Évaluation des technologies pour une amélioration de l'économie de carburant des véhicules légers

Assessment of Technologies for Improving Fuel Economy of Light-Duty Vehicles

Dr. Peter Frise

La Société royale du Canada est heureuse de diffuser auprès de ses membres un nouveau rapport d’un groupe d'experts produit par the National Academies (United States). Le rapport intégral est disponible en ligne.

Le Professeur Peter Frise, PhD, a gracieusement fourni une perspective canadienne sur ce rapport et nous explique tout l’intérêt qu’il représente pour le Canada et les Canadiens. Établi à Windsor, en Ontario, Le Prof. Frise travaille avec de nombreuses entreprises automobiles en tant que Directeur scientifique et PDG d'AUTO21, qui est appuyé par les Réseaux de centres d'excellence, le programme de recherche et développement en automobile du Canada. 

Depuis 2001, AUTO21 a conclu des partenariats avec plus de 500 éminents chercheurs canadiens et avec plus de 450 entreprises et organisations du secteur privé et public. AUTO21 et ses partenaires ont achevé des études scientifiques dans le domaine automobile d'une valeur supérieure à 140 millions de dollars, et ont produit près de 315 brevets, licences et accords de commercialisation. 

Évaluation des technologies pour une amélioration de l'économie de carburant des véhicules légers : Une perspective canadienne

Les préoccupations liées à la production de gaz à effet de serre (GES), au réchauffement climatique, à l'épuisement des ressources non renouvelables et à la sécurité énergétique ont favorisé le déploiement d'efforts considérables pour réduire la consommation de carburant des véhicules. Étant donné que le secteur automobile est intégré dans le marché mondial, il relève de la mission du gouvernement de réduire les émissions de dioxyde de carbone (CO2), ainsi que la consommation de carburant de presque tous les pays industrialisés (voir figure 1). 

Figure 1

Évolution de l'industrie automobile mondiale – Nouvelles normes en matière d'environnement et de sécurité

Tous les secteurs industriels sont en  concurrence pour offrir une meilleure qualité à moindre coût à leurs clients. L'industrie automobile mondiale est influencée par les trois facteurs clés suivants :

  • désirs des consommateurs - types de véhicules que les gens veulent acheter;
  • réglementations gouvernementales – exigences à l'égard de l'industrie pour être admissible au marché;
  • impératifs du secteur – facteurs indispensables à la compétitivité d'une entreprise.

Ces contraintes ont toujours existé, mais depuis 2010 et jusqu’à 2025, l'industrie automobile doit faire face à de nouveaux défis uniques. Pour être vendus sur le marché, les modèles de véhicule doivent répondre à certains critères de sécurité et à certaines normes en matière d'émission de gaz d'échappement. En outre, les véhicules vendus par un constructeur automobile doivent satisfaire aux exigences toujours plus strictes en matière d'émission de gaz à effet de serre (GES). Les États-Unis règlementent les économies de carburant et les émissions de GES (lesquelles sont étroitement liées par la chimie de la combustion) par le biais d'une norme sur les économies de carburant, connue sous le nom de « corporate average fuel economy » [économies de carburant moyennes des entreprises] ou CAFE. [3].

Les progrès en vue de satisfaire la norme 2025 sont en bonne voie au moment de la rédaction de cet article (été 2015), et s’intensifieront dans les années à venir. Toutefois, nombre d’experts de l’industrie ont précisé que les mesures les plus simples en matière de réduction de la consommation de carburant ont déjà été trouvées ou sont sur le point de l’être, et le chemin vers la prochaine phase d’améliorations de 2022 à 2025 est bien plus incertain. Pour cette raison, le gouvernement américain a entrepris une importante révision de mi-mandat des normes en matière d’économie de carburant conjointement avec l’industrie afin de finaliser les règlementations 2022-2025.

