Sommaire

Chapitre 1 : Enjeux écologiques

Chapitre 2 : Comparaisons de différentes solutions pour le vélo à assistance

2.1 : Stockage de l’énergie

2.1.1 : VAE (Vélo à Assistance Electrique)

2.1.2 : VAP (Vélo à Assistance Pneumatique)

2.2 : Motorisation et gestion d’énergie

2.2.1 : VAE (Vélo à Assistance Electrique)

2.2.2 : VAP (Vélo à Assistance Pneumatique)

2.3 : Synthèse

Chapitre 3 : Quelles performances peut-on attendre d’un vélo à assistance ?

3.1 : Puissance et Vitesse

3.2 : Estimation de l’autonomie

Chapitre 4 : Composants pour un vélo à assistance

4.1 : Volume du réservoir

4.2 : Sélection d’un moteur à palette

Chapitre 5 : Conclusion et perspectives

Tableau des références

Chapitre 1 : Enjeux écologiques

La pollution de l’air est une préoccupation majeure de notre siècle. Elle est due en particulier au rejet de CO2 par les moyens de transport. Dans un pays développé comme les Etats-Unis, il y a, en moyenne, 4 voitures pour 5 habitants ; tandis que dans un pays émergeant comme la Chine, il y a, en moyenne, 24 voitures pour 1000 habitants. Si le taux d’équipement de la Chine devait atteindre celui des Etats unis, il y aurait 1 milliard de véhicules de plus, juste pour ce pays.

Le taux de pollution dans le monde est préoccupant, c’est notre avenir qui est en jeu, nous devons trouver des solutions pour résoudre ce problème.

Actuellement, nous utilisons beaucoup de moyens de transports plus ou moins polluants. Le vélo est un moyen de transport écologique adapté aux trajets courts, notamment urbains. Il présente l’avantage de réduire le trafic routier et permet une mobilité individuelle importante qui est un élément de confort de la vie moderne ; l’usager n’est pas soumis aux contraintes horaires des transports en commun.

Le tableau ci-dessous suivant nous montre que le vélo est particulièrement pertinent en agglomération. [1]

Malgré une vitesse moyenne réduite, le vélo diminue les temps de transports en ville par rapport aux voitures particulières et aux moyens de transports en commun, dans la mesure où il est moins sensible aux aléas de la circulation et qu’il permet de se rapprocher le plus près du point de destination.

Néanmoins le vélo présente des inconvénients :

- D’après, l’Agence de l’Environnement et de la Maitrise de l’Energie (ADEME), 17 % des Français pensent que les intempéries et le climat sont des obstacles à l’utilisation du vélo. [1]

- Différentes études montrent que le vol est l’un des principaux freins à l’utilisation du vélo comme mode de déplacement quotidien. [1]

- La nécessité de fournir un effort physique surtout pour aborder les montées est également une contrainte.

Il existe des solutions à ces désagréments :

- Pour les contraintes météorologiques, des couloirs couverts peuvent être aménagés où les vélos peuvent être équipés d’équipements de protections.

- Le souci du vol, des détériorations, de la disponibilité et du stationnement sont résolus dans les grandes villes comme Paris, par un réseau de vélostations (Vélibe).

- Le moyen pratique de diminuer les efforts physiques est d’utiliser un vélo à assistance. Le vélo à assistance tel que défini par les textes de lois, ne nécessite pas de permis ou de licence particulière. Il n’oblige pas au port d’un casque ; en contrepartie, sa vitesse est limitée à 25 km/h (ce qui ne constitue pas vraiment une contrainte en milieu urbain), la puissance de son moteur est limitée à 250 W et son démarrage doit être commandé par une action sur le pédalier. [2]

Pour ne pas augmenter la pollution, il faut bien sûr que l’énergie des vélos à assistance soit produite de manière écologique. Nous étudierons particulièrement le vélo à assistance pneumatique (VAP) dont il n’existe que quelques prototypes non industriels, en le comparant au vélo à assistance électrique (VAE) maintenant largement commercialisé. L’électricité contenu dans les batteries ou l’air comprimé utilisé pour la propulsion pneumatique, peuvent être produites à partir d’éoliennes, de panneaux solaires ou éventuellement grâce à l’énergie nucléaire non génératrice de gaz à effet de serre.

