Systèmes de Récupération de l’Énergie Cinétique 12


Chaque fois que vous arrêtez votre voiture à un feu rouge, son énergie cinétique et la votre sont dissipées sous forme de chaleur dans vos freins. Quand le feu passe au vert, votre moteur régénère cette énergie cinétique en accélérant votre véhicule. Dès les années 50, Richard Feynman (encore lui) avait imaginé un système de récupération de l’énergie cinétique (SREC, ou KERS en anglais)  pour récupérer l’énergie au freinage, la stocker quelques instants, puis la réinjecter au démarrage. Aujourd’hui, les progrès technologiques permettent de réaliser cette idée.

les freins, ça chauffe… « Some Damage 350/365″ par attila acs sur flickr

L’énergie cinétique d’une voiture est étonnamment faible : lorsqu’une voiture de 1300 kg roule à 50 km/h , elle ne vaut que 130 kilojoules, soit 36 Wh seulement en unités électriques, l’équivalent de la charge d’une batterie de laptop. Le problème est que cette énergie est libérée dans les quelques secondes que dure un freinage, donc la puissance à absorber est relativement élevée.

Dans notre exemple, en supposant un freinage bien doux de 5 secondes,  il faudrait une batterie capable d’absorber 26 kW. C’est justement le maximum de la batterie de la Toyota Prius, dont la capacité est de 1.5 kWh, soit 42x plus grosse (et lourde) que ce qui serait nécessaire pour le SREC. On peut aussi imaginer utiliser des supercaps, capables de se charger très vite, mais il en faudrait beaucoup pour stocker les 36 Wh*. Actuellement, les SREC électriques sont donc limités à une utilisation « conduite tranquille en ville » et ne se justifient que sur des véhicules déjà munis d’une grosse batterie.

Volvo vient d’annoncer [1,2] une alternative purement mécanique basée sur un volant d’inertie de 6 kg, mesurant 20 cm de diamètre et tournant jusqu’à 60 000 tours par minute sous vide. Après un petit calcul, on trouve que ce cylindre peut stocker 1.2 megajoules au moins**, ce qui permet d’absorber l’énergie cinétique d’une voiture de 2 tonnes roulant à 90 km/h. Au démarrage, le système peut restituer 80 chevaux de puissance, soit 60 kW pendant 20 secondes, assez pour réduire la consommation d’essence de 20% selon Volvo. De plus, le « flywheel KERS » de Volvo se monte sur l’essieu arrière d’une traction avant et est donc totalement indépendant du bloc moteur :

Encore plus que le volant d’inertie, l’élément clé du système est le « CVT module », un variateur de vitesse mécanique couplant le volant d’inertie à l’essieu arrière par un rapport de transmission variable, commandé électroniquement en fonction des vitesses des deux éléments et des actions sur les pédales de frein et de gaz. Selon certaines sources, ce serait l’entreprise Torotrak qui produirait le CVT du système Volvo après avoir collaboré à des projets KERS pour la F1

En effet, la Formule 1 autorise les KERS depuis 2009 [3,4], mais avec des limitations bizarres comme de n’en tirer que 400 kilojoules par tour de circuit alors qu’un seul freinage de 300 km/h à 100 km/h pour un bolide de 700 kg dégage plus de 4 megajoules. De plus la puissance de restitution du KERS est limitée à 60 kW comme dans la Volvo de demain… En 2009, les écuries ont développé, testé et parfois utilisé en course divers systèmes électriques ou à volant d’inertie, mais aussi pneumatiques ou hydrauliques. En 2010, elles y ont toutes renoncé, et en 2011 la situation n’est pas claire… Dommage que la F1 soit si réglementée, peut-être qu’un peu de liberté dans la conception des KERS pourrait véritablement changer l’automobile de demain.

Notes:

* KTM a utilisé des supercaps sur une moto GP de 125cm³ en 2009 [5]

** : j’ai fait l’hypothèse d’un cylindre plein, alors que les ingénieurs de Volvo ont certainement réparti la masse le plus possible sur l’extérieur du cylindre, donc je parierais plutôt pour 2 MJ voire plus.