La NHTSA - Études des Académies nationales américaines sur les technologies automobiles

Les Académies nationales des États-Unis ont été mandatées par le Département des Transports des États-Unis via la National Highway Traffic Safety Administration (NHTSA) pour réaliser une série d'études visant à évaluer l'impact des technologies automobiles sur la consommation de carburant. L'objectif de ces études est d'aider à concevoir la règlementation du CAFE et de s'assurer que le soutien public de la recherche et du développement est correctement ciblé et contribue à garantir la compétitivité du secteur américain de l'automobile. 

Une étude a été publiée en 2011 [4] et, plus récemment, une mise à jour (juin 2015) [1] a été fournie par un groupe de 18 experts de l'industrie et du monde universitaire afin d'étudier la gamme complète de technologies automobiles : groupe motopropulseur (tous types de moteurs, réservoirs carburant, systèmes électriques et hybrides de propulsion, technologies de transmission et matériels auxiliaires tels que les systèmes de régulation de climatisation à basse consommation et l’ajout de fonctions de mise en veille  aux véhicules existants), matériaux de résistance conçus pour réduire le poids, méthodes de fabrication requises et aspects de la chaîne logistique de telles améliorations. Les études incluent également l'estimation du coût des activités de recherche et développement requises pour commercialiser les technologies et le coût éventuel de l'achat de ces nouveaux véhicules sophistiqués pour le consommateur. Bien que beaucoup d'efforts aient été consacrés au développement de ces estimations de coûts, le fait est que ces dernières sont souvent erronées et que les valeurs réelles peuvent évoluer avec le temps en raison de changements de tarifs des produits clés (par exemple, l’aluminium, le platine et le magnésium, ainsi que les matériaux pour batterie tels que le lithium et autres terres rares). Pour répondre aux nouvelles normes CAFE, ces matériaux avancés seront nécessaires, mais leur prix échappe bien souvent au contrôle de l’industrie de la fabrication automobile.

Autre facteur, et peut-être le plus important, les progrès techniques réalisés pour trouver des moyens de produire de nouvelles technologies de qualité supérieure à moindre coût. Les ingénieurs, tous secteurs confondus, œuvrent constamment à améliorer la productivité, et certains secteurs ont enregistré des progrès plus importants que l'industrie automobile au fil des décennies. Pour le vérifier, il suffit de comparer le coût d'un véhicule familial typique d'aujourd'hui au coût d'un véhicule similaire il y a 25 ans. Le prix en dollars est quasiment identique, mais le véhicule moderne a évolué pour gagner en sécurité, en confort et en performance, et est bien plus durable et efficace.

Toutefois, cette tendance est difficilement soutenable, car l'industrie automobile peine à commercialiser de nouvelles technologies en raison des profondes améliorations requises pour satisfaire les normes CAFE 2025. Il est possible que les prix baissent au fil du temps, mais l’on s’attend à ce que la nouvelle génération de véhicules (c.-à-d. conformes aux normes 2025) soit beaucoup plus onéreuse que les véhicules actuels. Si tout le monde s’accorde à dire que les prix des véhicules augmenteront du fait du respect des normes CAFE [5], l'ampleur de ces augmentations de prix fait l’objet d’un vif débat entre le gouvernement et l'industrie.

Principales conclusions de l’étude des Académies nationales américaines 2015

Les principales conclusions de l’étude la plus récente menée par les Académies nationales américaines [1] peuvent être résumées ainsi :

