La vélomobile comme la bicyclette électrique repoussent les limites de l’autonomie du cycliste. La première optimise l’aérodynamisme et l’ergonomie, tandis que la seconde assiste la puissance musculaire avec un moteur électrique alimenté par une batterie. La vélomobile électrique combine les deux approches, et maximise ainsi l’autonomie du cycliste – à tel point qu’elle est capable de remplacer la plupart des trajets en automobile, si ce n’est tous.
Alors que les vélomobiles ont une vitesse et une autonomie comparable à celle d’une voiture électrique, elles sont jusqu’à 80 fois plus efficaces. A peu près un quart des éoliennes existantes suffiraient à alimenter autant de vélomobiles électriques qu’il y a d’humains.
Peu de gens trouvent la bicyclette utile pour des distances supérieures à 5 km ( 3 miles). Aux USA, par exemple, 85 % des trajets à vélo concernent une distance de moins de 5 km. Même aux Pays-Bas, le pays occidental le plus favorable à la bicyclette, 77 % des trajets à vélo font moins de 5 km. Moins d'1 % des trajets à vélo néerlandais font plus de 15 km (9 miles). A l’opposé, le trajet moyen en voiture atteint 15.5 km aux USA et 16.5 km aux Pays-Bas, alors que le trajet domicile-travail moyen est de 19.5 km aux USA et de 22 km aux Pays-Bas (Sources: 1, 2, 3, 4, 5.)
Il est clair que la bicyclette n’est pas une alternative viable à la voiture. Selon son entraînement, un cycliste atteint des vitesses de croisière de 10 à 25 km/h, ce qui veut dire que le trajet domicile-travail moyen prendrait au moins 2 à 4 heures aller-retour. Un fort vent de face le rendrait encore plus long, et quand le cycliste est pressé ou doit monter des côtes, il ou elle arrive tout mouillé de transpiration. Quand il pleut, le cycliste arrive trempé, et quand il fait froid, les mains et les pieds sont gelés. Les trajets plus longs à bicyclette affectent aussi le corps : les poignets, le dos, les épaules, les fesses, en particulier quand on choisit un vélo plus rapide.
Une bicyclette à assistance électrique résout certains de ces problèmes, mais pas tous. Le moteur électrique peut servir à atteindre la destination plus vite, ou avec moins d’effort, mais le cycliste reste exposé aux intempéries. Les voyages plus longs seraient inconfortables. De plus, l’autonomie de la plupart des bicyclettes électriques (environ 25 km ou 15.5 miles) est juste suffisante pour le trajet aller simple domicile-travail, ce qui signifie qu’elle ne suffit pas pour tous les trajets.
Les avantages de la vélomobile à assistance électrique
La vélomobile – un tricycle couché à carrosserie aérodynamique – offre une alternative plus intéressante à la bicyclette pour les trajets plus longs. La carrosserie protège le conducteur (et ses bagages) du temps, tandis que le siège incliné confortable réduit la fatigue du corps, ce qui permet des trajets plus longs sans inconfort. De plus, une vélomobile (même sans assistance électrique) est plus rapide qu’une bicyclette électrique.
A des vitesses inférieures à 10 km/h (6 mph), la résistance au roulement est l’obstacle principal pour un cycliste. La résistance de l’air prend de plus en plus d’influence quand la vitesse augmente, et devient la force dominante au dessus de 25 km/h (15.5 mph). La raison est que la résistance au roulement augmente proportionnellement à la vitesse, tandis que la force de trainée de l’air augmente comme le carré de la vitesse. Puisqu’un vélomobiliste a une aérodynamique bien meilleure qu’un cycliste – le coefficient de trainée d’un vélomobiliste est jusqu’à 30 fois inférieur – il ou elle peut atteindre des vitesses supérieures à effort constant.
En cas d’équipement avec un moteur auxiliaire, les points faibles de la vélomobile – son accélération plus lente et sa vitesse plus faible en côte – sont éliminées.
Au contraire, une vélomobile est plus lourde qu’une bicyclette, ce qui veut dire que davantage d’efforts sont nécessaires pour accélérer et monter les côtes. L’accélération est inversement proportionnelle à la masse d’un véhicule, donc une vélomobile consomme en gros deux fois plus d’énergie en accélération qu’une bicyclette, selon le poids du conducteur et du véhicule.
