Quelles énergies alternatives pour remplacer les moteurs thermiques des tracteurs agricoles ? 

Comme dans l’automobile, les tracteurs et les automoteurs agricoles devront certainement avoir recours à l’avenir à des énergies alternatives pour atténuer leur impact environnemental. Plusieurs pistes sont envisageables, telles que la mise en place d’une motorisation hybride diesel-électrique, hydrogène ou encore 100 % électrique. Antti Lajunen, enseignant et docteur en génie agricole à l’université technologique d’Helsinki en Finlande, s’est spécialisé dans l’électrification des véhicules lourds et des engins hors route. Il a réalisé une étude de décarbonation des véhicules agricoles reposant sur un modèle de simulation numérique. L’objectif de son travail est de comparer, par rapport au moteur diesel, l’efficacité des différents groupes motopropulseurs alternatifs en fonction de l’usage d’un tracteur. 

Cinq groupes motopropulseurs comparés 

Antti Lajunen a recensé cinq technologies existantes susceptibles de propulser un engin agricole, dont le traditionnel moteur thermique. Le système hybride électrique parallèle combine à la fois un moteur diesel et un électrique. Ce dernier est utilisé en complément du moteur diesel de manière à fournir une puissance supplémentaire. Il peut toutefois fonctionner seul dans certaines conditions. Ce procédé exploite une batterie pour le stockage de l’énergie électrique. La technologie hybride électrique série comprend un moteur diesel capable d’entraîner une génératrice qui, à son tour, alimente le moteur électrique. Ce dernier est le seul à animer les roues du véhicule. Cette technologie utilise également une batterie de stockage d’énergie. L’hybride à pile à combustible est un système accueillant comme énergie principale l’hydrogène (H2). Ce dernier est converti en électricité, grâce à la pile à combustible. Le système englobe parallèlement une batterie, afin de lisser la demande de puissance. Le système électrique, quant à lui, de conception simple, repose sur un moteur entièrement électrique animant les roues et alimenté par une batterie. Cette dernière se recharge par une source d’énergie externe. 

Concepts différents mais capacités identiques 

Les modèles de tracteurs retenus dans l’étude sont paramétrés de façon à assurer une comparaison équitable de leur consommation et de leurs performances. Ils s’approchent au maximum du poids et de la puissance du modèle de référence : un tracteur à moteur thermique de 225 kW, soit 306 ch, équipé d’une transmission à double embrayage à 8 vitesses. Cette transmission est reprise par le tracteur hybride électrique parallèle doté d’un moteur diesel de 175 kW (238 ch) et d’un électrique de 100 kW (136 ch). Le tracteur hybride électrique série utilise un moteur diesel de 185 kW et un électrique de 225 kW (306 ch). La puissance délivrée par la pile à combustible pour le tracteur utilisant cette énergie est de 160 kW. Elle alimente le moteur électrique de 225 kW, soit 306 ch. Le tracteur électrique, lui, loge un moteur de 225 kW (306 ch) et une batterie de 190 kWh. Ces trois derniers modèles disposent d’une transmission à trois vitesses. Hormis le tracteur électrique et celui de référence, tous les groupes motopropulseurs sont associés à une batterie tampon de 3,9 kWh de capacité, capable de stocker le surplus d’électricité. Les cinq modèles respectent un poids total de 10 tonnes. La capacité de la batterie du tracteur électrique est ainsi volontairement limitée à 190 kWh, afin de respecter la masse totale. Les ponts avant et arrière, ainsi que les pneumatiques (540/65 R30 à l’avant et 650/65 R42 à l’arrière), sont identiques à tous les modèles. Le logiciel Autonomy a réalisé des simulations numériques de chacun des modèles sur cinq ateliers différents : travail du sol léger et lourd, transport léger et lourd et utilisation de la prise de force. 

Travail du sol léger : le tracteur 100 % électrique l’emporte 

Pour l’atelier de travail du sol léger, tel que le déchaumage, la simulation est paramétrée avec une vitesse de travail de 8 km/h. Elle intègre également la force de traction nécessaire pour réaliser cette opération. Les modèles de tracteurs fonctionnant avec des groupes motopropulseurs électrifiés (hybrides et électriques) démontrent une consommation d'énergie inférieure à celle des tracteurs conventionnels. Parmi eux, le tracteur 100 % électrique se distingue particulièrement par son avantage significatif, affichant en moyenne une consommation d'énergie inférieure de 60 %. Cependant, bien qu’il soit très efficace énergétiquement, son temps de fonctionnement est limité par la capacité de sa batterie. Il est toutefois le plus économe dans l’étude de la distribution des pertes d’énergie, incluant la source d'énergie principale, les auxiliaires, la transmission, les pneus et le travail effectué. 

