Freiner pour mieux repartir

Face aux difficultés de circulation dans les grandes villes et à la nécessité d’économiser le carburant, les ingénieurs planchent sur la création de transports collectifs plus écologiques. Les bus en particulier peuvent associer leur moteur diesel à une propulsion électrique alimentée par l’énergie du freinage : avec sa technologie hybride ELFA, Siemens joue aujourd’hui un rôle majeur dans le domaine des bus hybrides

Si l’environnement avait son mot à dire, le bon vieux moteur à combustion ne serait plus utilisé depuis longtemps : la consommation effrénée de gazole et de diesel diminue les réserves de pétrole, le dioxyde de carbone contenu dans les gaz d’échappement contribue à réchauffer l’atmosphère terrestre, sans oublier que les particules fines et les oxydes d’azote provoquent une irritation des voies respiratoires.

Outre l’intérêt écologique, il existe d’autres avantages à la disparition du moteur à combustion. Alors que la moitié de la population mondiale vit aujourd’hui dans des villes où la circulation devient de plus en plus dense, le nombre de bus en circulation ne cesse de croître. Il faut dire qu’un passager consomme jusqu’à 30 % de carburant de moins dans un bus plein que dans une voiture pleine. Une part importante de la population urbaine utilise d’ores et déjà le bus pour se déplacer, et pas seulement dans les pays en développement, où la voiture individuelle est un luxe. Même dans un pays industrialisé comme l’Allemagne, les bus représentent près de la moitié des distances parcourues en transports collectifs.

bus City Hybrid de Man
Les premiers bus City Hybrid de Man circulent déjà à Munich. Grâce à la technologie Siemens, ils consomment 30% de carburant de moins que des bus classiques.

Plus leur population augmente, plus les villes aspirent à des moyens de transport propres et silencieux. A Londres par exemple, l’accès des voitures au centre-ville est limité depuis 2003. Tout comme à Stockholm, les voitures doivent s’acquitter d’un péage, dont le tarif est majoré pour les véhicules qui consomment le plus. A Munich, en Allemagne, les camions ne sont plus autorisés dans le centre, et il est fort possible qu’à l’avenir de nombreuses municipalités mettent en place des réglementations plus strictes encore.

Si c’était le cas, seuls les véhicules très économes en carburant ou fonctionnant à l’électricité seraient autorisés en centre-ville. Mais les bus parcourent 200 à 300 km par jour, et leur consommation d’énergie est bien supérieure à celle d’une voiture électrique. « Une batterie capable de faire circuler un bus toute une journée est extrêmement lourde et coûteuse », explique Manfred Schmidt, qui travaille à la Division Drive Technologies de Siemens Industry à Nuremberg, là où sont développés les systèmes d’entraînement électrique.

Le bus « hybride » : une technologie verte

C’est pourquoi Siemens mise sur le bus hybride. La technologie hybride repose sur la combinaison d’un moteur à combustion et d’une propulsion électrique. Mais inutile de chercher à brancher le bus sur une prise pour le recharger : son système de stockage de l’électricité est alimenté par l’énergie récupérée lors des phases de freinage. Il s’agit du même principe que celui utilisé pour les voitures hybrides depuis la fin des années 1990. Manfred Schmidt est convaincu que « la technologie hybride est encore plus pertinente pour un bus que pour une voiture ». Non seulement un bus circule toute la journée, mais il passe 25 à 40 % de son temps à l’arrêt, que ce soit au feu rouge ou à l’arrêt de bus : autrement dit, il est constamment en train de freiner et de redémarrer. Grâce à la technologie hybride, le bus peut utiliser au démarrage l’énergie récupérée au freinage, et ainsi accélérer en silence et sans émission de gaz d’échappement.

MVG, la compagnie de transports publics de Munich, fait aujourd’hui rouler deux bus hybrides dont un City Hybrid de MAN, propulsé par une technologie Siemens. « Nous voulons tester et comparer plusieurs modèles de bus », déclare Herbert König, le patron de MVG. « Cela permet de soutenir les constructeurs dans le développement de cette nouvelle technologie. » Partout où les bus hybrides sont en circulation, conducteurs et passagers sont enthousiastes : plus de vrombissement du moteur au démarrage, et les à-coups habituels sont remplacés par une agréable sensation de glisse.

La technologie Siemens, baptisée ELFA,  repose sur un système hybride en série. Tandis que dans un système d’hybridation parallèle, la propulsion est assurée à la fois par le moteur thermique et le moteur électrique, l’hybride série consiste à propulser le véhicule uniquement grâce au moteur électrique. Ce dernier tire principalement son énergie d’un supercondensateur installé sur le toit du bus, l’UltraCap. Plus performant qu’une batterie traditionnelle, l’UltraCap présente une densité de puissance plus élevée et un meilleur rendement.

L’UltraCap est capable de stocker une grande quantité d’énergie dans un espace réduit. Il ne nécessite en outre pratiquement aucune maintenance et possède une durée de vie nettement supérieure à celle des batteries lithium-ion. Lorsque le supercondensateur est vide, le moteur diesel prend le relai et entraîne un générateur électrique afin de l’alimenter à nouveau. Un bus ainsi équipé peut parcourir en moyenne 200 m à partir d’un arrêt avant que l’UltraCap ne soit vidé. Le supercondensateur est alors prêt à récupérer l’intégralité de l’énergie qui sera libérée au prochain freinage. Répété tout au long de la journée, ce processus permet des économies de carburant considérables.

City Hybrid rouge
Crédit photo : M.A.N. Les sceptiques devraient être bientôt conquis : en plus d’économiser le carburant, le City Hybrid est à la fois silencieux et particulièrement confortable.

