Quelles solutions techniques pour les futurs bus urbains? Quelles sont les options viables? Si les pistes de recherche sont nombreuses, trois facteurs stratégiques décideront de l’avenir: le prix de l’énergie, les émissions polluantes à supprimer, et les politiques publiques.
Les chocs pétroliers puis les normes antipollution tendent à pousser les constructeurs vers d’autres énergies. Initialement voulu par les collectivités pour “rouler plus propre”, le gaz a commencé à faire son apparition sur les bus urbains il y a une dizaine d’années. Pour les constructeurs, ce carburant offre plusieurs avantages: il permet de franchir rapidement et aisément les normes de dépollution les plus sévères et, surtout, ne remet pas en cause les investissements consentis précédemment dans les outils de production! Ainsi, un moteur Iveco Cursor CNG se distingue-t-il principalement de son équivalent diesel par la culasse et le traitement de certains composants (soupapes, pistons) qui doivent supporter des températures de combustion plus élevées qu’avec un moteur diesel. Tous les motoristes (Evobus, Irisbus, Volvo Bus, Daf, Man) s’intéressent donc à cette voie. Le mode de fonctionnement est toutefois différent puisqu’il s’agit ici d’un moteur à allumage commandé (cycle Otto, comme pour un moteur à essence) et non plus spontané (cycle diesel). Cummins travaille actuellement sur un moteur à gaz naturel fonctionnant sur le principe du diesel. L’intérêt est de faire fonctionner ce moteur en mélange pauvre (comme le HCCI, à compression à charge homogène), mais on ne sait pas encore quand il sera en mesure d’être produit en série.
Si le méthane est “propre”, c’est parce qu’il contient chimiquement moins d’atomes de carbone et davantage d’atomes d’hydrogène que le gazole (CH4: soit 1 atome de carbone pour 4 atomes d’hydrogène). De plus, le gaz naturel n’impose pas de raffinage coûteux et surtout est exempt de soufre et de composés organiques volatiles cancérigènes. Sa nature gazeuse améliore la préparation du mélange car il ne se condense pas sur les conduits d’admission ou dans les chambres de combustion. De plus, ce carburant a un indice d’octane particulièrement élevé (130 RON contre 95 pour l’Eurosuper), ce qui permet des taux de compression importants. Comme le moteur diesel, il s’accommode très bien de la suralimentation.
Reste un handicap: l’encombrement des bouteilles de gaz! À contenu énergétique égal, le GNV exige un volume de stockage quatre fois supérieur à celui d’un carburant liquide. Cela impose d’adapter la carrosserie et le châssis pour conserver une autonomie suffisante, mais les carrossiers maîtrisent maintenant bien cette contrainte. Malgré ce handicap, c’est une des pistes privilégiées par les constructeurs pour l’après Euro 5. Des recherches sont en cours pour faire du stockage liquide, moins volumineux, mais à court terme cette option est peu envisageable pour des véhicules, car il faudrait le stocker à − 162 oC.
Est-ce à dire que le moteur diesel est condamné dans les réseaux urbains? Certainement pas. À court terme, des améliorations sont attendues au niveau des composants: au premier rang desquels le système d’injection. Scania s’apprête à commercialiser avec Cummins le procédé XPI permettant d’atteindre les 2 000 bars de pression à l’injecteur. Ce système permet une diffusion extrêmement fine du combustible, et donc réduit les consommations et les émissions de suies.
Pour améliorer la réactivité du système d’injection et mieux connaître l’état de la combustion, Siemens VDO travaille sur des capteurs en céramique placés dans les bougies de préchauffage.
À Arbon en Suisse, Iveco Motorenforschung planche sur des turbocompresseurs à commande électrique. L’idée est de supprimer totalement le temps de réponse du turbocompresseur pour le faire fonctionner comme un compresseur mécanique, sans les pertes dues à l’entraînement d’un tel organe. À haut régime, quand le volume de gaz est suffisant pour entraîner la turbine, ce turbo pourrait devenir générateur et compléter, voire suppléer l’alternateur. Man, en partenariat avec Voith, a déjà intégré un ralentisseur hydrodynamique au moteur, en profitant du circuit de refroidissement, ce qui permet un gain sensible de poids (un quintal environ). Tous les motoristes travaillent aussi sur la distribution variable, soit avec un arbre à cames traditionnel, soit sans arbre à cames. L’objectif est de moduler le taux de recyclage des gaz d’échappement dans la chambre de combustion pour réduire à la source les émissions d’oxydes d’azote.
Les “périphériques” moteurs font aussi l’objet d’améliorations: les compresseurs d’air débrayables ou à gestion électronique font peu à peu leur apparition. Les équipementiers travaillent aussi à l’optimisation du circuit de refroidissement avec des pompes à eau électriques qui ne font circuler le liquide de refroidissement que lorsque le bloc moteur a atteint la température de fonctionnement. Pour la génération électrique de bord, la pile à combustible s’avère prometteuse, certainement plus que pour la propulsion du véhicule (voir encadré). En effet, l’éclairage, le chauffage ou la climatisation consomment une quantité d’énergie qui est aujourd’hui générée par le moteur. Or, 100 W de génération électrique représente une surconsommation de 0,1 l/100 km.
À plus long terme, des universités et des laboratoires de recherche s’intéressent déjà au cycle HCCI (moteur à compression à charge homogène). Il s’agit d’un moteur à compression à mélange pauvre (sans bougies). L’idée est de réduire drastiquement les émissions de particules et d’hydrocarbures imbrûlés. Le souci, c’est que son principe de fonctionnement est très proche du… cliquetis, phénomène destructeur s’il en est. Toute la difficulté est d’obtenir une inflammation homogène du mélange au moment voulu. Chose qui n’est pas aisée dans le cas d’un d’autobus soumis à d’incessantes variations de régimes et de charge moteur. L’IFP (Institut français du pétrole) planche actuellement sur différents profils de chambres et systèmes d’injection permettant de résoudre ce problème.
