Une solution respectueuse de l’environnement pour les bus à haut niveau de service

07/06/2013
Auteurs :
OAI : oai:www.see.asso.fr:1301:2013-2:4382
DOI : http://dx.doi.org/10.23723/1301:2013-2/4382You do not have permission to access embedded form.

Résumé

Une solution respectueuse de l’environnement pour les bus à haut niveau de service

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	    <date dateType="Created">Fri 7 Jun 2013</date>
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REE N°2/2013 73REE N°2/2013 73 LE VÉHICULE ÉLECTRIQUE (2)LE VÉHICULE ÉLECTRIQUE (2) Nicolas Urien, Nicolas Chanclou Siemens SAS France, Division Rail Systems Introduction Les autorités organisatrices des transports pu- blics, partout dans le monde, sont confrontées à la nécessité de développer l’offre de transport à tra- vers la réalisation de systèmes performants, res- pectueux de l’environnement et compatibles avec leurs contraintes budgétaires. Le bus à haut niveau de service (BHNS) est une solution répondant à ces besoins dans de nombreuses agglomérations. Siemens a entrepris le développement d’une solu- tion intégrée permettant de réaliser une ligne BHNS 100 % électrique à biberonnage en station. Ce sys- tème, dénommé e-BRT, présentera tous les avan- tages du Bus Rapid Transit en zéro émissions et sans avoir l’inconvénient des lignes aériennes de contact (figure 1). Une solution respectueuse de l’environnement pour les bus à haut niveau de service To meet the demand of transport authorities, Siemens has undertaken the development of an all-electric bus, called e-BRT, which combines the benefits of a high quality bus service to those of a 100 % electric propulsion. This paper presents the technological solutions implemented to achieve such a result. They are mainly based on the combi- nation of Li-ion batteries with super-capacitors in order to realize an electrical system capable which can be rapidly recharged during stops at stations while having sufficient power to cover the distance to the next charging point. The system also makes use of high performance permanent magnet motors as well as of a sophisticated energy management system similar to a mini-smart grid. The benefits that will be withdrawn from such a system are detailed in terms of convenience of use and in terms of emissions (CO2 and NOx) limitation and total cost of ownership reduction. ABSTRACT Figure 1 : Vue générale du système e-BRT. Source : Siemens. 74 REE N°2/2013 LE VÉHICULE ÉLECTRIQUE (2) Les objectifs généraux Confort des passagers et tranquillité des riverains Le confort, l‘efficacité et l‘excellent bilan énergétique de la traction électrique appliqués au concept du BHNS nécessitait jusqu’à présent des lignes aériennes de contact continues, souvent compliquées par des aiguillages à l’exemple du trol- leybus. Pour faciliter l’intégration dans la ville en supprimant les lignes aériennes de contact, Siemens a entrepris le déve- loppement d’un nouveau système basé sur des véhicules à traction électrique dotés d’un stockage rapide d‘énergie et de l‘infrastructure de recharge associée. La solution optimisera à la fois le confort et l‘accessibi- lité pour les voyageurs ainsi que l’utilisation de l‘énergie. En effet, la traction électrique se distingue de la traction Die- sel classique par une courbe d’accélération plus homogène apportant de fait un confort accru pour l’usager, en tirant parti des performances cinématiques (accélération soutenue dès les basses vitesses, avec un jerk contrôlé) et par un silence exceptionnel. Le dispositif de guidage (Optiboard) lors de l’accostage minimise la lacune entre le quai et le véhicule, permettant ainsi un accès à niveau pour les personnes à mobilité réduite. L’utilisation de l’énergie est optimisée par la récupération locale de l’énergie cinétique lors du freinage, minimisant la dispersion énergétique et la sollicitation du frein mécanique. Un accès à bord aisé pour tous, des véhicules silencieux et confortables, un trajet rapide et en douceur : toutes