  • Le coût des véhicules futurs augmentera et, bien que certaines estimations du gouvernement américain semblent réalistes, d’autres ne le sont pas. Par conséquent, les points de vue sur l’ampleur exacte des augmentations de prix des véhicules conformes divergent considérablement.
  • Les moteurs à combustion interne à essence continueront de dominer le marché des véhicules légers dans un avenir prévisible (certainement au-delà de la période étudiée 2025-2030).
  • Les ventes des différentes formes de véhicules à propulsion électrique (batterie, hybride, etc.) continueront de croître, probablement en fonction du prix de l’essence. Cependant, elles continueront de représenter une petite part du marché par rapport aux véhicules plus conventionnels.
  • Les questions de coût, de performance et de durabilité de la technologie de batterie sont des variables clés de la propulsion électrique, c’est pourquoi elles demandent d’importants efforts.
  • Il est probable que la tendance récente relative à l'augmentation du nombre de rapports de réduction (c.-à-d., des boîtes de transmission à 6-7-8, voire 9 vitesses) ne se poursuive pas, puisque le nombre de 7 vitesses est considéré comme optimal. Cependant, l'attention accrue accordée à la réduction des frottements internes et des pertes parasitiques entraînera des réductions de consommation de carburant notables.
  • Le poids de la structure des véhicules diminuera grâce à l'utilisation de méthodes de conception avancées, de matériaux à plus faible densité (métaux et non-métaux) et de nouvelles méthodes de fabrication. Ces efforts sont très importants, car ils permettront de réduire la consommation de carburant de tous les véhicules, quels que soient leur taille ou le type de groupe motopropulseur qu'ils utilisent.

Une perspective canadienne – En quoi le CAFE nous affecte-t-il?

Évoluant dans un marché automobile nord-américain intégré, le Canada a aligné ses normes d'émission des nouveaux véhicules sur celles de l'Agence américaine de protection de l’environnement (EPA). De par cet alignement et l'ampleur relative du marché américain, les véhicules vendus au Canada sont tenus de satisfaire aux exigences américaines. Les dernières normes en matière de GES seront encore plus strictes d'ici à 2016, après plus de 20 ans de quasi-inaction. À compter de 2017, les normes se renforceront un peu plus chaque année jusqu'en 2025 [3]. Ces normes sont hautement complexes et différentes valeurs s'appliquent aux divers types de véhicules. En outre, il existe des crédits pour l’inclusion de différents types de technologies, mais les objectifs règlementaires clés applicables aux véhicules particuliers sont résumés ci-dessous.

  • Norme 2010 ~ 8.5 l/100 km (33 mpImp.g) – norme actuelle;
  • Norme 2016 ~ 5.5 l/100 km (51 mpImp.g) - une réduction de 35 % par rapport à la norme 2010;
  • Norme 2025 ~ 4.2 l/100 km (~ 67 mpImp.g) – une réduction potentielle de 23 % par rapport à 2016.

Ces améliorations considérables en matière de consommation de carburant entre 2010 et 2025 entraîneront une consommation deux fois moins importante en termes de l/100 km ou de miles par gallon. Une transformation de cette ampleur ne peut être possible que par le développement d'une toute nouvelle génération de technologies destinées à la conception de véhicules. Chaque composant du véhicule du futur doit s'appuyer sur les dernières technologies dans le domaine des groupes motopropulseurs, des structures légères, de l'électrisation et bien d'autres, afin de parvenir à une réduction de la consommation de carburant.

Tout aussi importantes sont les exigences des consommateurs, des défenseurs de la sécurité et des gouvernements qui demandent l'amélioration de la protection des passagers et la réduction de la charge de travail du conducteur afin de diminuer le coût sanitaire et social des accidents de la route. Les nouvelles règlementations en matière de santé et les essais de véhicules grand public continueront de renforcer le besoin de structures à la fois plus solides et plus légères. Les constructeurs automobiles doivent mener à bien une tâche difficile et répondre aux besoins des consommateurs pour des systèmes de guidage routier passifs et actifs évolués, tels que les avertisseurs de sortie involontaire de voie et de risque de collision à l'avant. Les consommateurs exigent également des systèmes d'information embarqués avancés qui réduisent la charge de travail du conducteur grâce à un système de guidage routier, à des bulletins sur l'état des routes et à des alertes d'urgence. Ces systèmes sont activés par des technologies de communication de véhicule à véhicule et de véhicule à infrastructure. Ces progrès doivent être réalisés sans pour autant compromettre le confort des passagers, la durabilité des véhicules ou le plaisir de conduite, et doivent répondre aux dures règles de la concurrence du secteur automobile mondial, dans lequel coût et qualité sont les maîtres mots. 

