Comment les différents véhicules utilisent-ils les freins à récupération ?
Artwork : Combien d’énergie les freins régénératifs permettent-ils d’économiser ? Cela dépend du véhicule. Les véhicules grands et lourds qui se déplacent rapidement (comme les trains électriques) accumulent beaucoup d’énergie cinétique, ils obtiennent donc les meilleures économies. Bien qu’ils pèsent moins lourd et se déplacent plus lentement, les camions de livraison qui s’arrêtent et démarrent souvent peuvent également réaliser de grandes économies. Les voitures permettent d’économiser entre 8 et 15 % (selon la voiture et selon qu’elle roule en ville ou sur l’autoroute). Les bicyclettes électriques étant légères et roulant assez lentement, les freins régénératifs ne permettent pas de réaliser de grandes économies. Données : J’ai utilisé des chiffres typiques de milieu de gamme provenant de sources diverses pour les trains (https://goo.gl/J3hZXL), les camions (https://goo.gl/6DRvY5), les voitures (https://goo.gl/UglXby) et les vélos (https://goo.gl/N0w7X3)-mais vous pourriez très bien trouver des valeurs différentes ailleurs.
Différents véhicules utilisent le freinage par récupération de différentes manières.
Voitures et trains électriques
Dans les voitures électriques et hybrides, les freins par récupération chargent la batterie principale, ce qui permet d’augmenter efficacement l’autonomie du véhicule entre deux charges. Les trains électriques, qui sont alimentés par des lignes électriques aériennes ou le long des voies, fonctionnent d’une manière légèrement différente. Au lieu d’envoyer l’énergie de freinage dans les batteries, ils la renvoient à la ligne électrique. Un train électrique moderne typique peut économiser environ 15 à 20 % de son énergie en utilisant des freins régénératifs de cette manière. Certains véhicules utilisent des banques de supercondensateurs pour stocker l’énergie au lieu de batteries.
Vélos électriques
La plupart des vélos électriques n’ont pas de freinage par récupération et ne tirent que peu ou pas d’avantages de son utilisation. Pourquoi ? Un vélo est un véhicule de faible masse et de faible vitesse, il gaspille donc beaucoup moins d’énergie cinétique en s’arrêtant et en démarrant qu’une voiture ou un train (un véhicule de masse élevée et à grande vitesse). La plupart des cyclistes utilisent l’énergie de manière très efficace en roulant en roue libre ou en roue libre jusqu’à l’arrêt, au lieu de freiner à fond, chaque fois qu’ils le peuvent. À moins que vous ne fassiez un nombre effroyable d’arrêts et de départs et que vous pédaliez à des vitesses relativement élevées (si vous êtes livreur, par exemple), l’énergie que vous économisez avec les freins régénératifs d’un vélo électrique sera minime.
Photo : Les vélos électriques n’ont généralement pas de freins régénératifs :à moins que vous ne fassiez beaucoup d’arrêts et de démarrages, vous ne pouvez pas économiser suffisamment d’énergie pour qu’ils en valent la peine.
En fait, les freins régénératifs sur les vélos peuvent finir par consommer plus d’énergie qu’ils n’en économisent. Pour fonctionner efficacement, les véhicules dotés de systèmes de freinage par récupération doivent avoir leurs moteurs électriques (généralement des moteurs de moyeu sur les vélos électriques) engagés en permanence et fonctionnant soit comme des moteurs, soit comme des générateurs, tout le temps.C’est très bien pour une voiture électrique, mais un vélo électrique n’a besoin de sonmoteur qu’une partie du temps : une partie du temps, vous pouvez joyeusement rouler en roue libre.Le fait d’avoir le moteur engagé tout le temps signifie que la bicyclette peut finir par utiliser beaucoup plus d’énergie dans l’ensemble, de sorte que les freins régénératifs peuvent en fait finir par utiliser plus d’énergie qu’ils n’en économisent !Souvent, les freins régénératifs sont ajoutés aux bicyclettes électriques purement comme un gadget de marketing.
Elévateurs
Vous ne pensez peut-être pas que les ascenseurs sont des véhicules électriques, mais ils le sont certainement ! Otis, l’un des principaux fabricants, a présenté le premier ascenseur régénératif, ReGen™, en 2011, affirmant économiser jusqu’à 75 % de l’énergie normalement utilisée. Là où un ascenseur ordinaire gaspille l’énergie de freinage sous forme de chaleur, ReGen la réinjecte dans le système d’alimentation du bâtiment.
Autres types de freins à économie d’énergie
Volants
Les freins régénératifs peuvent sembler très high-tech, mais l’idée d’avoir des « réservoirs d’économie d’énergie » dans les machines n’est pas nouvelle. Les moteurs utilisent des dispositifs de stockage d’énergie appelés volants d’inertie pratiquement depuis leur invention.