les qualités des meilleurs systèmes de transport se trouvent donc réunies dans ce nouveau concept. Les riverains quant à eux bénéfi- cient de l‘absence de pollution aérienne et visuelle, du silence en exploitation et de l’ampleur réduite des travaux ne nécessi- tant pas de dévier les réseaux comme pour un tramway. Réduction des émissions, des consommations et des coûts d’exploitation Le recours à la propulsion électrique permet de réduire très fortement les émissions polluantes de toute nature et en particulier les émissions de CO2 . De plus, grâce à la récupéra- tion intégrale de l‘énergie cinétique au freinage, le rendement global du système est très nettement supérieur à celui des solutions à base de véhicules Diesel ce qui induit un gain direct sur le coût du « carburant ». La durée de vie des véhicules et des unités de stockage d‘énergie, dont le dimensionnement garantit une faible sol- licitation, ainsi que la fiabilité des composants, contribuent également à réduire le coût total de possession. Un défi majeur : des échanges énergétiques ultra-rapides en station Rendre le véhicule autonome en électricité pendant tout son service et même pendant un tour de ligne complet né- cessiterait aujourd’hui des dimensions de batteries incom- patibles avec l’exploitation en grande capacité1 . A contrario, alimenter les véhicules en permanence comme dans les so- lutions du type trolleybus, tributaires de lignes d’alimentation manquant de souplesse et souvent disgracieux ne répond pas à la demande des villes. Il faut donc recharger le bus lors de ses arrêts en station. Mais cette recharge doit se faire de manière totalement transparente pour les passagers, elle ne doit pas durer plus que le temps normal d‘arrêt, typiquement une vingtaine de secondes. Il faut en outre que la quantité d’énergie reçue et stockée par le véhicule soit suffisante pour lui permettre d’atteindre en toute sécurité le prochain « point de ravitaillement », y compris en cas de circonstances excep- 1 Ces solutions sont aujourd’hui cantonnées sur les segments de petits bus, sur des lignes peu contraignantes. Figure 2 : Composants électriques essentiels du système e-BRT. Source : Siemens. REE N°2/2013 75 Une solution respectueuse de l’environnement pour les bus à haut niveau de service tionnelles : surcharge du véhicule, indisponibilité de la station de recharge la plus proche. Le véhicule reçoit, par contact électrique avec la station, l‘énergie nécessaire au trajet jusqu‘au prochain arrêt équipé d’un dispositif de rechargement. Cette énergie est stockée dans des unités embarquées, composées de batteries et super-capacités (figure 2). Pendant les phases de décélération, l‘énergie de freinage est récupérée par les mêmes unités de stockage (figures 3 à 5). Un calculateur gère la répartition de l‘énergie pour opti- miser le rendement global et maximiser la durée de vie des composants. Les solutions mises en œuvre Stockage de l’électricité Le stockage de l’électricité reste un point crucial à la fois sur le plan technique et sur le plan économique. Dans le sys- tème e-BRT, le parti a été pris de combiner les avantages de batteries performantes du type Li-ion à ceux de super-capa- cités (figure 2). Les batteries peuvent assurer le stockage de quantités d’électricité assez importantes mais leurs courants de charge restent limités, notamment dans la perspective d’une recharge rapide. A contrario, les super-capacités per- mettent d’emmagasiner et de restituer l’électricité beaucoup plus rapidement que les batteries mais sur des faibles quan- tités d’énergie. Les super-capacités sont donc des auxiliaires indispensables lors de la phase de freinage, de recharge et dans une partie de la phase de démarrage du véhicule afin de lui permettre d’acquérir rapidement la vitesse de croisière souhaitée, typiquement 50 km/h, le dimensionnement étant fait sur la vitesse maximale de 70 km/h. Pour permettre d’allonger le temps de charge et d’emma- gasiner ainsi le maximum d’énergie, la phase de recharge commence