Chapitre 2 : Comparaison de différentes solutions pour le vélo à assistance

Les VAP et les VAE possèdent des caractéristiques communes. Hormis les organes standards d’un vélo, ils sont équipés d’un organe de stockage d’énergie électrique ou pneumatique, d’un actionneur qui la convertit en énergie mécanique et de dispositifs de gestion pour en réguler la consommation. Nous allons examiner ces organes en termes de performances, de technicité et d’impact environnemental.

- 2.1 Stockage de l’énergie

2.1.1 VAE

Pour le VAE, l’énergie électrique est stockée dans des batteries. Les pesantes batteries au plomb sont maintenant remplacées par des batteries au lithium-ion plus légères. Ces produits élaborés font l’objet de nombreuses recherches pour en réduire encore le coût et le poids.

Actuellement, la densité massique d’énergie stockée dans une batterie au lithium-ion est comprise entre 100 et 200 Wh/kg pour les plus performantes soit entre 36 kJ/kg et 72 kJ/kg.

La densité volumique d’énergie stockée dans une batterie au lithium-ion est comprise entre 200 et 400 Wh/L soit 72 MJ/m³ et 144 MJ/m³.

On reprochait aux premières batteries au lithium (métal) d’être dangereuses. L’oxyde de lithium est toxique. Les nouvelles générations de batteries au lithium-ion éliminent ce risque et sont maintenant recyclables à 98 %. Les batteries sont broyées mécaniquement avant l’opération de séparation magnétique des composants. Le broyage élimine le papier, le plastique et l’acier qui emprunteront le circuit des filières de valorisation. Pour le cuivre, le cobalt et le lithium, ils sont récupérés par le biais d’un traitement chimique.

La recharge des batteries s’effectue entre 3 et 6 heures. Leur durée de vie est d’environ 2 à 3 ans pour 600 recharges.

La recharge se fait avec un chargeur électrique dont la fonction est de ramener la tension des prises de courant domestique à celle de la batterie et de contrôler l’intensité de charge.

Le poids de cet équipement est faible, il peut donc être transporté avec le VAE, si une prise de courant suffit à la recharger en quelques heures. Un échange de batterie est aussi une possibilité pour réduire l’immobilisation du véhicule.

Comme pour la charge, la vitesse de décharge est limitée, une décharge rapide s’effectue en une heure maximum environ, ce paramètre limite la puissance instantanée disponible.

Les batteries sont caractérisées par leur tension U exprimée en Volts (V) et leur capacité C en Ampères-heures (Ah). L’énergie stockée E en Joules (J) est donnée par la formule :

E = U x C x 3600

A titre d’illustration, Matra Sport [3] équipe ses vélos de batteries de 24 V et de 8,5 Ah. Ce qui correspond à une énergie de :

E = 24 x 8,5 x 3600 = 730 kJ

Le tableau ci-dessous nous montre les caractéristiques du système de motorisation du VAE ci-dessus, qui comporte une batterie 730 kJ et un moteur de 250 W.

2.1.2 VAP

Pour le VAP, l’énergie pneumatique doit être stockée dans un réservoir. Le vélo à assistance pneumatique n’étant pas commercialisé, nous prendrons comme première référence de calcul, les bouteilles d’air comprimé de plongée sous marine. Celles-ci sont remplies à une pression de 230bar soit 23MPa. Elles sont constituées d’une coquille métallique en aluminium ou en acier. Elles sont donc très facilement recyclables et présentent une durée de vie longue.

Les réservoirs d’air comprimé sont caractérisés par leur pression de service P exprimée en Pascal (1bar = 10⁵Pa) et leur volume (V) en m³. L’énergie stockée E en Joules (J) est donnée par la formule :

E = P x V

En pratique, on ne peut pas vider entièrement le réservoir, donc il reste une quantité d’énergie stockée dans celui-ci et l’énergie réellement utilisable est donnée par la formule :

E = (Pr – Pf) x V

Avec Pr, la pression de remplissage et Pf, la pression finale.

