Voitures hybrides : une évolution en marche
[Tribune] Christian Ngô
Un véhicule hybride possède au moins deux systèmes de propulsion. Le plus simple est le vélo à assistance électrique. Pour celui-ci, il y a 2 sources d’énergie. La première est la force musculaire du cycliste, la seconde est une batterie rechargée à l’avance qui alimente un petit moteur électrique. La batterie se recharge aussi dans les descentes, au freinage ou lors de ralentissements.
On voit maintenant de plus en plus de voitures hybrides sur nos routes. Toyota a ainsi vendu plus d’un million de véhicules de ce type : la Prius. D’autres constructeurs automobiles se sont aussi lancés dans ce créneau prometteur. Une voiture hybride possède le moteur à combustion interne habituel et un moteur électrique associé à une batterie. Les modèles que l’on trouve actuellement sur le marché ne sont pas rechargeables sur le secteur. La batterie se recharge lors de ralentissements ou à l’aide du moteur thermique qui est utilisé dans les conditions où son rendement mécanique est le meilleur. Le moteur thermique fonctionne avec un carburant (essence, gasoil, biocarburant…). Le moteur électrique utilise les électrons de la batterie.
Il existe deux familles principales de véhicules hybrides. L’hybride série où le moteur électrique fournit l’énergie aux roues et propulse la voiture. Il est alimenté par une batterie qui se recharge lors des ralentissements et par le moteur thermique tournant au bon régime. L’hybride parallèle où le moteur thermique et le moteur électrique peuvent propulser séparément la voiture. La Toyota Prius est à la fois série et parallèle puisque le véhicule peut être propulsé par le moteur thermique (alimenté à l’essence) ou électrique mais le moteur thermique charge également la batterie.
Pourquoi est-il intéressant de disposer d’une motorisation hybride ? Lorsque l’on freine avec une voiture pour s’arrêter à un feu rouge, par exemple, toute l’énergie cinétique de la voiture est transformée en chaleur essentiellement dans les plaquettes de frein et les disques. Pour une voiture de 1,5 tonne roulant en ville à 50 km/h cela correspond à une énergie dissipée de 145 Wh. Pour donner un point de comparaison, cette énergie permettrait de porter 10 kg d’eau de 14°C à 100°C. Lorsque l’on redémarre au feu vert, ce ne sont pas ces éléments chauds, qui se sont d’ailleurs déjà en partie refroidis, qui vont aider à relancer la voiture mais bien le moteur thermique grâce au carburant qu’il consomme : essence ou diesel. Avec une voiture hybride, une partie de l’énergie cinétique initiale sert à charger la batterie, ou éventuellement des supercondensateurs si ceux-ci sont présents. L’énergie récupérée au freinage contribue au redémarrage de la voiture qui consommera ainsi moins de carburant.
Une Prius a une batterie dont l’autonomie est faible, de l’ordre de 2 km. En effet, on n’utilise qu’une petite partie de l’énergie qu’elle contient pour qu’elle dure longtemps : plus de 10 ans. En la déchargeant complètement, sa durée de vie serait réduite ; or c’est un composant très cher. Une Prius consomme environ 5 L/100 km dans Paris, c’est là qu’elle est le plus efficace. Une voiture conventionnelle de taille et de puissance analogue consomme environ 2 fois plus dans les mêmes conditions. Cette performance n’est pas due à la seule batterie. Elle vient surtout d’une très bonne gestion de l’énergie globale du véhicule et la batterie joue le rôle d’un tampon énergétique. C’est un peu l’analogue de ce que l’on observe pour le traitement des données avec la mémoire cache d’un ordinateur.
Sur route ou autoroute la différence est moins grande avec une voiture de la même catégorie. Sur ces derniers parcours on trouve de petites voitures diesel qui ont des consommations analogues ou un peu plus faibles. Toutefois elles n’offrent pas le même confort ni le même volume de transport. De plus, si les véhicules diesel consomment peu, ils émettent plus d’oxydes d’azote que les véhicules à essence et des particules qui sont toxiques et dont on ne connaît pas l’impact à long terme sur la santé humaine.
L’avantage du véhicule hybride par rapport au véhicule électrique est que celui-ci peut continuer à rouler lorsque sa batterie n’est plus utilisable car il reste le moteur thermique pour la propulsion. Avec les progrès dans le domaine des batteries, les véhicules électriques vont acquérir de plus en plus d’autonomie (200 ou peut-être 300km). Le rechargement est néanmoins beaucoup plus lent. Alors qu’on met suffisamment de carburant (essence ou diesel) en 1mn pour parcourir 100 à 200 km, dans le même temps on ne recharge une batterie que pour parcourir 1 à 2 km. Une possibilité serait l’échange standard de la batterie mais celle-ci pèse plusieurs centaines de kg. Aussi, un petit moteur thermique en appoint, i.e. un système hybride, ne sera pas un luxe et permettra de continuer à rouler en cas de panne d’électrons.
Le véhicule hybride du futur aura une batterie rechargeable sur le secteur électrique. En effet, la plupart des gens font moins de 30 à 40 km par jour avec leur voiture. Leur besoin en mobilité serait alors complètement couvert par l’électricité du réseau si la batterie a une autonomie de cet ordre de grandeur. En France, c’est très intéressant car 90 % de la production électrique se fait sans émission de gaz carbonique (CO2), grâce au nucléaire et à l’hydraulique. Pour d’autres pays, ce n’est pas le cas et cela reviendrait à déplacer les émissions de CO2 des voitures vers des installations centralisées. L’intérêt de disposer de véhicules rechargeables sur le réseau serait, en France, d’éliminer complètement les centrales de pointe qui utilisent des combustibles fossiles, pour les remplacer par des moyens de production sans émission de gaz carbonique (nucléaire + énergies renouvelables). Le parc électrique surdimensionné servirait à recharger les batteries. On reporterait ainsi la gestion de la demande de pointe en électricité, aujourd’hui assurée en partie par des centrales à combustibles fossiles, sur les véhicules hybrides rechargeables qui ne pourraient pas se recharger aux heures de pointe lors de certains jours froid de l’année et utiliseraient leur moteur thermique. Rappelons que la puissance électrique installée en France est de l’ordre de 100 GW, alors que la puissance installée dans le parc automobile est d’environ 2 000 GW, soit 20 fois plus, et elle n’est utilisée que 5% du temps.
L’hybridation est une voie d’avenir et cela ne concerne pas seulement les voitures. Nous allons de plus en plus utiliser des systèmes énergétiques hybrides. C’est par exemple le cas d’un chauffe-eau solaire qui fournit environ 60% de la production d’eau chaude sanitaire d’une famille et dont le complément est fourni par des résistances électriques lorsqu’il n’y a pas assez de soleil.
Les véhicules hybrides sont une évolution logique de nos technologies actuelles dans un souci de mieux utiliser les ressources énergétiques et de réduire notre impact sur l’environnement. Elles demandent une haute technicité et une approche globale des systèmes.
