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Que peut-on attendre des véhicules hybrides ?

Grégory Launay - 28 mars 2010 - Dernière mise à jour : 05 septembre 2010

 

Parmi les solutions largement évoquées pour l’avenir figure la technologie hybride, rendue célèbre par un certain modèle japonais …

Au sens strict du terme on qualifie d’hybrides des véhicules qui possèdent au moins deux systèmes de stockage d’énergie pouvant être utilisés pour la traction. Dans la réalité ce mot est utilisé quasi-exclusivement pour désigner des véhicules qui embarquent un système de traction thermique et un système de traction électrique (batterie haute tension et machine électrique).


Pourquoi en parle-t-on ?

C’est de fait la seule technologie alternative « visible » dans la rue. Les ventes des véhicules hybrides progressent rapidement et sont aujourd’hui proche du million de véhicules par an (740.000 véhicules vendus en 2009, probablement 1 million en 2010). Il est donc normal que l’on en croise régulièrement sur nos routes.


Evolution des ventes mondiales du principal constructeur de véhicules hybrides - Source : communiqué de presse Toyota, aout 2010

Ceci étant dit il faut tout de même relativiser, un million de véhicules est un chiffre largement suffisant pour faire du business (et donc de la publicité) mais cela représente moins de 2% des ventes mondiales. L’impact écologique n’est donc pour l’instant pas tout à fait à la hauteur de l’impact médiatique !

Il est tout de même incontestable que la part de marché de cette technologie progresse de manière très sûre depuis plus de 10 ans, prioritairement aux Etats-Unis et au Japon.


Evolution de la part de marché des véhicules hybrides au Etats-Unis - Source : Green Car Congress, janvier 2010

En France, malgré des ventes en augmentations permanentes, la technologie hybride pèse moins de 0,5 % des ventes.

Part de marché des différents types de motorisation sur le marché Français en 2009 - Source : ADEME, mai 2010


La technologie hybride, ça sert à quoi ?

Commençons par éclaircir un point important. Même si un véhicule hybride possède un moteur électrique et une batterie, il tire son énergie du pétrole exclusivement.

Un véhicule hybride n’est jamais branché à un réseau électrique pour « faire le plein » d’électricité. Le moteur électrique ne tire son énergie que de l’essence contenue dans le réservoir et convertie en électricité aux moments opportuns.

Un système hybride désigne donc uniquement un système qui permet, par l’usage d’un système de stockage secondaire (une batterie haute tension), d’améliorer le rendement global d’utilisation du pétrole.

Si le véhicule peut être branché sur un réseau électrique on parlera d’hybride rechargeable ou de plug-in hybrid et même de PHEV (plug-in hybrid electric vehicle en anglais) pour briller dans les dîners mondains !

Ce système est bien mal nommé (et crée la confusion avec les hybrides tout court) car il désigne un véhicule qui est soit électrique, soit thermique. C’est un véhicule qui utilise deux sources d’énergies distinctes, il n’y a pas ici de notion d’optimisation de rendement (enfin si mais elle est très secondaire). Cette différence est très importante car ici le vocabulaire est trompeur !!

Pour résumer un véhicule hybride est un véhicule à essence qui a un rendement amélioré alors qu’un véhicule hybride rechargeable est avant tout un véhicule électrique (que l’on branche au réseau) qui peut aussi fonctionner avec de l’essence.

En définitive donc, à quoi sert la technologie hybride ? A améliorer le rendement de l’utilisation de l’essence. C’est tout mais c’est déjà pas mal !


La technologie hybride, comment ça marche ?

L’idée de base part du constat que les moteurs thermiques et électriques offrent des qualités techniques très complémentaires.

Le moteur thermique a pour lui l’atout absolu de fonctionner au pétrole (gage d’une énergie embarquée colossale dans le véhicule) ce qui permet d’offrir une autonomie très importante (proche des 1000 km aujourd’hui pour de nombreux véhicules).

Il a en revanche de nombreux défauts. Tout d’abord il ne peut pas fournir de couple à vitesse nulle (c'est-à-dire quand le moteur est calé !), et doit donc être laissé tournant même lorsque le véhicule est arrêté. Ensuite il n’est pas réversible, il ne sait pas refaire du pétrole si on le fait tourner par un autre moyen.

Enfin, comme tous les systèmes de transformation thermodynamique, son rendement est relativement mauvais, 45% tout au plus. Une telle valeur correspond en plus à des utilisations à fortes puissances qui sont en fait assez rare. La plupart des utilisations réelles (en ville et sur routes nationales) font fonctionner le moteur dans des zones ou le rendement est plutôt de l’ordre de 20 à 25%.

Face à cela le moteur électrique présente bien des atouts. Tout d’abord c’est un système réversible, capable de générer de l’électricité quand on le fait tourner !! C’est d’ailleurs pour cela que l’on parle rigoureusement de « machine » électrique et non simplement de « moteur ».