A titre d’illustration, la bouteille de plongée Beuchat de 15 L pèse 19 kg [4] et permet de disposer d’une énergie de :

E = (230 – 1) x 10⁵ x 15 x 10^-3 = 343 kJ

La densité massique d’énergie stockée dans cette bouteille est de 18.5 kJ/kg (soit 50Wh/kg) et une densité volumique de 25MJ/m³ (soit 70Wh/L).

La recharge du réservoir peut s’effectuer à partir de réservoirs tampons de plus grandes capacités en 2 minutes qui pourraient être placés en ville dans des vélo-stations. Ce type de réservoir peut être rempli aux heures creuses et donc à moindre coût ou encore selon l’ensoleillement ou l’activité éolienne.

Au domicile, un compresseur électrique de 2.2 kW, utilisé pour la recharge de bouteille de plongée assure le remplissage d’une bouteille de 15 L en 30 minutes.

Bouteille de plongée Beuchat et Compresseur Bauer [5]

Compresseur Bauer Junior II-W (puissance électrique 2.2 kW - volume : 110 L - poids : 46 kg)

La durée de vie d’une bouteille est supérieure à 20 ans. La règlementation exige une épreuve (essai à une pression supérieure) tous les 5 ans.

Les recherches actuellement menées pour le stockage de l’hydrogène pour les piles à combustible font évoluer les performances des réservoirs comme le montre le graphique suivant  [6] :

Pour le poids de la bouteille Beuchat, un réservoir en plastique/carbone supporte une pression multipliée par un facteur 3.3 soit 750bar.

Une pression de 750bar permettrait d’atteindre une densité massique de 61kJ/kg et une densité volumique de 81MJ/m³ équivalant à celles des batteries lithium-ion de performance moyenne.

- 2.2 Motorisation et gestion d’énergie

2.2.1 VAE

Un VAE est équipé d’un moteur électrique piloté par une électronique adaptée et capable aussi de fonctionner en générateur lors des phases de freinage (descentes en particulier).

Sur les VAE modernes, les moteurs brushless (sans balai) ont remplacé les moteurs traditionnels à balais. L'emploi de ce type de moteur a été rendu possible par les progrès en électronique de puissance. La commutation des pôles magnétiques est assurée par un contrôleur électronique qui régule la vitesse du moteur et la puissance transférée en optimisant le rendement énergétique.

Moteur brushless à rotor externe [2].

Le rendement de ce type de moteur électrique avec son électronique de commande atteint 90 %.

L’électronique permet également de recharger la batterie en utilisant le moteur comme générateur. L’énergie récupérée est de l’ordre de 20 % [3]

2.2.2 VAP

Pour un VAP, la transformation de l’énergie pneumatique en énergie mécanique s’effectue grâce à la détente de l’air dans un moteur pneumatique.

Il existe plusieurs types de moteurs pneumatiques. Les principaux sont : les moteurs à turbine adaptés aux vitesses de rotation rapides, les moteurs à pistons pour des couples importants et des vitesses faibles et, pour l’application intermédiaires, les moteurs à palettes qui, de conception simple et très robuste, sont largement utilisés pour la réalisation d’outillage pneumatique.

Dans un moteur pneumatique, un volume d’air comprimé (Ve) pénètre avec une pression d’entrée (Pe) et se détend en déplaçant une paroi (piston, palette ou pale selon le type de moteur) et en ressort une pression plus faible (Ps). La différence de pression de part et d’autre de la surface de la paroi produit la force qui génère le mouvement.

Moteur pneumatique à palettes [7], schéma [8] et vue en coupe [9]

Moteur pneumatique à pistons [10] et schéma [8]

Crayon pneumatique à turbine [11]

Le rendement du moteur pneumatique est optimum si la détente s’effectue à température constante. En pratique, l’air se refroidit parce qu’il se détend trop rapidement pour que les échanges thermiques avec les parois du moteur permettent de maintenir sa température. Pour un moteur à palettes d’usage courant, la pression d’entrée est de l’ordre de 6bar et l’évacuation s’effectue à l’air libre, c'est-à-dire à la pression atmosphérique (1 bar). Le rendement est de l’ordre de 40 %.