Références

  1. Rémy Devaureix « Volvo développe un KERS pour ses futurs véhicules » 30 mai 2011, sur AutoBuzz.com
  2. Volvo FlyWheel KERS : une roue d’inertie capable de réduire de 20% la consommation de carburant 2 juin 2011 sur actinnovation.com
  3. Paul Evans « Formula One KERS Explained » 26 mars 2009 sur gizmag.com
  4. F1 – Le KERS en six questions 24 mars 2011 sur sportauto.fr
  5. KTM beats F1 with secret KERS 4 février 2009 sur crash.net
  • H

    En plus, y a pas de conversion entre énergie électrique et mécanique, ça doit augmenter le rendement… mais c’est vrai qu’il y a du potentiel, curieux qu’on n’ait pas fait ça plus tôt.

    • http://drgoulu.com Dr. Goulu

      Le rendement d’une génératrice+cycle charge/décharge de batterie+moteur électrique sont bons aussi (~75%). D’un autre côté, le CVT et les joints d’étanchéité de la roue tournant sous vide provoquent certainement des frottements moins favorables qu’un train d’engrenages… Faudra voir.

  • http://www.webinetdescuriosites.com Xochipilli

    Les volants d’inertie ne créent-ils pas de terribles effets gyroscopiques si on en abuse?

    • http://drgoulu.com Dr. Goulu

      Ouaip, j’attendais qu’on pose la question, merci! ;-) Ca a en effet posé des problèmes aux Gyrobus qui stockaient beaucoup d’énergie dans un gros disque tournant à 50 tours/seconde « seulement ». L’effet gyroscopique (un couple de réaction perpendiculaire à celui appliqué au gyroscope) est proportionnel au moment cinétique, lequel est proportionnel à la vitesse de rotation, alors que l’énergie potentielle stockée est proportionnelle au carré de cette vitesse. Il vaut donc mieux faire un petit disque tournant très vite (merci le carbone) quitte à le mettre sous vide. Je n’ai pas fait le calcul mais au pif l’effet gyroscopique doit être comparable à celui des roues de la voiture lorsqu’elle roule… Mais peut-être qu’en F1 ça peut poser des problèmes…

      • Marc

        Tiens par coincidence je lis cette article dans un hotel a oerlikon, ville natale du gyrobus.
        Si mes souvenir sont bons, un défaut était que le volant était horizontal, ce qui fait que ça n’avait pas trop d’incidence de tourner à gauche ou a droite, mais qu’une montée descente avait des effets étonnants.

        Effectivement, vive le carbone. Ceci-dit il me semble avoir vu il y a 5-7 ans, le même principe que le gyrobus en fibre de carbone + paliers magnétiques+moteur et cela pouvait conserver l’energie de plusieurs démarages(= montées descentes) pendant des pauses importantes ( quelques heures)… Mais je n’ai plus le liens sur l’article

  • zamm

    D’abord, n’y a-t-il pas une petite erreur ? Avec 0.5*m*v^2, ça fait 65 kJ… Cependant, stocker 130 kJ est un bon objectif, vu qu’il correspond à une vitesse de 50 km/h environ, parfaite pour l’usage urbain.
    Pour un tel usage, les supercondensateurs ne sont pas si mal – on n’a besoin que de 11 kg environ [1] (grosso modo le poids d’une batterie standard au plomb) pour une telle énergie, et le système est nettement plus simple que la variante mécanique… Au niveau puissance, ce genre de module est donné pour env. 33 kW, assez pour freiner à 0.2 g à 50 km/h (et plus énergiquement à plus basse vitesse), avec des pointes allant nettement au-dessus (mais le rendement baisse à cause de la résistance interne).
    Aussi, avec un simple montage parallèle (genre Honda Insight / Civic / Jazz hybrides [2]), avec moteur électrique directement sur l’axe du moteur thermique, on peut en plus réaliser d’autres améliorations, comme un « volant d’inertie actif », ce qui permet de rouler à plus bas régime, avec un petit moteur à peu de cylindres et dans un rapport élevé, sans « taper ». Aussi, on se passe d’alternateur (le moteur électrique intégré fait très bien l’affaire), et on peut réduire passablement la taille de la batterie au plomb : on charge les supercondensateurs avec un courant faible, puis on démarre le moteur avec – la comparaison pour les gros systèmes est assez impressionnante ([3], page 29). Bref, j’ai quand même l’impression que le système électrique, malgré ses limitations, a plus d’avenir, en raison de sa meilleure intégration avec les autres composants (moteur et auxiliaires) du véhicule.
    Aussi, avec le volant d’inertie, il y a le problème de la rétention du stockage. Est-ce que Volvo indique combien d’énergie il reste après 2 min d’arrêt à un feu ?

