Analyse et optimisation du bilan énergétique de systèmes de transport
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Analyse et optimisation du bilan énergétique
de systèmes de transport
Auteur:Roland WETTER
EPFL-LME
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Généralités sur les transports
La vie, c’est le mouvement !
- recherche de la nourriture
- rencontre des personnes
- déplacement de produits
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La vie, c’est le mouvement !
La recherche de la nourriture (autrefois)
pedibus cum jambis
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La vie, c’est le mouvement !
Dodo Boulot
Migros
La recherche de la nourritureBistrot
44%
24%
11%8%9%
5%
(aujourd’hui)
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Trop de mouvement nuit !
Répartition modale en terme de distance parcourue par personne
68%
17%
5%
2%
2% 6% Autres
Source: office fédéral de la statistique – micro recensement 2000
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La question énergétique dans son contexte
Accroissement en % de la consommation d’énergie selon le secteur (base 100 = 1978)
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Consommation finale d’énergie par secteur
Ménages28.4%
Services, commerce, agriculture19.0%
Industrie19.7%
Transports32.9%
Transports routiers76%
(dont transports publics = 1%)(dont marchandises = 19%)
Transports ferroviaires3%
Source: statistique globale suisse de l’énergie 2003
Transports aériens21%
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Energie spécifique selon le mode de transportkW
h pa
r per
sonn
eet
par
km
Occupation à 100%Occupation moyenne actuelle
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Les transports au début du XXIe siècle
Constats :
• accroissement de tous les trafics (publics, privés, de marchandises);
• l’explosion de la demande en déplacement est un a priori pas mis en question;
• le transfert modal est essentiellement stimulé par l’accroissement de l’attractivitédes transports concurrents.
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Les défis des transports du XXIe siècle
Période 2005-2020
• rapides• attrayants• confortables• bon marché
Répondre à la demande avec des transports
Le pétrole se raréfie.Quelles conséquences pour les transports ?
Dès 2020 ?
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Les transports du futur ?
Maglev
Transrapid TGV
Solution justifiée principalement en substitution à l’avion.Pour étapes longues.
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Les transports du futur !
• économes en énergie
• transfert modal important en direction du transport public
• utilisation massive du vecteur énergétique électrique
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Les transports du futur
• Urbain et suburbain (déplacements de proximité)• Performant pour les courtes distances• Facile d’accès• Faibles émissions (air – bruit)
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Profil de marche
Arrêt
v
Décélération
Marche à v constante
Accélération
t
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Energies mécaniques en jeu lors du déplacement
- Pertes à l’avancement
- Energie potentielle: E = mvhc · g · h [J]
- Energie cinétique: E = ½ · (mvhc + mtournantes) · v2 [J]
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Pertes à l’avancement
Frottement de roulement = k0 · m [N]
Frottement dans les paliers = k1 · m · v [N]
Frottement dans les courbes = m · (kc1 · a + kc2) / R [N]
Frottement aérodynamique = ka · Cw · A · v2 [N]
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Pertes dans la chaîne de traction
1. Convertisseur de courant
3. Transmission (engrenage, réducteur)
2. Moteurs
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Consommation des auxiliaires
Eclairage
Portes
Chauffage-ventilation-climatisation
Signalisation
Surveillance
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Energie de freinage
E cinétique E potentielle
Freinage mécanique Ipar limitation de l’effort
Pertes transmission
Pertes moteurs
Pertes convertisseurRecyclage dans lesauxiliaires embarqués
Freinage mécanique IIà basse vitesse
E freinage électrique
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Bilan énergétique d’un véhicule
18%
13%
13%
1%21%
34%
Pertes à l’avancement
Pertes chaîne de traction
Pertes frein mécanique