Lorsqu’elle est équipée d’un moteur auxiliaire, les points faibles de la vélomobile – son accélération plus lente et sa vitesse plus faible en côte – sont éliminés. Dans le même temps, un moteur accentue ses avantages en augmentant le rayon d’action d’un cycliste. Last but not least, une batterie apportera une bien meilleure autonomie dans une vélomobile, grâce à son meilleur aérodynamisme.
Essai de conduite d’une Ferrari
En août, j’ai essayé une vélomobile électrique—la eWAW, un véhicule distribué par Fietser.be—dans la ville belge de Ghent, et ses environs. Brecht Vandeputte, la cheville ouvrière de ce fabricant Belge, m’a accompagné dans une WAW sans assistance pendant un trajet d’une heure trente à travers la ville, sur le chemin de halage de l’Escaut.
La vélomobile WAW (sans assistance électrique) a été développée à l’origine pour remporter les courses de véhicules à propulsion humaine. Elle a été adaptée à un usage quotidien par l’addition, entre autres choses, d’un pneu arrière anti-crevaison, d’arches de roue ouvertes (qui rendent le véhicule plus maniable), d’un siège ajustable, et d’un châssis plus durable – qui se compose d’un arceau et d’une cage de sécurité en carbone entourés de pare-chocs en aramide. La WAW est connue mondialement, au moins parmi les vélomobilistes, comme l’une vélomobiles les plus rapides du marché – certains l’appellent la Ferrari des vélomobiles.
La WAW sort du lot à cause de son poids (28 kg, contre les 34 kg des vélomobiles les plus populaires, les Quest et Alleweder fabriquées aux Pays-Bas) et son centre de gravité très bas (sa garde au sol n’est que de 9 cm et sa hauteur de seulement 90 cm. En combinaison avec un large empattement, une suspension dure, et un guidage précis (elle utilise deux manches de commande plutôt qu’un), cela permet des grandes vitesses et une conduite excellente, même dans les virages serrés.
Bien entendu, la WAW a aussi les inconvénients que l’on attendrait d’une vraie voiture de course, comme la finition intérieure minimale et le fait que le véhicule tremble comme une boîte de cailloux quand vous le conduisez sur une route pavée. Si l’état de la route est mauvais, d’autres vélomobiles dotées de suspensions plus confortables seront à préférer.
Avec 250 watts de puissance élecrique, le moteur électrique de l’eWAW donne à une personne moyennement entraînée la puissance d’un athlète.
L’eWAW que j’ai conduite a tout de la WAW, plus un moteur électrique de 250 W et une batterie étonnamment petite de 288 Wh, qui vous emmène sur 60 à 130 km (37 à 81 miles). La batterie et le moteur n’ajoutent que 5 kg et portent le poids total du véhicule à 33 kg. Ceci est comparable au poids d’autres vélomobiles sans assistance électrique. Par conséquent, cette Ferrari à pédales pèse 10 kg de moins que d’autres vélomobiles, avec une assistance électrique de 250 W, comme l’Alleweder hybride et l’e-Sunrider qui pèsent 45 kg.
Pédaler à 50 km/h
Donc quelle est la vitesse de la WAW, et quel gain apporte l’eWAV ? Tout d’abord, l’eWAW est un véhicule hybride, mais le moteur à biomasse, appelé aussi conducteur, n’est pas inclus dans le paquet. Puisque le conducteur fournit toujours l’essentiel de la puissance totale de sortie, la vitesse du véhicule dépendra de la puissance qu’il ou elle peut délivrer. Il n’y a pas de meilleure illustration que mon essai de conduite. Sur une période d’une heure et demie, Brecht et moi nous avons réussi à atteindre une vitesse moyenne de 40 km/h (25 mph)—j’étais dans l’eWAW et recevais l’assistance régulière du moteur électrique, Brecht était dans la WAW sans assistance au pédalage.
