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Sait-on faire la voiture à 1 litre au 100 ?

Grégory Launay - Dernière mise à jour : 13 juin 2010


Pourquoi cette question ?

La contrainte sur les émissions de CO2 est aujourd’hui largement discutée dans les médias. La traduction en objectifs chiffrés pour les constructeurs automobiles est une réalité tangible.

Cette prise en compte ne doit pas faire oublier pour autant le problème de la disponibilité de la ressource (le pétrole !). Limiter les émissions de CO2 c’est bien, mais cela ne suffit probablement pas à garantir que tout à chacun puisse continuer à rouler dans un avenir proche ou le pétrole risque de se faire de plus en plus rare … et donc de plus en plus cher.

L’épisode que nous venons de connaitre, ou une forte envolée du prix du baril (jusqu’à 147 $ le 11 juillet 2008) fut suivi d’une récession économique, a montré une évolution assez radicale du choix des acheteurs. Les petits modèles pas chers et économes en carburant sont devenus subitement beaucoup plus tendance. Quand on n'a plus les moyens on fait l’impasse sur le superflu !!

Il y a donc de bonnes raisons de penser que les véhicules très peu voraces en pétrole et économiquement très accessibles (pas chers, donc forcément simples techniquement) ont de l’avenir. Ils pourraient êtres fortement plébiscités par les acheteurs si l’épisode que nous venons de connaitre se reproduit avec plus de violence, mais aussi être suggérés par le législateur qui pourrait par exemple réglementer la masse, la puissance ou la consommation énergétique brute des véhicules.


Deux approches pour réduire la consommation

La consommation d’un véhicule dépend de l’énergie brute dont il a besoin pour se déplacer (on parle d’énergie à la roue) et de son rendement global. Pour abaisser cette consommation on peut donc soit diminuer les pertes (c'est-à-dire augmenter le rendement, en adoptant une motorisation hybride par exemple) soit réduire l’énergie brute nécessaire (en faisant une voiture plus légère par exemple). C’est ce que résume ce graphique.


Deux approches pour diminuer les émissions de CO2 des véhicules

L’axe horizontal mesure les émissions de CO2 (autrement dit la consommation) et l’axe vertical l’énergie brute demandée par le véhicule. Les droites de couleurs représentent les « iso-rendements ».

Ainsi pour un rendement global du véhicule donné (ce qui correspond en gros à une technologie de motorisation donnée : essence, diesel, hybride, etc.) on a une correspondance directe entre les besoins énergétiques du véhicule et les émissions de CO2 en suivant l’une des iso-rendements. Une réduction du besoin énergétique brut est symbolisée par la flèche bleue.

La flèche rouge représente le chemin qui a plutôt été suivi jusqu’à aujourd’hui. L’amélioration permanente des motorisations a permi des gains de rendements importants mais ces technologies ont souvent nécessité d’augmenter la consommation énergétique brut. La technologie hybride par exemple, permet d’améliorer le rendement global, mais nécessite d’alourdir le véhicule en embarquant une batterie, une ou plusieurs machines électriques, etc. Ces évolutions technologiques n’ont pas non plus été gratuites et contribuent aux prix actuels des voitures.

A l’inverse de cette course aux développements technologiques, une approche de frugalité pourrait avoir beaucoup de sens à l’avenir. Mais que permet-elle au juste ?


Qu’est ce qui consomme de l’énergie ?

Un véhicule consomme de l’énergie pour deux raisons : vaincre les frottements et faire varier sa vitesse. Depuis que qu’Isaac Newton a formalisé le principe fondamental de la dynamique, nous savons que pour un véhicule à vitesse constante (par exemple 130 km/h sur autoroute), l’énergie consommée dépend uniquement des frottements. Ils sont de deux types : les frottements mécaniques et les frottements aérodynamiques.

Les frottements mécaniques englobent les frottements des pneus sur le sol et le frottement des pièces mécaniques entre elles. Ils évoluent linéairement avec la vitesse (relation du type du type y = a + b.x). Les frottements aérodynamiques ne sont autres que les frottements qu’ont les molécules d’air avec le véhicule lorsqu’il avance. Ils évoluent avec le carré de la vitesse (relation du type du type y = a.x2).

Puissance nécessaire pour vaincre les forces de frottement mécanique et aérodynamique, en ordre de grandeur

Ce graphique montre, en ordre de grandeur, l’évolution de la puissance nécessaire pour vaincre ces frottements en fonction de la vitesse du véhicule. On constate que pour les basses vitesses (en ville) ce sont les pertes mécaniques qui ont le plus d’impact alors qu’à vitesse plus élevée (usage routier et autoroutier) les pertes aérodynamiques prennent le dessus.