Energie freinage électrique
Auxiliaires
Pertes freinage électrique
Cas: métro m2
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Optimisation énergétique (pertes à l’avancement)
Frottement de roulement = k0 · m [N]
Frottement dans les paliers = k1 · m · v [N]
Frottement dans les courbes = m · (kc1 · a + kc2) / R [N]
Frottement aérodynamique = ka · Cw · A · v2 [N]
Réduction des masses
Grands rayons de courbure
Meilleur profil aérodynamique
Vitesse réduite
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Optimisation de la chaîne de traction
1. Convertisseur de courant
3. Transmission (engrenage, réducteur)
2. Moteurs
Nombre d’étages réduit
Rendement amélioré par une meilleure technologie
Moteurs à aimants permanents
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Optimisation énergétique par l’exploitation
Réduction de l’accélération, de la décélération et de la vitesse
v
Décélération
Marche à v constante
Accélération
t
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Influence du type de traction
1. Traction par adhérence acier-acier
• Pente maximum admissible : 70 ‰• Rendement élevé
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Influence du type de traction
2. Traction par adhérence pneu-acier
• Pertes de roulement 4 ÷ 5 x plus élevéeque pour l’adhérence acier-acier
• Adhérence dégradée selon les conditionsatmosphériques
• Roulement avec faible transmissionde vibration solidienne
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Influence du type de traction
3. Traction par moteur linéaire
• Pertes de roulement faibles
• Masse réduite
• Faible rendement de la propulsion
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Influence du type de traction
4. Traction par crémaillère
• Rendement mécanique de la crémaillère d’environ 98.5%
• Bruyant pour vitesse > 40 km/h
• Transmission de bruit solidienimportante
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Influence du type de traction
Comparaison des consommations d’énergie des véhicules
100%
146%
206%
crémaillère acier-pneu linéaire
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Pertes dans le système d’alimentation
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Pertes dans les postes de transformation
Localisation dans
- les transformateurs
- les convertisseurs
- les filtres et inductances de lissage
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Energie pour les auxiliaires (I)
Accès aux stations: ascenseurs,escalators,
tapis roulants
Systèmes de sécurité: portes palières, vidéo, automatismes, balises, détections
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Energie pour les auxiliaires (II)
- Chauffage des voies
- Eclairage
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Flux d’énergie dans le système de transport
Energie prélevéeau réseau à 50 Hz
Lignes d’alimentation
de traction
Pertes dans les postesde transformation et les lignes d’alimentation
Energie réutiliséepar d’autres véhicules
Energie de freinage électrique
Energie pour les auxiliaires
Energie de freinage disponible
Pertes dans les lignes de traction
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Energie de freinage: généralités
E freinage disponible
2.1. Recyclage à bord du véhicule:- par stockage cinétique- par stockage «ultracap»
1. Renvoi à la ligne de contact
E freinage recyclable
2.2. Recyclage dans le réseaud’alimentation:- par stockage cinétique- par stockage «ultracap»- par convertisseur de courant
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Renvoi de l’énergie de freinage à la ligne de contact
1. Echange d’énergie avec les autres véhicules
• Taux de récupération variable selon l’horaire de circulation
49.4%53.6%
64.5%69.4%
10' 7.5' 6' 6' / 3'
Energie renvoyée à la ligne decontact par rapport à l’énergietotale de freinage électriqueMétro m2
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Simulation d’un système de transport
Simulateurnumérique
Résultats
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Résultats de la simulation
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Résultats de la simulation
Bilan d'énergie pour un seul véhiculeSimuLink -
Trajet Ouchy - Croisettes et retourRéférence
Cas étudié vhc à vide 1/3 chrg 2/3 chrgNombre de passagers à 70 kg 0 100 200
E absorbée à la ligne [kWh] [kWh] [kWh]Ouchy -> Croisettes 102.80 112.60 122.40Croisettes -> Ouchy 33.58 35.62 37.65