La littérature sur le cyclisme distingue trois types de cyclistes : les moyennement entraînés, les bien entraînés, et les athlètes de haut niveau. Les cyclistes d’entraînement moyen peuvent produire de façon entretenue une puissance de 100 à 150 watts sur une période d’une heure. Dans une WAW, cela signifie des vitesses de 35 à 40 km/h dans des conditions idéales - un circuit de course sans obstacle, et un véhicule totalement fermé. Les cyclistes bien entraînés peuvent fournir 200 watts de puissance sur une période d’une heure, ce qui se traduit par des vitesses de 45 à 50 km/h dans les mêmes circonstances.
Avec 250 watts de puissance élecrique, le moteur électrique de l’eWAW donne à une personne moyennement entraînée la puissance d’un athlète (100 + 250 watts = 350 watts).
Maximiser l’autonomie et l’efficacité
Je suis dingue de vitesse, alors quand je me suis trouvé sur un beau tronçon de route libre, la première chose que j’ai faite a été de démarrer le moteur à pleine puissance et de pédaler comme un fou en même temps. J’ai calculé que si je pouvais avoir plus de 350 watts à ma disposition, je devrais pouvoir atteindre des vitesse d’au moins 70 ou 80 km/h (40 à 50 mph). Cependant, ma tentative de dépasser 50 km/h (30 mph) est restée vaine – le véhicule est dépourvu des rapports de boîte supérieurs nécessaires à ces vitesses.
Pourquoi ? Parce que l’eWAW est conçue pour une efficacité maximale. Le moteur électrique est conçu pour ne servir qu’en accélération (et pour monter les côtes). Une fois que le vélomobiliste atteint une vitesse de croisière de 40 à 50 km/h, il ou elle passe en mode pédalage seul.
Le choix de l’ingénieur de n’assister le conducteur que pendant l’accélération est malin ; il augmente l’autonomie du cycliste comme de la batterie de façon spectaculaire.
L’eWAW n’augmente pas la vitesse de croisière ou la vitesse maximale de la WAW non assistée, bien qu’elle augmente la vitesse moyenne parce qu’elle augmente l’accélération. L’approche est différente de celle de la bicyclette électrique, où l’assistance au pédalage est continue aux vitesses de croisière usuelles. Du point de vue de l’efficacité, le concept sous-jaçent à l’eWAW est très pertinent. Un cycliste a besoin de moins d’énergie pour accélérer qu’un vélomobiliste (du fait de la masse plus faible de la bicyclette) mais de plus d’énergie pour conserver la même vitesse (à cause de son faible aérodynamisme). Au contraire, le vélomobiliste a besoin de plus d’énergie qu’un cycliste pour accélérer (à cause de la masse plus importante du véhicule) mais moins d’énergie pour conserver la même vitesse (à cause de son excellent aérodynamisme).
Puisque cela demande plus d’énergie d’accélérer dans une eWAW que de la conduire, le choix de l’ingénieur d’assister le conducteur seulement lors de l’accélération est malin ; il augmente l’autonomie du cycliste et de la batterie. Le moteur électrique supporte le conducteur pendant les efforts de crête, si bien que son endurance est augmentée de façon spectaculaire. (Les efforts de crête ont un effet nuisible sur l’endurance, tandis que pédaler à un rythme régulier est possible pendant des heures.) Dans le même temps, le conducteur rend le même service à la batterie. Comme le moteur électrique est coupé en vitesse de croisière, l’autonomie de la batterie est considérablement augmentée.
Ceci étant dit, le conducteur de l’eWAW peut choisir d’utiliser le moteur en vitesse de croisière, parce que celui-ci peut être commandé à volonté par une manette. C’est de cette façon que j’ai conduit le véhicule. En conséquence, la batterie n’a tenu “que” 60 km (37 miles), mais au moins j’ai pu tenir le rythme de Brecht.
80 fois plus efficace que les voitures électriques
Monter un moteur électrique dans une vélomobile suscite la controverse parmi les vélomobilistes, de la même façon qu’une bicyclette électrique est mal vue par beaucoup d’aficionados du vélo. Cependant, quand nous comparons l’eWAW avec la voiture électrique, qui demeure perçue par beaucoup comme l’avenir du transport soutenable, l’eWAW l’emporte nettement. En fait, la vélomobile est tout ce que la voiture électrique prétend être sans y parvenir : une alternative durable à l’automobile à moteur thermique. Il est presque impossible de concevoir un véhicule personnel motorisé et viable qui soit plus efficace que l’eWAW.
