donc trouver un moyen pour faire face à ce problème. Le CO2 étant directement lié à la consommation de carburant des véhicules, il suffit de la réduire pour diminuer le taux du dioxyde de carbone2.
Que faire ? – Depuis 1970 les constructeurs ont fait des efforts considérables afin de diminuer la pollution émise par les transports routiers. Ainsi, en Europe, plus d’une quinzaine de directives établissant des normes de plus en plus strictes sur la qualité des carburants, sur la mesure de la consommation et des émissions ont été instaurées. Un véhicule automobile fabriqué en 2001 produit trois fois moins de polluants qu’un véhicule de même catégorie, fabriqué en 1993.
Ces améliorations passent avant tout par un net progrès du contrôle moteur (amélioration du rendement énergétique) et du « post-traitement » (exemple du pot catalytique). Les techniques sont diverses et variées, et dépendent du type de moteur employé. On peut citer à titre d’exemple l’un des progrès fort de ces dernières années : le moteur diesel à injection directe appelé plus communément dans le jargon automobile « common rail ». Ce véhicule apparu au grand public en 1997 pour la commercialisation de l’Alfa Roméo 156 JTD, utilise un système d’injection entièrement piloté par calculateur. Celui-ci permet d’envoyer le carburant (gasoil) directement dans les cylindres sans passer par une préchambre à combustion (comme pour les moteurs à injection indirecte). Ce type de moteur permet de réduire la consommation (grâce à l’injection directe), la pollution (haute pression) et le bruit caractéristique des moteurs diesels des anciennes générations (injection électronique).
Ces progrès considérables ont permis une réduction significative des polluants, mais qu’en est-il du dioxyde de carbone, principal gaz à « effet de serre » ? Certes les constructeurs ont amélioré sans aucun doute leurs moteurs, mais en contre partie sécurité et confort (airbags, vitres électriques, climatisation…) augmentent d’années en années. La puissance demandée au groupe motopropulseur est donc de plus en plus importante. De ce fait, comme le rendement du moteur thermique s’améliore mais qu’on lui en demande de plus en plus, la consommation de carburant d’un véhicule et donc le rejet d’émission de CO2 ne peut diminuer que faiblement.
Afin de pouvoir diminuer significativement la consommation (et par la même occasion le CO2) des véhicules classiques, plusieurs possibilités peuvent être envisageables :
→ utilisation de nouveaux carburants : carburants alternatifs comme le GPL (Gaz de Pétrole Liquéfiés), le
GNV (Gaz Naturel de Ville), les biocarburants (exemple de l’éthanol)… ;
→ amélioration de l’aérodynamisme, la réduction du poids par l’utilisation d’alliages légers (aluminium à la
place de l’acier), le remplacement des systèmes de transmission classique par des systèmes optimisés
comme la CVT (Continuous Variable Transmission), ou encore par l’amélioration des huiles moteurs
permettant d’avoir moins de frottements… ;
→ progression des moteurs thermiques existant en passant par la technologie par injection directe ou par le
downsizing3.
Ces progrès sont certes probants mais cela ne suffira pas. En effet, si constructeurs et gouvernements s’entendent aussi bien sur le fait qu’il faille réduire au minimum la consommation des véhicules quels qu’ils soient, à partir d’aujourd’hui, c’est en partie pour combattre la pollution mais aussi pour trouver un moyen de contourner la pénurie annoncée de pétrole. Une étude montre que si le taux de découverte de ressources fossiles devait continuer à son niveau actuel et que si la consommation devait augmenter selon les tendances actuelles, alors les ressources de pétrole seraient épuisées en 2038 (Figure 1).
La Figure 2 représente à titre indicatif l’évolution entre 1980 et 2004 de la consommation régionale journalière de pétrole dans le monde. On peut voir clairement l’émergence forte des pays en voie de développement comme l’Asie et l’Océanie. Avec un peu moins de 83 millions de barils4 (soit environ
13 milliards de litres) consommés par jour en 2004, on comprend pourquoi les pouvoirs publics s’alertent.
Une des solutions pour faire face aux problèmes évoqués serait de pouvoir créer des véhicules non polluants comme les véhicules électriques. Malheureusement ces derniers ont généralement une autonomie très faible pour une recharge du stockeur d’énergie (batterie) très longue. Les constructeurs préfèrent donc se diriger vers une technologie intermédiaire, le véhicule électrique hybride. En combinant moteurs thermiques et électriques on peut allier leurs avantages. D’une part les parcours de longues distances sont envisageables (mode thermique), et d’autre part consommation et pollutions pourront être diminuées (mode électrique ou mixte). Remarquons le fait que de nombreuses recherches sur les véhicules hybrides combinant pile à combustible et machine électrique sont également effectuées. Notons toutefois que la solution idéale reste de réduire les déplacements et d’utiliser (plus) les transports en commun. Le développement de véhicules alternatifs n’est donc qu’un palliatif, qui est cependant nécessaire pour la progression à effectuer. »
1 Les « parties par million » (ppm) sont une unité de mesure des polluants présents dans l’air, les sols, l’eau ou les tissus des organismes vivants. Un ppm équivaut par exemple à un cube de glace (5 grammes) dans 5 tonnes de glace. Bon nombre des vitamines dont nous avons besoin peuvent jouer efficacement leur rôle dans notre corps à des concentrations de l’ordre du ppm. Les polluants peuvent être toxiques à ces mêmes faibles concentrations.
Source : La Voie Verte – Région de l’Ontario, http://www.on.ec.gc.ca (consulté en mai 2007)
2 Le rejet d’émission de dioxyde de carbone est quasi-proportionnel à la consommation de carburant à hauteur de
2,5 kg de CO2 pour 1 litre de carburant consommé.
3 Le downsizing est la réduction de cylindrée avec maintien des performances, en particulier du couple à bas et haut régime, avec une utilisation systématique de la turbo suralimentation, qui pourraient conduire à des réductions de la consommation de l’ordre de 5 à 10 %.
4 Baril est la signification de l’américain « barrel », qui signifie barrique. A l’époque des premiers forages (au milieu du XIXème siècle), il faisait 40 gallons, ce qui représente un peu plus de 150 litres, auxquels étaient ajoutés
5 % pour compenser le phénomène d’évaporation. Soit un total précis de 158,984 litres ou de 0,14 tonne dans le système métrique. Source : Auto Plus, n° 890, 27 septembre 2005.

2) 1) 1) La règlementation en vigueur sur les émissions automobiles concerne quatre polluants. Lesquels ?
2) 1) 2) Quelles sont les solutions proposées pour diminuer ces émissions automobiles ?
2) 1) 3) Quels niveaux de la chaîne d’énergie cela concerne-t-il ?