Total 136.38 148.22 160.05Pertes à l'avancement
Ouchy -> Croisettes 11.65 12.82 13.98Croisettes -> Ouchy 11.98 13.21 14.44
Total 23.63 26.03 28.42Pertes chaîne de traction
Ouchy -> Croisettes 13.51 14.98 16.44Croisettes -> Ouchy 3.40 3.71 4.02
Total 16.91 18.69 20.46Pertes freinage électrique
Ouchy -> Croisettes 3.05 3.24 3.41Croisettes -> Ouchy 14.52 16.21 17.89
Total 17.57 19.45 21.30Métro m2
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Résultats de la simulation
Energies consommées, échangées et récupérables Métro m2
Bilan énergétique sur une heure et potentiel de récupération
Horaire 10' 7.5' 6' 6' / 3'Nombre de véhicules engagés
trajet complet (tc) 4 6 7 7trajet partiel (tp) 0 0 0 4
Energie fournie par les postes de transformation traction [kWh] [kWh] [kWh] [kWh]
Grancy 231.4 300.3 375.0 513.7Riponne 172.1 237.7 284.4 491.9
CHUV 177.4 241.1 271.8 467.5Vennes 200.3 283.0 314.2 392.3
Total 781.3 1062.2 1245.4 1865.4
Energie absorbée à la lignepar tous les véhicules 918.3 1261.0 1548.5 2344.1
(produit val. réf.) 918.1 1260.8 1548.5 2344.1
Pertes dans les lignes 19.4 26.3 34.7 58.2
Energie de freinage électriquerenvoyée à la ligne (tous vhc) 301.2 401.7 502.3 740.5
(produit val. réf.) 301.3 401.8 502.2 740.5E frein / E tot. fourni par p.t. 38.56% 37.82% 40.33% 39.70%
Energie freinage échangée entreles véhicules 148.9 215.2 324.1 513.9
E frein échangé / E freinage total 49.43% 53.58% 64.52% 69.39%Métro m2
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Résultats de la simulation
900 1000 1100 1200−1
−0.5
0
0.5
1
1.5
2
x 106
t / s
P /
W
Poste de CHUV
P rms + = 627 kWP rms − = 144 kW
P max = 1633 kWP min = −853 kW
E pic nég.* = −2.09 kWh
E perdu/écrêt / h = 0.00 kWhE pertes récup / h = 12.40 kWhE récup net / h = 38.29 kWh
h
Métro m2
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Flux d’énergie selon la cadence horaire
Métro m2
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Influence du nombre de voyageurs
Charge
100 passagers (référence)
véhicules à vide
200 passagers
nombre de passagers
variable
Taux de récupération inter véhicules 69.39% 70.92% 68.18% 68.66%
Energie encore disponible [kWh] 203.6 172.4 234.3 217.7
Métro m2
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Variations d’horaire
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Récupération d’énergie
900 1000 1100 1200 1300−1
−0.5
0
0.5
1
1.5
2x 10
6
t / s
P /
W
Poste de Grancy
P rms + = 473 kWP rms − = 103 kW
P max = 1563 kWP min = −701 kW
E pic nég.* = −1.62 kWh
E perdu/écrêt / h = 0.00 kWhE pertes récup / h = 11.41 kWhE récup net / h = 22.43 kWh
Métro m2 − Analyse des puissances et énergies aux postes de transformationRécupération d’énergie par stockage cinétique Horaire 7.5’ − cas référence
Période d’observation: de 900 à 1350 s (durée = 450 s)
Caractéristiques du stockeur cinétique : P max = 900 kW − P maintien = 10 kW − eta = 0.94
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Récupération d’énergie
Métro m2
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Consommation d’énergie comparée métro / trolleybus
Consommation énergétique par nombre de voyageurs pour un parcours Ouchy-Croise ttes-Ouchy
Avec récupération inte r-véhicules e t prise en compte des énergies annexes
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220
Nom bre de voyageurs
Ener
gie
[kW
h]
Métro
Trolleybus
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Facteurs d’influence et d’optimisation
Valeur de référence Valeur modifiée Ecart énergie
Vitesses maximale 50 km/h 40 km/h - 7.8 % 50 km/h 60 km/h + 15.3 % Moteur thermique 1.5 tonnes 0 tonne - 4.6 % Nombre d'arrêts dus au trafic 20 arrêts 10 arrêts - 7.2 % 20 arrêts 30 arrêts + 5.6 % Dénivellation 340 mètres 170 mètres - 19.1 %
Variante trolleybus
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Conclusion
• Les économies les moins coûteuses sont atteintes au niveau du concept général du système de transport.
• Le potentiel de récupération de l’énergie de freinage dépend fortement du taux de récupération intervéhicule.
• Le retour sur investissement relativement faible conduit souvent à négliger les aspects énergétiques, car notre sociétéest en crise financière et pas (encore) en crise énergétique.
• Le potentiel d’économie actuel le plus important se situe avant tout dans le choix du mode de transport…