Une meilleure capacité de stockage

« Cette technologie en série permet de récupérer davantage d’énergie au freinage que les systèmes classiques en parallèle, car les dimensions du moteur électrique peuvent être plus importantes », explique Manfred Schmidt. Un bus produit généralement près de 150 kW lors du freinage. Dans le cas d’une hybridation parallèle, le moteur ne peut récupérer que 50 à 80 kW car sa taille est limitée par l’espace disponible. « On perd alors jusqu’à deux tiers de cette précieuse énergie de freinage, et les effets d’économie sont relativement faibles », conclut Manfred Schmidt.

En revanche, un bus doté d’une hybridation en série permet d’économiser jusqu’à un tiers du carburant, et de diminuer d’autant les émissions de dioxyde de carbone (CO2). Selon le nombre de montées et d’arrêts sur le trajet, un bus consomme en moyenne entre 40 et 60 litres de diesel pour 100 km. En tablant sur environ 60 000 km par an, la consommation atteint 30 000 litres de diesel. Mais pour un bus hybride, la consommation tombe à 20 000 litres seulement. Sachant que la combustion d’un litre de diesel produit 2,6 kg de CO2, un bus hybride représente une réduction des émissions de CO2 de 26 tonnes par an par rapport à un bus classique.

Les ingénieurs de Siemens ont même trouvé un moyen de réduire encore la consommation de diesel. Le système de propulsion comprend en principe deux machines asynchrones triphasées « couplées » par une boîte de transfert. Mais en utilisant des machines synchrones avec des aimants permanents, il faut moins d’électricité pour générer le champ magnétique actionnant le moteur. Cela permet de réduire les pertes, d’augmenter le rendement et de transmettre davantage d’énergie, et ainsi d’économiser encore 10 % de carburant. En outre, ce système diminue l’usure du moteur.

Par rapport à un bus classique roulant au diesel, dont le prix avoisine 250 000 €, il est vrai qu’un bus hybride reste plus coûteux. Manfred Schmidt estime la différence à près de 100 000 €, tout en soulignant que les économies d’échelles engendrées par la production en série devraient diminuer le surcoût de moitié et le réduire à seulement 20 % du prix normal.

Les bus hybrides connaissent un succès croissant. Si Pékin parvient à concrétiser sonprojet de remplacer la moitié de ses bus par des hybrides d’ici 2015, cela suffira à créer une énorme demande pour ces véhicules. « L’intérêt pour les bus hybrides est déjà considérable dans le monde entier, nous pouvons à peine faire face aux commandes », se réjouit Manfred Schmidt. A Nuremberg, Siemens collabore avec plusieurs constructeurs : les commandes pour ELFA proviennent non seulement de MAN, mais aussi de Mercedes, du Belge Van Hool et du géant indien Tata Motors.

environmentally-friendly electrical Bus Rapid Transit

e-BRT (environmentally-friendly electrical Bus Rapid Transit),  solution 100 % électrique destinée aux lignes de Bus à Haut Niveau de Service. La recharge s’effectue directement à chaque arrêt en station, le véhicule recevant, par contact électrique, l’énergie nécessaire à son autonomie jusqu’à l’arrêt suivant.

Des bus présents partout dans le monde

Wrightbus, un constructeur de bus d’Irlande du Nord, a commandé la technologie Siemens pour des bus à impériale destinés à Londres. En présentant les nouveaux véhicules au mois de mai 2010, le maire de Londres, Boris Johnson, ne s’est pas contenté de vanter l’élégance de leur design. Il a également salué l’arrivée d’une « technologie verte innovante » et affirmé que les Londoniens pouvaient être fiers de leurs nouveaux bus, à la fois économes et silencieux.

Selon lui, des centaines de bus de ce type ne tarderont pas à circuler dans les rues de la capitale britannique. Des bus équipés de la technologie ELFA fonctionnent déjà partout en Europe : en Espagne, en Belgique, aux Pays- Bas et en Italie. Ils devraient bientôt rouler également en Turquie, aux Etats-Unis et au Brésil. En Allemagne, la société de transports de la ville d’Hambourg prévoit de déployer des bus hybrides Mercedes basés sur la propulsion ELFA et combinant des batteries avec des piles à combustible. A partir de 2020, les nouveaux bus de Hambourg seront tous hybrides.

« Limiter les émissions de CO2 dans les centres-villes est une décision politique », poursuit Manfred Schmidt. Si la tendance se poursuit, les camions-poubelles deviendront eux aussi de bons candidats à l’hybridation. MAN propose déjà un camion 12 tonnes doté d’un moteur quatre cylindres de 220 ch et d’un moteur électrique 60 kW. Ce véhicule est principalement destiné aux longs trajets de distribution avec des arrêts fréquents. Quant à l’Allemand Faun, il propose un camion-poubelle équipé de la technologie ELFA. Le « Roto press Dualpower » est actuellement en service auprès d’une déchetterie de Leipzig.

« Les bus hybrides ne sont qu’une étape vers un mode de transport zéro émission », conclut Manfred Schmidt. D’après lui, le véritable objectif reste de circuler dans les villes sans aucune émission de CO2. Et deux solutions lui semblent possibles : des bus à batterie, qui se rechargeront à leur terminus ou au dépôt, ou un modèle hybride combinant une batterie et une pile à combustible, cette dernière pouvant servir à recharger la batterie en cours de trajet. Mais Manfred ne saurait dire si de tels bus seront mis en service, ni à quelle date : « le choix de l’hydrogène ou de l’électricité pour la propulsion dépendra des solutions retenues pour la production d’électricité, en termes de technologie et de localisation ».

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Auteur : Jeanne Rubner