Autre axe de recherche: l’hybridation. La filière s’annonce prometteuse. Volvo Buses défend l’option de l’hybride parallèle avec des moteurs électriques et diesel qui fonctionnent alternativement ou de concert en fonction des besoins.
Selon le constructeur, les gains obtenus sont importants: − 30 % en consommation, et − 50 % en terme d’émissions polluantes (valeurs comparées avec un moteur Euro 4 sur un parcours urbain équivalent). Le décalage entre consommation et dépollution tient au fait que le moteur diesel ne fonctionne que lorsqu’il est à son optimum de rendement. Pour les phases de ralenti ou en ville, il passe automatiquement en mode stop and go. Selon Eward Jobsson, responsable environnement au sein de Volvo Buses, cela implique une conception qui parte de la chaîne cinématique. La maîtrise de la boîte et de l’embrayage est ici fondamentale.
Voilà qui ouvre de belles perspectives aux spécialistes de ce domaine comme ZF. Volvo va tester en 2008 cette hybridation à Londres, avant d’envisager éventuellement une commercialisation fin 2009. Valéry Cervantes, directeur des affaires publiques chez Iribus, se veut plus prudent: “L’hybridation a de l’avenir en urbain, mais il n’y a pas encore de modèle économique. La tendance à la hausse du prix des énergies fossiles va inéluctablement renforcer l’impact du chapitre consommation.” Reste une inconnue: quelles seront demain les politiques publiques en matière de financement de transports urbains?
Vanté dans les années 1930 comme un transport d’avenir, le trolleybus a ensuite été délaissé dans les pays d’Europe de l’Ouest. La mode récente du tramway, très "politiquement correcte" et habilement entretenue par les géants du ferroviaire, l’a placé au second plan. Pourtant aujourd’hui, tous les constructeurs présents sur ce marché notent un regain d’intérêt pour le trolleybus. Certes, il est nettement plus coûteux qu’un autobus conventionnel, mais beaucoup moins qu’un véhicule sur rail ou qu’un autobus à hydrogène. Comme le fait remarquer Man, la durée de vie d’un trolleybus est également beaucoup plus longue (au minimum 20 ans dans la plupart des réseaux). Des villes comme Lecce et Parme en Italie, ou Valencia en Espagne ont franchi le pas et se sont équipées.
Le démantèlement des réseaux bifilaires est aujourd’hui interrompu (cf. Grenoble ou Marseille qui n’exploitent plus de trolleybus mais ont laissé les installations aériennes).
Les arguments en faveur du trolley sont nombreux, et comme on le fait remarquer chez Van Hool (qui travaille avec Kiepe pour la chaîne cinématique) "c’est une solution réaliste car fiable et bien connue".
Pour Valéry Cervantes d’Irisbus, "dès à présent, le coût kilomètre est trois fois moins cher qu’avec le gazole et cela malgré la hausse du Kw / h." De plus, les progrès dans les supercondensateurs permettent d’optimiser le rendement énergétique de ces véhicules, surtout lors des phases de ralentissement (freinage à récupération d’énergie). L’électricité devrait se développer pour le transport terrestre, en particulier en ville, car l’aérien et le maritime sont, eux, totalement liés aux énergies fossiles. Alors que manque-t-il au trolleybus?
D’être à la mode dans les milieux politiques, tout simplement!
Tout le monde parle de l’hydrogène comme d’une solution d’avenir. Pourtant, il existe une certaine gêne chez les constructeurs interrogés à ce sujet. S’ils sont tous prompts à montrer des prototypes roulant à l’hydrogène, la réalité est tout autre.
Chez Irisbus par exemple, on estime que la pile à combustible est actuellement irréaliste en raison de la quantité de platine qu’elle requiert aujourd’hui. Même analyse chez Volvo Buses, où l’on considère que la pile à combustible à membrane n’est pas viable. En revanche, d’autres filières sont à l’étude sur le plan expérimental, et le Suédois travaille sur des piles à combustible à "oxydes solides" compatibles avec les biocarburants.
Man évoque quant à lui l’utilisation de l’hydrogène comme carburant. Se posent alors d’autres problèmes: le stockage de l’hydrogène? Ce gaz est extrêmement volatile et inflammable.
S’il est stocké sous forme gazeuse, les réservoirs sont à 700 bars de pression, et pour obtenir un liquide, il faut atteindre − 253 oC pour éviter toute évaporation. Quid du réseau de distribution et de production de l’hydrogène? Aujourd’hui, sa production industrielle se fait à partir du gaz naturel! L’usage d’hydrogène comme carburant, s’il ne produit pas de CO2 lors de sa combustion, rejette d’importantes quantités d’oxydes d’azote, et impose donc un post-traitement des gaz d’échappement. Bref, la propulsion à l’hydrogène appartient encore au domaine expérimental. Pour des puissances plus faibles, la pile à combustible présente en revanche des avantages pour un autobus ou un autocar. Elle permet de découpler la production électrique de la charge moteur, et donc d’alimenter le chauffage ou la climatisation moteur coupé. C’est peut-être par ce biais qu’elle fera durablement son apparition dans le transport de voyageurs, sous la forme d’une génératrice auxiliaire de puissance (APU suivant la terminologie aéronautique).