Ensuite, une machine électrique est capable de s’arrêter complètement (de caler en quelque sorte) et de repartir toute seule. Dit autrement elle est capable de fournir du coupe à vitesse nulle.

Enfin elle possède de bien meilleurs rendements qu’un moteur thermique (70 à 80% en moyenne avec des valeurs maximales pouvant atteindre les 95%).


Comparaison des caractéristiques des moteurs thermiques et des machines électriques

Ce graphique illustre ces complémentarités en montrant les champs de fonctionnement d’un moteur thermique (à gauche) et d’une machine électrique (à droite). L’axe des abscisses x représente la vitesse de rotation (en tours par minutes) et celui des ordonnées y le couple (qui représente la force délivrée par le moteur lorsqu’il fait un tour, en Newton mètre).

On y voit que le moteur thermique a un couple qui s’effondre pour les faibles vitesses de rotation et que ses rendements maximum (exprimés ici en Consommation Spécifique Effective) sont atteints pour des forts couples … c'est-à-dire lorsque l’on est pied au plancher ! La machine électrique présente de biens meilleurs rendements et offre un couple important dès les plus basses vitesses.

Au final donc, l’ajout d’une machine électrique en supplément d’un moteur thermique permet d’offrir des nouvelles fonctions, à savoir :

  • arrêter le moteur thermique à vitesse nulle (fonction stop / start), la puissance du moteur électrique permettant de redémarrer rapidement

  • récupérer une grande quantité de l’énergie cinétique du véhicule lors du freinage (qui est sinon dissipée en chaleur dans les freins)

  • optimiser la répartition de puissance fournie par chacun des moteurs pour optimiser le rendement global du véhicule

  • rouler en mode « tout électrique » en centre ville pour diminuer les nuisances sonores et les pollutions locales (oxydes d’azote, monoxyde de carbone, etc.)

Si les fonctions stop / start et récupération d’énergie au freinage se comprennent assez bien, arrêtons nous un instant sur la répartition de puissance qui est un peu plus complexe.

Comme nous l’avons vu l’une des caractéristiques des moteurs thermiques est de posséder de meilleurs rendements à forte puissance … alors que la plupart du temps la puissance qu’on lui demande est plutôt faible.

Optimiser la répartition de puissance entre les moteurs thermique et électriques consiste donc à faire fonctionner le moteur thermique sur des points de puissance supérieurs à ce qui est nécessaire puis à stocker l’énergie supplémentaire dans la batterie. Lorsque la batterie est pleine, il suffit alors de couper le moteur thermique et de rouler uniquement à l’électricité. Cette astuce permet de grandement améliorer le rendement d’utilisation moyen du moteur thermique.

Le graphique suivant résume l’ensemble de fonctionnalités rendues possibles par l’hybridation :


Modes de fonctionnement « full hybride » - Source : INRETS, 2007

Le moteur thermique se restreint à ce qu’il sait faire le mieux : fournir de fortes puissances à haute vitesse (sur autoroute) ou lorsque une forte accélération est demandée. Les autres types d’usage (roulage en ville, décélération) sont laissés au soin du moteur électrique.

La technologie hybride consiste donc bien à optimiser le rendement global d’utilisation du carburant !  Dans tous les cas l’électricité n’est qu’un vecteur pour utiliser l’énergie contenue dans le pétrole, elle provient soit :

  • de la récupération de l’énergie cinétique acquise lors de l’accélération par le véhicule (grâce au pétrole) lors d’un freinage
  • de l’énergie supplémentaire délivrée par le moteur thermique pour en augmenter le rendement

Il existe ensuite différentes technologies pour réaliser l’hybridation. On parle principalement d’hybride parallèle, d’hybride série et d’hybride à dérivation de puissance. Il s’agit de différentes manières de réaliser le couplage entre le moteur thermique et la machine électrique.

On distingue également différents niveaux d’hybridations qui dépendent de la puissance électrique embarquée et conditionnent donc la performance de réduction de consommation réalisable. On parle ainsi de micro hybride (fonction stop / start uniquement), de mild-hybride (stop / start et optimisation de la répartition de puissance) et de full-hybride (fonctionnement en électrique pur).


Donc finalement que peut-on en attendre ?

Redisons-le, la technologie hybride sert à améliorer le rendement global du véhicule et donc au final à réduire les consommations d’essence et les émissions de CO2. Mais de combien me direz-vous ?

Les deux véhicules hybrides japonais les plus « populaires » (la Honda Insight et la Toyota Prius pour ne pas les citer) affichent ainsi des émissions de CO2 en grammes par kilomètre de respectivement 101 et 89 grammes (ce qui équivaut à 4,4 et 3,9 litres aux 100 km).