Quand la différence de pression entre l’entrée et la sortie est grande, il est intéressant de réaliser des détentes successives dites « étagées » en réchauffant l’air grâce à des radiateurs entre les différents organes.

Le pilotage des moteurs s’effectue facilement en limitant le débit ou la pression à l’aide de vannes ou de régulateurs pneumatiques. Il est par contre, difficilement envisageable de comprimer à nouveau l’air avec le même moteur pour reconstituer de l’énergie pneumatique en phase de freinage.

Régulateur pneumatique [12] et schéma [13]

- 2.3 Synthèse

Le VAE présente l’avantage de pouvoir être rechargé sur une simple prise secteur. Toutefois, son temps de recharge de 3 h est contraignant. Une batterie au Lithium est recyclable à 98 %, néanmoins sa durée de vie est réduite à environ 3 ans pour une utilisation journalière.

Le réservoir d’un VAP se recharge plus rapidement : entre 2 à 3 minutes dans une station et environ en 30 minutes avec un compresseur à domicile. La durée de vie du moteur et de son réservoir est très grande, de l’ordre d’une vingtaine d’années. Un avantage intéressant du VAP est sa facilité d’entretien, ceci est un atout dans un pays sous-développé.

Le tableau ci-dessous récapitule les performances énergétiques des batteries et des réservoirs à air comprimé. Le réservoir à 750bar présente des performances supérieures à celles d’une batterie standard.

	Batterie standard au lithium	Batterie au lithium à hautes performances	Réservoir à 200bar	Réservoir à 750bar
Densité massique d’énergie (kJ/kg)	36	72	18.5	61
Densité volumique d’énergie (MJ/m3)	72	144	25	81

Comparatif des densités énergétiques

Le rendement énergétique d’un VAE est de 90 % ; il est augmenté par la capacité de récupérer 20 % de l’énergie au freinage. Le rendement énergétique d’un VAP est de l’ordre de 30 à 40 % seulement.

Pour obtenir une puissance mécanique de 250 W, le VAE consommera 250W/90 % = 277W et le VAP 250W/40 % = 625 W. Pour le même trajet effectué, en tenant compte de la récupération de 20 % de l’énergie en freinage pour le VAE, la quantité d’énergie utilisée par un VAP sera supérieure à celle d’un VAE dans un facteur égal à 2.7 ((90%*120%)/40%).

Chapitre 3 : Quelles performances peut-on attendre d’un Vélo à assistance ?

- 3.1 Puissance et Vitesse

La puissance mécanique du moteur d’un vélo à assistance est limitée à 250 W par la réglementation.

Sans contribution musculaire du passager, la puissance du moteur est utilisée pour vaincre la résistance mécanique de roulement, la résistance aérodynamique puis pour accélérer et gravir les côtes [14] :

Pr est la puissance développée sur les roues pour le déplacement du véhicule. Elle est donnée par la formule :

.

Pr = (mav) + (mgvsinθ) + (mgvCRR cosθ) + (½ ρai rCD AF v³)

Où :

m est la masse du véhicule et de son passager

θ est l’angle de la pente

a est l’accélération du véhicule, g celle de la gravité

v est la vitesse du véhicule

CRR est le coefficient de résistance au roulement (0.014)

ρair est la densité de l’air et vaut 1.23 kg.m^-3

CD est le coefficient de résistance aérodynamique (0.9)

AF est la surface frontale de résistance (0.6m²)

Pour une masse de 100 kg, en comptant le poids du vélo et du passager, à plat et sans accélération la puissance nécessaire au mouvement se repartit ainsi :

Vitesse	1 m/s ou 3.6 km/h	2.8 m/s ou 10 km/h	7 m/s ou 25 km/h
Résistance au roulement	14 W	38 W	96 W
Résistance aérodynamique	0,3 W	7,6 W	120 W

Le graphique ci-dessous illustre la répartition de puissance à plat en fonction de la vitesse :

La puissance consommée pour vaincre la résistance de l’air croît avec le cube de la vitesse. Donc une faible vitesse permettra d’avoir une autonomie plus importante.