Travail du sol lourd : contre-performance pour les tracteurs hybrides 

Le travail du sol lourd, à l’image du labour, est simulé avec une vitesse de travail de 12 km/h. La modélisation inclut également la force de traction nécessaire pour cette opération, qui est deux fois plus élevée que celle du travail du sol léger. Sans surprise, le tracteur électrique à batterie conserve le plus haut potentiel de réduction de la consommation d’énergie. Il affiche aussi la plus faible perte d’énergie. En revanche, son temps d’utilisation est à nouveau limité par la capacité de la batterie. Ce facteur n’est pas à négliger, notamment dans le cas d’opérations gourmandes en énergie. Les trois tracteurs hybrides affichent une diminution de l’efficacité énergétique par rapport aux résultats de l’atelier du travail du sol léger. Ils peuvent même consommer plus que le tracteur conventionnel. 

Travaux à la prise de force : avantage aux tracteurs hybrides et électriques. 

Les valeurs estimées lors de l’atelier avec la prise de force reposent sur l’animation d’une remorque autochargeuse. Cette opération inclut différentes phases caractérisées par des demandes de puissance faibles et des plus élevées, correspondant à la variation de charge de travail de ce type d’outil. Le tracteur hybride parallèle n’a pas été soumis à cette épreuve en raison de la difficulté à simuler son comportement dans cet atelier et non pour des causes de performances ou de mauvaise conception. Ce scénario révèle à nouveau l’efficacité prometteuse des tracteurs utilisant une source d’énergie électrifiée, notamment le groupe motopropulseur totalement électrique. Ces variantes démontrent leur capacité à réduire la consommation d'énergie par rapport au tracteur diesel conventionnel. Cela se caractérise par des variations de demande de puissance et par une consommation d'énergie totale inférieures à celles observées au travail du sol. 

Transport léger : la pile à combustible se démarque 

Le cycle du transport léger consiste à simuler le déplacement d’une remorque agricole à vide dont le poids total est limité à 6,4 tonnes. Avec le poids de chaque tracteur, l’ensemble routier représente une masse d’environ 16,4 tonnes. Ce test virtuel se caractérise par des vitesses plus élevées et une consommation d’énergie relativement importante, bien que l’ensemble routier ne soit pas à la limite de son poids total en charge. Les tracteurs électrifiés, en particulier les modèles à batterie et à pile à combustible, révèlent un potentiel significatif de réduction de la consommation d'énergie pour ce type d'opération. Malgré l’existence de la régénération d'énergie dans les cycles de transport, lors des décélérations ou en descente, le tracteur électrique arrive toutefois à ses limites lorsqu’il s’agit de comptabiliser le temps de fonctionnement. Il est en effet pénalisé par la capacité de ses batteries, alors que le tracteur hybride à pile à combustible s’en démarque positivement, grâce à son autonomie supérieure. 

Transport lourd : l’autonomie limitante pour l’électrique 

La simulation au transport lourd repose exactement sur la même méthodologie que celle pour le léger, à la seule différence que le poids total de la remorque atteint 15 tonnes. L’ensemble routier affiche alors 25 tonnes sur la bascule. Les résultats ne diffèrent que très peu. Le tracteur électrique à batterie présente la plus faible consommation d’énergie, juste après le modèle hybride à pile à combustible. Toutefois le groupe motopropulseur 100 % électrique voit son autonomie d’utilisation limitée par la capacité de la batterie, contrairement à celui en hybride à pile à combustible qui fonctionne à l’hydrogène. 

Jusqu’à 60 % d’énergie économisée 

Le tracteur électrique à batterie se révèle comme la meilleure solution en termes d’efficacité énergétique, et ce pour l’ensemble des ateliers évalués, avec une réduction moyenne de 60 % de la consommation d'énergie. Cependant, son autonomie est limitée par la capacité de la batterie, n’excédant pas 190 kWh pour respecter le poids total de l’engin. Le tracteur hybride à pile à combustible se place ainsi comme le groupe motopropulseur offrant un juste équilibre entre efficacité énergétique et autonomie d’utilisation. Toutefois, les coûts technologiques et le manque d'infrastructures pour produire, stocker et transporter l'hydrogène représentent des obstacles importants à leur adoption à grande échelle.