quelques secondes avant l’arrêt complet du véhi- cule, de plus elle se prolonge quelques secondes pendant l’accélération pour bénéficier d’une alimentation directe en phase de traction. La recharge se fait par le biais d’un panto- graphe qui se connecte en aérien à deux conducteurs situés à 4,5 m du sol, donc au-delà du gabarit camion. Le charge- ment peut ainsi atteindre 25 s en restant en temps masqué (sans gêne d’exploitation) et lui permettre d’atteindre sans encombre la prochaine station de chargement. En phase de décélération, l‘énergie de freinage est récupérée par les uni- tés de stockage (en particulier les supercapacités). La perte d’une station de chargement ne devant pas affecter l’exploitation, la batterie peut assurer de façon transparente le service du ou des arrêts séparant le bus d’une station de rechargement d’une autre station active. En cas d’anomalie plus grave ne permettant plus la recharge en ligne, le reliquat d’énergie de la batterie permet encore, avec le cas échéant une accélération réduite, le retour à vide au dépôt. La recharge se fait sur la plage de tension du trolley-bus (600 à 750 VCC) avec des courants de transfert de 200 A environ. Les dimensionnements respectifs des super-capacités et de la batterie tiennent compte des besoins inter-stations ; typiquement de deux à trois kWh/km et des besoins annexes au service impliquant une réserve d’énergie de 10 kWh, qui surviennent deux à trois fois par jour, lors des trajets vers le dépôt notamment. De plus, pour assurer une longue durée de vie de la batte- rie, ces besoins réguliers doivent être couverts sans décharges Figure 3 : Flux d’énergie en phase de charge. Figure 4 : Flux d’énergie en phase de freinage. Figure 5 : Flux d’énergie en phase de traction. 76 REE N°2/2013 LE VÉHICULE ÉLECTRIQUE (2) profondes. Ceci a conduit à des capacités de 20 à 50 kWh pour la batterie et 1 kWh environ pour les super-capacités. L’arrivée en station – Le pilotage automatique Le véhicule reçoit, par contact électrique avec la station, l‘énergie nécessaire au trajet jusqu‘au prochain arrêt équipé du dispositif de rechargement. Il est nécessaire que cette arrivée en station soit gérée avec précision. En conséquence, les véhicules sont équipés d’un système optique d’aide à la conduite, Optiboard®, développé par Siemens, qui guide la manœuvre du conducteur en lui indiquant la loi de com- mande de la trajectoire optimale. Ce système repose sur une lecture optique des informations de positionnement conte- nues dans un marquage au sol aux abords des stations. En dehors des stations, ce système d’assistance à la conduite n’est pas réellement utile. Les conducteurs préfèrent d’ail- leurs demeurer libres de leur conduite. Le moteur électrique Le moteur électrique choisi dans la gamme ELFA® de Siemens est un moteur à aimant permanent de 200 kW, à six enroulements, compact et performant. Son efficacité énergétique est de 97 % sur un large plateau autour de sa vi- tesse de fonctionnement nominale (1 500 t/min). Il s’intègre dans le bus directement sur le pont de l’essieu moteur et est alimenté par des convertisseurs de la gamme ELFA® qui assurent un pilotage souple en vitesse variable. La solution de moteurs de roue n’a pas été retenue car l’insertion de masse importante dans les roues engendre pour les puissances nécessaires à un bus de grande capacité des problèmes de masse non suspendue et d’inertie tournante. La gestion de l’énergie L’optimisation de la gestion de l’énergie est fondamentale pour atteindre les performances visées. Cette gestion s’appa- rente à celle d’un « mini smart grid » piloté par un calcula- teur central. Ce calculateur gère en station le processus de charge et, pendant le trajet, les appels respectifs à la batterie et aux super-capacités, les deux moyens de stockage étant connectés, ainsi que les convertisseurs du moteur, sur un bus d’énergie en courant continu. Le calculateur gère aussi les équipements consommateurs et se réserve la possibi- lité de délester temporairement les