En côte, en fonction de la pente la vitesse est limitée par la puissance disponible :

Pente	0°	3°	6°
Vitesse	7,5 m/s ou 27 km/h	3,6 m/s ou 13 km/h	2,1m/s ou 7.6 km/h
Résistance due à la pesanteur	0 W	185 W	217 W
Résistance au roulement	103 W	50 W	29 W
Résistance aérodynamique	147 W	16 W	3 W
Puissance totale	250 W	250 W	250 W

Les graphiques suivants illustrent la répartition de la puissance pour une côte de 3° puis 6°. La part prépondérante correspond à l’effort de montée.

- 3.2 estimation de l’autonomie

Nous prenons comme base pour l’estimation de l’autonomie, l’énergie stockée dans la batterie du VAE Matra Sport. L’énergie stockée est de 720 kJ. Sans contribution du passager, elle permet de délivrer la puissance de 250 W autorisée pendant 43 min à 277 W (250W/90%).

Toujours sans participation du passager, elle permet de rouler à plat à la vitesse de 10 km/h (avec une puissance consommée de 46 W/90 % = 51 W) pendant environ 4 h soit près de 40 km.

Chapitre 4 : Composants pour un vélo à assistance pneumatique

Nous allons déterminer les caractéristiques d’un réservoir et d’un moteur à palettes pour un VAP de performance équivalent au VAE de Matra sport. On supposera que l’on dispose de détendeurs et de radiateurs assurant une détente isotherme (sans perte) de la pression du réservoir jusqu'à la pression de fonctionnement du moteur à palettes.

- 4.1 volume du réservoir

Pour effectuer le même travail que le VAE Matra sport, un VAP doit stocker une quantité d’énergie totale de W = 720 kJ x 2.7 = 2MJ.

Cette énergie E peut être stockée sous forme d’air comprimé à la pression P dans des réservoirs de volume V :

V = E/P (en négligeant la pression résiduelle très inférieure à la pression initiale)

A la pression de 750bar ou 75 MPa le volume est de 26 litres. Ce volume peut être atteint avec 2 bouteilles :

- L’une 19 L, mesurant 20 cm de diamètre et 60 cm de long et disposée sur le porte bagage arrière.

- L’autre de 7 L, mesurant 12 cm de diamètre et 60 cm de long, disposée sur le cadre.

4.2 Sélection d’un moteur à palettes

Un vélo de ville comme le vélo « Deutch lion » de la marque Peugeot [15] a des roues de 700 mm de diamètre, une couronne de 38 dents, une roue libre de 16 dents et une boîte à 3 vitesses intégrées dans le moyeu arrière. Un tour de roue correspond à 2.2 mètres (pi*0.7 m).

Pour rouler à 25 km/h ou à 7 m/s, 5 tours de roue par seconde sont nécessaires (7 m/s /2.2 m) soit 300 tr/mn. Compte-tenu des rapports de réduction entre la couronne du pédalier et la roue libre, qui est de 2.38 (38 dents/16 dents), la vitesse du pédalier est de 126 tr/mn.

Nous avons cherché dans un catalogue de moteurs pneumatiques [16], un moteur de 250 W utile fonctionnant à cette vitesse. Le moteur le plus proche que nous avons trouvé, de référence LZB 22L A005-8411-021465, délivre 240 W à 235 tr/mn. Il est donc nécessaire d’ajouter un réducteur de rapport 1.8 (235/126), à engrenage par exemple, entre le moteur et le pédalier.

Ce moteur pèse 750 g, mesure 135 mm de long et a un diamètre de 36 mm. Ses dimensions réduites permettent de l’intégrer facilement dans un vélo.