Si les 300 millions d’américains remplaçaient leur voiture par une vélomobile électrique, il n’auraient besoin que de 25 % de l’électricité produite par les éoliennes américaines existantes.
Un calcul simple peut illustrer cette affirmation. Imaginez que les 300 millions d’américains remplacent leur voiture par une vélomobile électrique et aillent tous travailler le même jour. Pour charger la batterie 288 Wh de chacune de ces 300 millions d’eWAW, nous avons besoin de 86.4 GWh d’électricité. C’est seulement 25 % de l’électricité produite par les éoliennes américaines en service (en moyenne journalière sur la période de juillet 2011 à juin 2012, source). En d’autres termes, nous pourrions basculer vers des véhicules personnels fonctionnant avec de l’énergie 100 % renouvelable, en utilisant les centrales existantes.
Imaginez maintenant que les 300 millions d’américains remplacent leur voiture par une version électrique comme la Nissan Leaf, et aillent tous travailler en voiture le même jour. Pour charger la batterie 24 kWh de chacun de ces 300 millions de véhicules, nous avons besoin de 7200 GWh d’électricité. C’est 20 fois plus que ce que les éoliennes américaines produisent aujourd’hui, et 80 fois plus que ce dont les vélomobiles électriques ont besoin. En résumé : le scénario 1 est réaliste, le scénario 2 ne l’est pas.
Même si nous commencions à covoiturer, et que chaque voiture électrique transporte 5 personnes, il reste une grande différence d’efficacité. Charger 60 millions de voitures électriques demanderait encore 16.6 fois plus d’électricité que charger 300 millions d’eWAW. La vélomobile électrique permet aussi au conducteur de recharger facilement son véhicule. Un panneau solaire d’environ 60 watts (d’une superficie de moins d’un mètre carré) produit assez d’énergie pour charger la batterie, même un sombre jour d’hiver.
En Europe, cela demanderait une part encore inférieure des éoliennes pour charger chaque eWAW d’Europe. Si l’on veut être complet, il doit être mentionné que le moteur biologique a aussi besoin d’énergie : le conducteur a besoin de manger, et cette nourriture doit être produite. Mais puisque les occidentaux mangent trop, et conduisent leur voiture jusqu’au centre de fitness dans le but de perdre leur excès de graisse, ce facteur peut être ignoré sans risque.
Incertitude sur l’autonomie
La grande différence d’efficacité entre les vélomobiles électriques et les voitures électriques est remarquable, parce qu’elles ont des autonomies similaires. Comme indiqué, l’eWAW vous emmène sur une distance comprise entre 60 et 130 km, selon l’intensité avec laquelle vous utilisez le moteur. La Nissan Leaf vous emmène au mieux à 160 km, lorsque vous conduisez lentement et à allure stabilisée, et lorsque vous n’utilisez pas la climatisation, le chauffage ou les gadgets électroniques de bord.
Ajouter seulement 6 kg de batteries augmente l’autonomie de la vélomobile électrique à 450 km.
Un système de chauffage n’est pas nécessaire sur une vélomobile, pas même en hiver, parce que les pieds et les mains sont protégés du vent par la carrosserie, et parce que le conducteur est actif (l’activité du corps et le facteur le plus important dans le maintien du confort thermique). Le besoin de rafraîchir en été, d’un autre côté, diminuera l’autonomie – le conducteur se reposera davantage sur le moteur électrique pour se rafraîchir.
Fait intéressant, il est plus facile d’augmenter l’autonomie d’une vélomobile électrique que celle d’une voiture électrique, si nécessaire. L’eWAW peut être équipée d’une ou deux batteries supplémentaires, ce qui augmente l’autonomie jusqu’à 180 km (112 miles, avec l’assistance permanente du moteur) ou 450 km (280 miles, lorsque le moteur n’est utilisé que pour assister l’accélération). Ajouter deux batteries à l’eWAW augmente le poids du véhicule de seulement 6 kg, et laisse encore un large espace pour les bagages. Si nous supposons que le conducteur pèse 70 kg, alors l’addition de deux batteries augment le poids total de l’eWAW de 103 à 109 kg – un gain de poids de 6 %. Si nous faisons la même chose sur la Nissan Leaf (où trois fois plus de batteries prennent la place du siège arrière et du coffre, le poids total augmente de 1.582 kg (conducteur de 70 kg inclus) à 2.022 kg - un gain de poids de 30 %.