Dans le segment des familiales compactes où ces voitures se situent, la performance moyenne est plutôt aujourd’hui entre 130 et 140 grammes. Rappelons aussi que la performance moyenne des véhicules vendus en Europe de l’ouest (les 15 plus gros marchés) en 2009 est de 153 grammes.

Ces premiers chiffres ne reflètent pas uniquement la performance de la technologie hybride. Les véhicules actuellement disponibles étant un peu des vitrines technologiques pour les constructeurs, un soin particulier est apporté à d’autres caractéristiques qui impactent la consommation comme les frottements aérodynamiques (c’est pour ça qu’elles ont un design …. particulier !).

Pour évaluer le potentiel réel de cette technologie une comparaison « toutes choses égales par ailleurs » est donc nécessaire. C’est ce qu’a fait l’université de Californie dans une étude publiée en 2005 en comparant les émissions de gaz à effet de serre sur l’ensemble de la vie du même véhicule dans des versions hybride et non hybride.


Emissions de gaz à effet de serre pour des Civic Hybrid et LX en analyse de cycle de vie - Source : Université de Californie, Réduire les émissions de gaz à effet de serre avec les véhicules hybrides-électriques, mai 2005

Ce graphique compare ainsi les émissions de CO2 du véhicule hybride avec celles du véhicule classique. La distance parcourue par le véhicule durant toute sa vie est prise à 150.000 miles (soit 241.000 km).

Pour ce qui est de la consommation d’essence en roulage (le « Product Use »), l’étude donne 42 tonnes de CO2 pour la version thermique contre 30 pour l’hybride (soit respectivement 175 et 125 grammes de CO2 par km) soit un gain de 28%.

Sur l’ensemble du cycle de vie les résultats sont un peu moins bons à cause des émissions de CO2 liées à la fabrication de la voiture hybride (batterie, machine électrique). Le gain reste tout de même très conséquent. L’étude donne 62,5 tonnes de CO2 pour la version thermique contre 42 pour l’hybride (soit respectivement 259 et 195 grammes de CO2 par km) soit un gain de 25%.

Entre 20 et 30% de gain, voilà un ordre de grandeur pertinent pour les systèmes les plus aboutis. Pour les hybridations les plus légères (micro et mild) les gains sont moins importants.


Gain en consommation et surcout de fabrication apportés pour différents niveaux d’hybridation – Source : INRETS, 2007

Ce graphique de l’INRETS dit à peu près la même chose. Il montre le pourcentage de gain en émissions de CO2 (en ordonnées) ainsi que le coût de la technologie (en abscisse) pour différents niveaux d’hybridation.


Quelles sont les limitations ?

La première limitation est liée aux progrès des moteurs thermiques eux-mêmes. Les gains apportés par l’optimisation du point de fonctionnement n’ont de sens que si les moteurs thermiques offrent des différences de rendement importantes d’un point de fonctionnement à un autre. Or plus un moteur est moderne, moins cela est vrai ! Il est donc beaucoup plus pertinent d’hybrider un moteur à essence américain ou japonais que de le faire sur un moteur diesel allemand ou français !

De même, le sur-poids engendré par l’hybridation (la batterie et la ou les machines électriques) est d’autant plus pénalisant que le véhicule est léger. Les gains sont donc d’autant plus faciles à obtenir que le véhicule est lourd !

S’il est donc assez facile de réduire de 30% la consommation d’un pick-up américain, c’est beaucoup plus difficile de faire sur une petite citadine européenne.

Une autre limitation vient du type d’usage. Une grande partie des gains sont réalisés sur des fonctionnements transitoires (accélération et décélération). La technologie est donc bien adaptée aux usages urbains. En revanche pour un poids lourd qui passe la grande majorité de sont temps calé à 90 km/h l’hybridation n’a que très peu d’intérêts. Les gains possibles ne sont pas homogènes sur l’ensemble du parc de véhicules.

Plus globalement, au-delà de ces limitations il est important de rappeler que l’hybridation reste une solution « technologique » qui consiste à améliorer le rendement global en commençant par augmenter le besoin énergétique primaire du véhicule (en le rendant plus lourd).

Cette approche est dans la continuité de ce qui a été fait jusqu’à maintenant pour réduire la consommation des voitures (tout en les rendant de plus en plus lourde) et se différencie d’une approche qui viserait à réduire le besoin en énergie primaire du véhicule.


Les deux approches pour réduire la consommation des véhicules


Que peut-on en conclure ?

Cette technologie peut clairement aider à faire baisser les consommations du parc automobile dans les années à venir surtout sur les marchés ou les moteurs à essence dominent (Etats-Unis, Japon et Chine).

Pour autant il faut bien admettre que l’apport est très faible au regard des enjeux réels de réduction de consommation d’ici à 2050.