Le graphique suivant montre les caractéristiques de puissance de ce moteur en fonction de la vitesse de rotation :

La puissance fournie par le moteur dépend de sa vitesse de rotation, sa valeur maximale est obtenu à 235 tr/mn, ce qui correspond à 25 km/h pour la troisième vitesse du vélo. Pour disposer de la puissance maximale à différente vitesses du vélo, il est nécessaire d’utiliser une boîte de vitesses.

Chapitre 5 : Conclusion

Le vélo présente un réel intérêt en milieu urbain. Il permet de se déplacer d’un point à un autre plus rapidement que les autres moyens transports, collectifs ou individuels.

La mise en place d’infrastructures spécifiques, voies dédiées et créations de vélo-stations, permettrait que ce mode de transport soit mieux adopté par la population qui craint les vols et les intempéries. L’ajout d’une assistance pneumatique ou électrique au vélo réduit les efforts physiques et le rend accessible à toutes les catégories de la population.

Aujourd’hui, les vélos électriques sont à la mode et sont de plus en plus nombreux, ils répondent aux problèmes de déplacements urbains. Toutefois, ils font largement appel à l’électronique et sont équipés de batteries, composées d’éléments chimiques dont la durée de vie est limitée et dont le recyclage doit être correctement pris en charge.

Nous nous sommes donc intéressés à la possibilité de réaliser des vélos utilisant l’énergie pneumatique, de conception simple et bénéficiant d’une grande durée de vie.

Nous avons cherché à dimensionner un vélo à assistance pneumatique ayant les mêmes performances qu’un vélo électrique : vitesse, puissance et autonomie identiques. Réservoirs pneumatiques et batteries au lithium présentent des densités massiques et volumiques similaires. Les moteurs pneumatiques présentent un rendement faible, inférieur à celui d’un moteur électrique et ne permettent pas de récupérer simplement l’énergie au freinage. La solution pneumatique, 2.7 fois plus coûteuse en énergie, est donc désavantagée. Néanmoins, le temps de recharge d’un réservoir d’air comprimé, de l’ordre de 3 minutes, est très inférieur à celui d’une batterie qui est de l’ordre de 3 heures.

Un VAE permet d’atteindre une vitesse de 25 km/h et présente une autonomie d’une quarantaine de kilomètres. Un VAP équipé d’un réservoir de 26 litres à 750bar, facilement intégrable dans un vélo, atteint les mêmes performances. Le vélo pneumatique est donc une alternative crédible au VAE.

Tableau des références :

[1] : Vers une pratique quotidienne du vélo en ville, ADEME, Agence de l’Environnement et de la Maitrise de l’Energie, juillet 2004.

[2] : Qu’est ce qu’un VAE ?- La législation du vélo à assistance électrique, http://www.buzibi.fr

[3] : Catalogue Matra Sport, http://www.proximage.fr/proxicar.com/

[4] : Catalogue Beuchat, http://www.beuchat.fr

[5] : Produit Junior II Bauer Group, http://www.bauer-kompressoren.de

[6] : La filière hydrogène – Le stockage sous pression, Clefs Cea N°50/51, Hiver 2004-2005.

[7] : Moteur à palettes, http://www.rotofair.com

[8] : Cours sur la pneumatique, L.Isambert, Lycée Lislet Geoffroy, 2004-2005.

[9] : Moteur à palettes, vue en coupe, http://fr.wikipedia.org/wiki/Pompe_%C3%A0_palettes

[10] : Moteur pneumatique à piston, http://www.globe-benelux.nl

[11] : Crayons turbines, gamme Axxair pneumatic, www.Axxair.info

[12] : Régulateur de pression pneumatique, http://www.controlair.com/

[13] : Régulateur de pression pneumatique, vue en coupe, http://www.ac-nancy-metz.fr/enseign/physique/PHYS/Bts-Cira/images-pneu/regulateur-p.jpg

[14] : Conceptual design and modeling of a fuel cell scooter for urban asia, Thèse de Bruce Lin,1999.

[15] : Vélo Peugeot Deutch Lion, http://cycles.peugeot.fr

[16] : Catalogue de moteurs pneumatiques, Atlas Copco, http://www.atlascopco.com