équipements non priori- taires, tels que le chauffage. Cette gestion de la répartition de l‘énergie permet d’optimiser le rendement global, d’assurer la disponibilité mais aussi de maximiser la durée de vie des composants. Les résultats escomptés Il est encore trop tôt pour faire état de retours d’expé- rience puisque le système est en cours de développement. Outre la satisfaction des usagers et des riverains, les résultats attendus sont de plusieurs ordres. Modularité, fiabilité, précision L‘efficacité énergétique et la fiabilité du système seront ga- ranties par l‘intégration des composants clés : équipements em- barqués dans le véhicule, stations et équipements de transfert d‘énergie, guidage optique, systèmes de communication entre véhicules et infrastructures, contrôle-commande de l’ensemble incluant les informations relayées vers le poste supervision. Un élément clé du système réside dans les stations de chargement au design modulaire. Optimisées en termes d‘efficacité énergétique, les stations contiennent les équi- pements permettant le transfert de courant avec les meil- leurs rendements et aux meilleures conditions économiques. Construites pour être faciles à installer et à maintenir elles permettent aussi d’alimenter et de relayer les données d’autres fonctionnalités : information en temps réel destinée aux voyageurs, billettique, écran publicitaire, borne Internet… Par ailleurs, la précision d’accostage, nécessaire au dispo- sitif de rechargement, est assurée grâce au système de gui- Émissions Locales Consommation Coût d’acquisition Coût de maintenance Bus Diesel Euro 5 Particules fines et gaz (NOx…) Base 100 (60 l/100 km) Base 100 Base 100 CO2 : Base 100 Bus hybride Particules fines et gaz (NOx…) : réduites 70-80 180 120 CO2 : 75 Bus e-BRT Particules fines et gaz (NOx…) : pas d’émissions 15-20 (200 kWh) 280 30 CO2 : 8 Sur une base 100 pour le bus diesel REE N°2/2013 77 Une solution respectueuse de l’environnement pour les bus à haut niveau de service dage du véhicule, qui permet une approche rapide et précise. Ce guidage assurera également le confort et l‘accessibilité des voyageurs grâce aux faibles lacunes obtenues entre le quai et le véhicule. Conclusion Le système de BHNS tout-électrique est un mode de transport idéal pour les lignes de moyen trafic, à un prix deux à trois fois inférieur à celui d’une ligne de tramway. Ce concept peut être mis en œuvre avec les véhicules de la plupart des constructeurs de bus. Siemens dispose pour ce faire de la maîtrise de la conception et de la réalisation des systèmes intégrés de transport, ainsi que celle des compo- sants clés notamment dans les domaines de la traction élec- trique (bus et camions hybrides, tramways, métros et trains), des unités de stockage d’énergie embarquée déjà mises en œuvre pour l’alimentation des tramways sans caténaires, du guidage des bus et trolleybus. Nicolas Urien est entré chez Siemens en 1997 après des études d’ingénieur à Paris (X, ENPC) et à Munich (TUM). Il se consacre depuis 2001 au domaine des infrastructures pour la logistique et le transport. En 2010, il rejoint les équipes de développement des solutions de métros automatiques légers sur pneus au sein de la Division Rail Systems du Secteur Infrastructure and Cities de Sie- mens France. Il est aujourd’hui responsable produit métros auto- matiques légers du groupe Siemens. Il participe aux démarches de définition des offres Siemens pour les transports routiers élec- triques : le BHNS électrique “e-BRT” et le système d’autoroutes électrifiées “e-Highway”. Nicolas Chanclou a suivi des études en robotique et informa- tique industrielle à l’université de Rennes 1. Il est titulaire d’un DESS en management d’entreprise de l’ESA de Grenoble. Il est entré chez Siemens en 2000. Après une activité centrée sur les projets VAL de Rennes et de Turin, il a rejoint les activités de services, management des projets et ingénierie de maintenance et exploitation, et a mis en place l’activité R&D dans le domaine des services. LES AUTEURS