Les principales conséquences de ces facteurs sur le Canada et sur l'industrie canadienne de l'automobile sont dues aux faits suivants :

  • 70 à 85 % des composants d'un véhicule moderne - et des technologies à la base de ces composants (en particulier les composants autres que ceux du groupe motopropulseur) - sont développés et fabriqués par des fabricants de pièces détachées et non par les constructeurs automobiles eux-mêmes;
  • Il faut parfois jusqu'à 10 ans avant qu'une nouvelle technologie (en particulier l’application d’un nouveau matériel résistant ou d'une technologie de fabrication) passe du stade de recherche et développement à celui de commercialisation. Par conséquent, il ne reste que deux cycles de 5 ans de développement des produits avant que la norme CAFE soit intégralement appliquée en 2015.

Ainsi, bien que peu, voire aucune, des grandes décisions relatives à la consommation de carburant (en particulier aux technologies du groupe motopropulseur, y compris les batteries de véhicules électriques) seront prises par les filiales canadiennes des constructeurs automobiles mondiaux, la contribution des principaux constructeurs canadiens de pièces détachées pourrait avoir un effet notable sur l'avenir des véhicules, à la seule condition que ces entreprises soient capables de développer assez rapidement de nouvelles technologies. Les retombées des technologies canadiennes se ressentiront probablement dans le domaine des matériaux légers, et dans les innovations de fabrication nécessaires pouvant être intégrées au segment des pièces détachées de l’industrie automobile.

Il convient de noter que ces développements doivent être mondialement compétitifs en raison de l'intégration de l'industrie automobile canadienne avec ses homologues étrangers et de la nécessité de réaliser des économies d'échelle sur le plan mondial. Par conséquent, tout effort déployé pour développer des normes ou technologies canadiennes uniques serait peu judicieux et contribuerait à augmenter le prix d’achat des véhicules pour les consommateurs canadiens, entravant ainsi l’adoption de nouveaux véhicules plus propres et plus sûrs. 

REFERENCES

  1. Cost, Effectiveness and Deployment of Fuel Economy Technologies for Light-Duty Vehicles, National Research Council of the National Academies, The National Academies Press, Washington DC, ISBN 978-0-309-37385-2, 2015. http://www.nap.edu/catalog/21744/cost-effectiveness-and-deployment-of-fuel-economy-technologies-for-light-duty-vehicles
  2. Kasab J.J. and N. Jackson 2012,  Greenhouse Gas Reduction Potential.  Estimations for Light-Duty Vehicle Technologies in 2020–2025,  ICCT International workshop, Brussels, 1 Feb 2012, www.theicct.org/sites/default/files/Ricardo_presentation_1feb12.pdf;
  3. Corporate Average Fuel Economy for MY 2017-MY2025 Passenger Cars and Light Trucks – Final Regulatory Analysis (FRIA) document, US National Highway Traffic Safety Administration (NHTSA), Office of Regulatory Analysis and Evaluation, Washington DC, August 2012. www.nhtsa.gov/staticfiles/rulemaking/pdf/cafe/FRIA_2017-2025.pdf
  4. Assessment of Fuel Economy Technologies for Light-Duty Vehicles, National Research Council of the National Academies, The National Academies Press, Washington DC, ISBN 978-0-309-15607-3, 2011. http://www.nap.edu/catalog/12924/assessment-of-fuel-economy-technologies-for-light-duty-vehicles
  5. CAFE 2025: Finding Robust Alternatives to Weather Unexpected Technology Costs, industry report on technology costs of meeting 2025 CAFE standards, Scenaria Incorporated, Plymouth Michigan, 2012. http://www.slideshare.net/JoelWenger1/scenaria-perspective-2025-cafe-costs