OrbiMob’ c’est le nom choisi pour un programme de rencontres et conférences autour de points de force du territoire en lien avec la mobilité durable, organisées par la Métropole, l’Université Clermont Auvergne et leurs partenaires.
Le Connecteur les suit pour vous et partage une synthèse des interventions qui nous ont intéressés. Même si parfois, on doit le reconnaître, on arrive un peu en limite de compétences pour comprendre tout l’impact du ‘misalignment’ des câbles primaires et secondaires 😉 on essaie de traduire … parce qu’au fond, c’est bigrement intéressant tout ça !
Le Professeur Khali El Khamlichi Drissi est enseignant chercheur à Polytech et chercheur à l’institut Pascal. Il travaille plus particulièrement sur les questions en lien avec l’électromobilité , l’amélioration des batteries et le transfert d’énergie du sol ‘la route électrique’… et intervient dans le cadre du tout nouveau module « Polycompétence mobilité durable » proposé par Polytech (voir notre article).
De quoi parle-t-on ?
Pour mémoire (et pour les spécialistes), les théories qui ont permis de formaliser la thermodynamique datent de Marie André Ampère en 1820. Ses applications en électromobilité de 1882 avec les Trolley bus ou le tramway …
Ces innovations ont été mises entre guillemets avec l’arrivée du pétrole qui a fait basculer de manière forte les véhicules vers les moteurs thermiques. Et 200 ans plus tard … on voit les tramway et les véhicules électriques faire un retour en force, avec une démocratisation qui s’accélère.
La problématique principale (ou l’une d’entre elles) est le besoin en énergie primaire de ces véhicules électriques mais également l’environnement de stockage nécessaire pour pouvoir embarquer cette énergie.
Les projections à 2030 de l’évolution des usages de ces véhicules à l’échelle mondiale comme européenne montrent un développement qui pourrait atteindre les 40% de véhicules électriques à batterie et hybrides rechargeables ou non.
C’est considérable et cela suppose quelques difficultés en terme de matières premières.
Le rapport densité d’énergie /autonomie
Le sujet central, c’est la densité d’énergie qu’on peut embarquer sur un véhicule. Aujourd’hui, c’est le diesel qui a le meilleur rapport densité/ autonomie, en terme de capacité d’énergie embarquée et bien entendu d’autonomie. C’est le talon d’Achille de l’ensemble des véhicules électriques.
L’hydrogène a une part intéressante à jouer, en termes de volume d’énergie embarquée confiné dans un poids relativement réduit mais par contre en terme de volume ça peut prendre des dimensions cinq fois plus grande que celle du pétrole.
Car oui, le pétrole reste très compétitif par rapport aux solutions alternatives.
Si on se projette sur des applications concrètes, un véhicule standard développé par Renault depuis maintenant une quinzaine d’années, pour qu’il dispose d’une autonomie de 150 km nécessite une puissance de 22 kilowatts et si on veut augmenter l’autonomie il faut passer à 40 kilowatt. Chaque augmentation de puissance se traduit par un nombre de cellules, de modules ou de packs batteries qui devient très conséquent pour le poids et le coût du véhicule. Si on regarde du côté de la Tesla, le must, pour une autonomie 500 km on est plutôt sur 80 kilowatts.
Néanmoins, ces batteries n’ont cessé de progresser en termes de prix et de puissance massique et leur prix a été quasiment divisé par sept depuis les années 2010.
En même temps, le mouvement s’est accompagné d’une accélération de la montée en puissance massique. Les projections à 2030 montrent que l’on devrait arriver à 500 watts par kg, ce qui commence à devenir intéressant… mais toujours pas au niveau d’un véhicule thermique.
Ce que soulève également du développement des batteries, c’est le sujet de la disponibilité de la matière première.
Il y a énormément de réflexions engagées parce qu’il y a un vrai sujet d’autonomie énergétique stratégique.
La disponibilité de la matière première
Les éléments constituant les batteries tels le lithium, le cobalt ou le graphite, sont présents dans un certain nombre de pays mais très très peu en Europe. Aujourd’hui, il faut donc s’adresser aux constructeurs et celui qui s’impose le plus est la Chine.
L’approvisionnement en matériaux pose donc quelques difficultés, en termes stratégiques. Des réflexions sont menées à l’échelle des pays mais également à l’échelon européen. La commission européenne s’est emparée de cette thématique au travers d’un plan stratégique lancé en 2019 pour construire des chaînes de valeurs innovantes durables et compétitives, avec un axe recherche marqué.
Une erreur qui ouvre de nouvelles perspectives
Tout récemment, une équipe américaine a réussi – pratiquement par erreur- à réaliser des batteries recyclables à l’infini ou presque (deux cent mille cycles)
Une telle innovation peut chambouler complètement le panorama. Quand on sait la durée relativement limitées des batteries dont on dispose pour les véhicules, les téléphones portables ou les ordinateurs … ça ouvre des perspectives nouvelles.
Deux grands constructeurs, dont General Electric, se sont emparés de ces brevets pour déployer cette technologie à grande échelle. D’ailleurs, il semble qu’il n’y ait plus de lithium dans cette configuration.