Une autre manière d’augmenter l’autonomie d’une batterie d’un véhicule électrique est d’échanger les batteries ou de les recharger rapidement. Ces options sont possibles à la fois pour les voitures électriques et les vélomobiles, mais développer une infrastructure de chargement pour voitures électriques est une tâche monumentale, alors que le faire pour les vélomobiles électriques est aisé. Non seulement la batterie de l’eWAW a besoin de 80 fois moins d’énergie que celle la Nissan Leaf (ce qui fait de la charge rapide une option valable), mais elle pèse aussi 73 fois moins lourd (ce qui fait de l’échange de batterie une opération très low-tech). Bien que nous ayons des véhicules plus rapides pour les longues distances, qui sont également soutenables (comme les trains et les trolley-bus, la vélomobile offre une alternative à ceux qui préfèrent un moyen de transport personnel, et pour ceux qui préfèrent un style de vie actif.
La capacité de nos routes quadruplerait au minimum, si nous passions des voitures aux vélomobiles.
Quand la batterie d’une voiture électrique se vide, le vélomobiliste peut encore pédaler jusqu’à la maison - à des vitesses supérieures à celle d’une bicyclette. Le conducteur d’une voiture électrique ne peut pas faire cela parce que son engin est trop lourd. Une Nissan Leaf pèse autant que 46 eWAW. La plupart de l’énergie utilisée par une voiture électrique (et par une voiture à moteur thermique), est utilisée pour déplacer le véhicule lui-même, pas le conducteur – la Nissan Leaf est 21 fois plus lourde que son conducteur. Dans le cas de l’eWAW, cette relation est inversée : le conducteur pèse trois fois plus lourd que le véhicule.
Une circulation rapide et fluide
L’eWAW fait du cyclisme une option rapide et confortable pour les longues distances. A des vitesse de 50 km/h (31 mph), le trajet moyen aux USA (19.5 km ou 12 miles) prendrait 23.4 minutes. Ceci se compare très favorablement à la voiture, pour laquelle le temps de trajet moyen est de 22.8 minutes (source). Aux Pays-Bas où le trafic routier est intense, la vélomobile électrique est potentiellement plus rapide qu’une voiture. La vélomobile pourrait couvrir le trajet moyen de 22 km (13.7 miles) en 26.4 minutes, alors que celui-ci prend 28 minutes en voiture (source).
Bien sûr, une vitesse de croisière de 50 km/h ne veut pas dire que le vélombiliste puisse atteindre une vitesse moyenne de 50 km/h pendant tout le trajet. Si les voitures pouvaient maintenir leur vitesse de croisière maximale durant le trajet, elles seraient beaucoup plus rapides que les vélomobiles. En réalité, cependant, elle ne le peuvent pas à cause des limitations de vitesse, des feux tricolores, et des embouteillages.
Les vélomobiles pourraient souffrir des mêmes retards, mais il y a une différence importante : parce qu’une vélomobile occupe beaucoup moins d’espace qu’une voiture (une voiture a besoin d’autant d’espace que 4 vélomobiles), le trafic fluide est une option beaucoup plus réaliste pour les vélomobiles. De plus, la vitesse de croisière d’une vélomobile ne dépasse pas la plupart des limitations de vitesse.
Customisez votre vélomobile
Au-delà de ceci, il est facile d’équiper une vélomobile avec un moteur plus puissant et des rapports de boîte plus longs, ce qui permet des vitesses de croisière beaucoup plus élevées. La vélomobile perdrait en efficacité et en autonomie, mais, puisqu’une eWAW est 80 fois plus efficace qu’une voiture électrique, il y a de la marge pour customiser une vélomobile. Nous discuterons de ces possibilités, comme des obstacles légaux aux vélomobiles électriques, dans la seconde partie de cet article.
Seconde partie: 1 / 2.