Photo : Le volant d’inertie en métal lourd fixé à ce moteur permet de le maintenir à une vitesse régulière. Notez que la majeure partie de la masse métallique lourde du volant d’inertie est concentrée autour de sa jante. Cela lui confère ce que l’on appelle un moment d’inertie élevé : il faut beaucoup d’énergie pour le faire tourner rapidement et pour le ralentir. Cette machine est une exposition dans la salle des moteurs du musée scientifique Think Tank à Birmingham, en Angleterre.
L’idée de base est que la partie rotative du moteurincorpore une roue avec une jante métallique très lourde, et cela entraîne n’importe quellemachine ou appareil auquel le moteur est connecté. Il faut beaucoup plus de temps pour faire tourner un moteur à volant d’inertie mais, une fois qu’il a atteint sa vitesse de croisière, le volant d’inertie stocke une énorme quantité d’énergie de rotation. Un volant d’inertie lourd en rotation, c’est un peu comme un camion qui roule à toute vitesse : il a un élan énorme, ce qui fait qu’il faut beaucoup de temps pour s’arrêter et que changer sa vitesse demande beaucoup d’efforts. Si un moteur (peut-être un moteur à vapeur alimenté par des cylindres) fournit de l’énergie de manière irrégulière, le volant d’inertie compense, en absorbant de l’énergie supplémentaire et en compensant les accalmies temporaires, de sorte que la machine ou l’équipement auquel il est connecté est entraîné plus en douceur.
Il est facile de voir comment un volant d’inertie pourrait être utilisé pour le freinage par récupération. Dans quelque chose comme un bus ou un camion, vous pourriez avoir un volant d’inertie lourd qui pourrait être engagé ou désengagé de la transmission à différents moments.Vous pourriez engager le volant d’inertie chaque fois que vous voulez freiner afin qu’il absorbe une partie de votre énergie cinétique et vous amène à l’arrêt. La prochaine fois que vous démarrez, vous utiliseriez le volant d’inertie pour restituer l’énergie et vous faire repartir,avant de le désengager pendant la conduite normale.Le principal inconvénient de l’utilisation des volants d’inertie dans les véhicules en mouvement est, bien sûr, leur poids supplémentaire.Ils vous font économiser de l’énergie en stockant l’énergie que vous auriez autrement gaspillée dans les freins, mais ils vous coûtent aussi de l’énergie parce que vous devez les transporter en permanence.
Des transmissions avancées qui intègrent des volants d’inertie de haute technologie sont maintenant utilisées comme systèmes régénératifs dans des voitures de formule 1, par exemple, où elles sont généralement appelées systèmes de récupération d’énergie cinétique (KERS).
Photo : Un volant d’inertie magnétique développé par la NASA pour des applications spatiales. Notez, une fois de plus,comment la plupart de la masse est concentrée autour de la jante pour obtenir un moment d’inertie élevé. Photo reproduite avec l’aimable autorisation du Centre de recherche Glenn de la NASA (NASA-GRC).
Les fluides hydrauliques et le gaz comprimé
D’autres types de systèmes régénératifs stockent l’énergie en comprimant un gaz chaque fois qu’un véhicule freine – un peu comme le ressort à gaz d’une chaise de bureau stocke l’énergie lorsque vous vous asseyez dessus. L’énergie peut être libérée et réutilisée en laissant le gaz se détendre (de la même manière qu’un fauteuil de bureau libère de l’énergie lorsque vous enlevez votre poids en laissant le levier de levage déverrouillé). D’autres systèmes (dont l’HydraulicPower Assist ou HPA de Ford) stockent l’énergie de freinage en pompant du fluide hydraulique dans un réservoir.
Qui a inventé les freins à récupération ?
Maintenant, cela peut sembler incroyablement avant-gardiste pour les voitures et les trains électriques d’avoir des freins à récupération, mais un peu de recherche prouve le contraire. Le plus ancien brevet américain pour un train électrique régénératif que j’ai pu trouver est le brevet US 714,196 : Regenerative system by Martin Kubierschky of Berlin, Germany, a été délivré en 1902 et visait à économiser 40 % de la consommation d’énergie habituelle, ce qui est très optimiste. Le premier frein régénératif sur une voiture aurait été mis au point par le Français M.A. Darracq et présenté au Salon du Cycle de Paris en 1897.Tout comme un système régénératif moderne, il renvoyait l’énergie de freinage à la batterie pour prolonger l’autonomie de la voiture (qui n’était que de 48 km ou 30 miles), mais revendiquait une très surprenante économie d’énergie de 30 % (environ trois fois plus que l’équivalent moderne).
Quel est l’intérêt ?
Quel que soit leur fonctionnement, tous les systèmes de freinage régénératif ont un point commun : ils nous aident à utiliser l’énergie plus judicieusement. In a world where fuel is becoming ever morecostly, and environmental concerns are mountingby the day, that can only be a good thing!