Un premier travail consiste donc à limiter ces pertes. Pour cela il est nécessaire de faire des voitures plutôt petites, plutôt basses, ni trop large ni trop haute, des pneus minces … à peu prés l’inverse de ce que l’on fait aujourd’hui donc. Cela demande probablement de renoncer un peu au look, à un peu d’espace et de confort, et surtout a une certaine vitesse de déplacement.

Au delà des frottements c’est la variation de vitesse qui nécessite de l’énergie, autrement dit les accélérations. Accélérer un véhicule revient à faire acquérir une énergie à une masse. L’énergie nécessaire est directement proportionnelle à la masse (Ec = ½ m * v 2).

Au final donc, la demande énergétique « à la roue » d’un véhicule dépend au premier ordre de quelques paramètres : la masse, les frottements secs, les frottements aérodynamiques. Sur un cycle d’homologation de l’Union Européenne (appelé cycle NEDC), on peut approximer la consommation du véhicule avec la formule suivante :

Approximation de la consommation énergétique à la roue d’un véhicule sur le cycle d’homologation européen - Source : Lino Guzzella, ETH Zurich

E représente l’énergie à la roue (comptée en kilojoules) nécessaire pour faire 100 km. S est la surface frontale projetée du véhicule (en m2), Cx et Cr sont les coefficients de frottement aérodynamique et sec (sans unités) ; m est la masse du véhicule. Parmi ces facteurs la masse tient clairement le premier rôle.


Sensibilité de chacun des facteurs sur la consommation du véhicule - Source : Lino Guzzella, ETH Zurich

Ce graphique montre la sensibilité de la consommation à une variation de 1% de la masse, des frottements aérodynamiques et des frottements des pneus. La réduction de la masse donne des gains deux fois plus importants que les deux autres facteurs. Cette observation « théorique » se confirme à merveille dans la pratique.


Consommation de véhicules commercialisés en litre par kilomètre en fonction de la masse – Source : Hiroshi Komiyama (Roadmap for a Sustainable Earth), 2008

La corrélation entre consommation et masse des véhicules est assez flagrante. Finalement cela tombe bien car réduire la masse c’est aussi souvent réduire de cout. Mais ici encore c’est aussi souvent une réduction de confort, de vitesse, de place à bord ... bref un coup de frein donné à tout ce à quoi nous nous sommes habitués.


Jusqu’où peut on aller ?

Pour estimer les gains réalisables calculons les consommations d’un véhicule en fonction de sa masse et de son rendement moyen. Pour cela il suffit de reprendre notre équation précédente, d’y introduire le rendement moyen d’utilisation du carburant et de fixer les paramètres S, Cx et Cr.


Consommation d’une voiture sur cycle normalisé en fonction de son poids et de son rendement – Calcul de l’auteur selon L.Guzzela, S.Cx = 0,4 m2, Cr = 0.01


En guise de résultat ce graphique montre donc en fonction de la masse (l’axe vertical) et du rendement (l’axe horizontal), trois courbes sur lesquelles la consommation est constante (ce sont des iso-consommations).

Pour concevoir une voiture qui consomme moins de 3 litres au 100 km, il faut donc se trouver sous la courbe bleue (c'est-à-dire vers la gauche de cette courbe). Le jeu est le même pour les courbes rouge et vertes. J’ai également fait figurer sur ce graphique la voiture « moyenne » vendu en France en 2009 et les deux véhicules hybrides les plus vendus. Cela donne de bons points de repère.

En synthèse que nous dit ce graphique ? Et bien avant tout que la voiture à 1 litre au 100 km n’est pas pour demain. En imaginant que nous sachions faire une voiture de 300 kg (pourrait-on encore utiliser le nom de voiture ?), le rendement moyen devrait dépasser les 40% soit le double de ce qui se fait aujourd’hui …

Le constat est le même pour l’objectif souhaitable pour 2050 qui est d’1,6 litre au 100 km. En imaginant un véhicule pesant 500 kg (plus léger qu’une 2 cv !), un tel niveau de consommation demanderait d’avoir une motorisation ayant un rendement moyen de 35% … ce qui reste largement au delà de ce que l’on imagine pourvoir faire. Même en voulant faire simple et sobre, difficile d’atteindre les bons ordres de grandeur ...