    [1] Par exemple :
    http://www.maxwell.com/products/ultracapacitors/docs/DATASHEET_48V_SERIES_1009365.PDF

    [2] http://en.wikipedia.org/wiki/Integrated_Motor_Assist

    [3] Everett, « Ultracapacitors and Ultracapacitor applications »
    http://ecadigitallibrary.com/pdf/CARTSUSA09/3.0.pdf

  • DinoRoum

    Salut,

    Bravo pour ce blog passionnant!
    On y apprécie autant les articles que les réponses toujours constructives.
    Après un an de lecture je me suis enfin décidé à prendre contact, histoire de pouvoir poster à l’avenir.

    • http://drgoulu.com Dr. Goulu

      merci et bienvenue !

  • surunitairedream

    Bonjour ,

    venant de tomber sur un article de http://invention-europe.com/ qui relate l’expatriation d’un inventeur Français aux U.S (cause:trop cons les Français !)en vue du développement de sa voiture à Sustentation….;j’ai cherché comment est-ce possible?

    Voilou ce que j’ai trouvé,et je suis tout autant émerveillé par le génie de la chose,par les portes que cela ouvre pour l’innovation, que énervé par moi même, que faute de connaissance scientifique,malgré avoir plusieurs fois « considéré » ce phénomène pour par exemple avoir imaginé une propulsion de bateau sans rames ou hélices,ne sachant pas que ce phénomène se nome « inertie »,je n’ai pas pensé(pour excuse quand même l’énormité de mon autre recherche…la surunité!) à extrapoler la chose pour une propulsion terrestre ou aérienne,et surtout comme moyen de sustentation!

    Dr.Goulu,dans le lien plus bas,mis à part le coté magnétique/toussa qui n’est pas réaliste,juste en considérant le phénomène de différentiel de valeur de force centrifuge (bien sûr obtenu avec une énergie au même titre que la rotation elle même)……n’est ce pas ……que la lévitation ou/et une direction est un résultat envisageable ?

    Sur une voiture par exemple,cela n’aurai t’il pas l’avantage de se soustraire au « griping » du sol pour l’accélération,le freinage et le changement de direction….notamment sur sol mouillé ou neigeux,verglacé ?

    http://www.invention-conception.com/propulseurinertiel.php

    http://www.conspirovniscience.com/forum/index.php?showtopic=1083&st=0&#entry27264

    • http://drgoulu.com Dr. Goulu

      La loi de conservation de la quantité de mouvement est aussi inviolable que celle de la conservation de l’énergie et que les autres lois de conservation, parce qu’elles sont en fait des aspects différents d’un seul et même principe fondamental..

      Comme indiqué dans http://fr.wikipedia.org/wiki/Quantit%C3%A9_de_mouvement
      « Sur un plan plus général il s’agit en fait d’une des conséquences du théorème de Noether qui permet de relier symétrie continue d’un système et lois de conservation. »

      Le théorème de Noether est la description mathématique de ce principe fondamental. En très gros, il dit que dans un univers où certaines choses sont prévisibles parce qu’elles varient de manière continue, il y a des grandeurs qui se conservent.

      Dans le cas de la quantité de mouvement, c’est détaillé ici.

      En pratique:

      • les petits chariots propulsés par « moteurs inertiels » sur YouTube fonctionnent par http://fr.wikipedia.org/wiki/Stick-slip : ils s’appuient sur le frottement comme sur une crémaillère à cliquet. Mécanique classique, pas de surprise
      • dans les fluides visqueux, certains petites bêtes ont trouvé moyen de se déplacer sans réaction, mais très lentement
      • dans l’espace : il n’y a pas d’etehr, donc théorème de Noether :-)
  • HiCam

    est ce que peut m’aidez sur un sujet qui raconté sur la la correction de facteur de puissance a base de super-condensateur pour les variateurs de vitesse stp

    • http://drgoulu.com/ Dr. Goulu

      En fait je ne savais même pas de quoi il s’agit jusqu’à une petite recherche sur Google qui m’a indiqué cette thèse : http://l2ep.univ-lille1.fr/fileupload/file/theses/These_Petar%20J_%20Grbovic.pdf . Il s’agit donc de récupérer l’énergie de freinage des entraînements électriques, ce qui n’est pas du tout une mauvaise idée… C’est même un très bonne idée, mais je ne m’y connais probablement pas assez pour vous aider, désolé…