Cette nouvelle génération de batteries ouvre une perspective intéressante pour d’autres idées notamment pour la recharge. Si on trouve des solutions qui permettent d’augmenter d’une manière conséquente leur durabilité, il sera peut être envisageable de réduire leur taille et leur poids, et de permettre une recharge plus régulière.
Attractivité de l’électrique : des défis à relever
- Un prix des véhicules électriques qui reste encore élevé
- Une autonomie trop faible avec les solutions actuelles même s’il y a beaucoup de travaux en cours dans les laboratoires
- Des infrastructures de recharge encore peu développées
- Des temps de recharge trop longs
- Des performances des composants à augmenter
- Des coûts des composants à réduire
Autant de sujets majeurs d’innovation autour de l’électromobilité qui pourraient ouvrir des pans nouveaux d’activités, d’emploi mais aussi de solutions durables pour l’avenir.
La transmission de l’énergie : la vieille idée qui fait son retour
Transmettre et restituer l’énergie électrique est une vieille idée. Déjà Nicolas Tesla l’avait appliqué en 1900 / 1917 en construisant sa tour. Les principes scientifiques et techniques restent toujours d’actualité et peuvent désormais s’envisager pour d’autres applications.
Le tramway par exemple est une configuration où le sans contact permet de transmettre une énergie à travers un champ magnétique entre un émetteur au niveau de la chaussée et un récepteur au sein du tram. Ces idées là ont déjà été déployées. Pensez au système de recharge de téléphones portables sans contact par exemple…
Une route électrique
Une expérience récente a réussi à transférer de l’énergie entre deux bobines distantes de deux mètres et à allumer une lampe. L’idée est de faire la même chose avec la recharge dynamique d’un véhicule avec une distance entre la chaussée et le bas de caisse du véhicule : ça devient assez réaliste et donne des rendements intéressants.
Des travaux de physiciens du MIT en ont démontré la faisabilité. Voir la démo ci dessous d’Eric Giler lors d’une conférence Tedx: le public applaudit comme à un spectacle de magie.
Wireless Electricity – WiTricity Showcase TED 2009
L’idée de ce qu’on appelle communément l’induction électrique [on connaît l’induction domestique pour chauffer des aliments: c’est la même chose] est établie depuis les années 90 et trouve d’autres applications d’intérêt pour les années à venir.
Le Circuit Charade Electric par exemple, souhaite se doter d’un démonstrateur de 800 m pour permettre à des industriels de s’approprier cette technologie et d’en tester la faisabilité et l’efficacité. Vedecom [Un Institut pour la Transition Énergétique] a été parmi les premiers à travailler sur cette thématique avec un consortium intégrant industriels et universitaires. Ils ont montré la faisabilité de la transmission de l’énergie du sol vers le véhicule.
Mais l’intérêt de la route électrique, ce n’est pas uniquement l’aspect énergétique. Elle peut aussi permettre d’aller chercher d’autres informations : pour du guidage, pour de la transmission de données, pour rendre la chaussée intelligente … C’est un champs d’innovation énorme qui s’ouvre…
Un dernier point : la recharge sans contact
Le professeur Amir Mortazawi a pu démontrer la faisabilité de recharger ou de transmettre de l’énergie sans contact même dans le cas où la distance varie et où l’alignement n’est pas bon (là, on est d’accord ça devient un brin complexe !)
Amir Mortazawi, professor of electrical and computer engineering, introduces his work in improving wireless charging.
Et donc, concrètement, à quoi sert cette expérimentation ?
Et bien, elle montre qu’il peut y avoir un décalage entre les différents câblages de la route et du véhicule quand il roule. En gros, il peut ne pas rouler pile poil sur les ‘capteurs’, ça marche quand même, il n’y a pas de déperdition d’énergie et c’est stable.
Pour conclure, une évolution ultra rapide et des ressources académiques territoriales bien positionnées
Le secteur est en évolution très rapide avec des impacts industriels conséquents
– la réduction du poids des batteries et/ou le développement de la recharge en ligne qui permettra d’éviter les batteries de grande taille
– le développement de bornes de recharge sans contact. Des stations sont: déjà déployées par des constructeurs comme BMW en mode statique et pourrait se généraliser sur des places de parking.
– Les dispositif étant désormais enfouis dans le sol, il n’y a plus de caténaires : tout est invisible – – La disparition des câbles comme dans le cas de la recharge de téléphone portable sans fil
– Le guidage et le transfert de l’énergie, pour des applications comme la robotique mobile. Par exemple, les drônes peuvent être rechargés pendant leurs déplacements et d’une manière avantageuse. C’est vraiment une configuration robotique mobile avec des perspectives assez futuriste
– L’alimentation des ponts roulants
– Le transfert d’énergie en biomédical
– …
Autant de secteurs dans lequel cette notion de transfert d’énergie sans contact pourraient rattraper ce qui se fait déjà avec le wifi et la communication et dans lequel les sites clermontois ont toute leur place à prendre.
Cet article est une synthèse personnelle de l’intervention de Khali El Khamlichi Drissi , le 3 novembre 2020 dans le cadre de la conférence Polycompétence en mobilité durable dans laquelle il intervient, en visio-conférence. Retrouvez au fur et à mesure l’intégralité des conférences sur la chaine Youtube d’Orbimob‘.