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Se déplacer sans pétrole

Se déplacer sans pétrole

© Guittet Pascal

Le véhicule électrique a la cote. Du plus petit au plus lourd des véhicules, l'électromobilité permet d'avancer sans bruit et sans pétrole, que 90 % des engins à moteurs utilisent encore comme ressource. Mais pour s'imposer, les véhicules électriques doivent faire la preuve qu'ils peuvent apporter les mêmes qualités d'autonomie et de puissance que les véhicules thermiques.

L'électromobilité fait envie à tout le monde ! Elle met fin aux nuisances sonores, aux émissions de particules nocives et participe à la transition énergétique. Sans compter que face au moteur thermique, le moteur électrique offre un rendement de transmission impressionnant de la batterie à la roue, de 90 %, contre 40 % pour les meilleurs moteurs à explosion du réservoir à la roue. Mais l'énergie électrique est compliquée à stocker, au contraire des carburants fossiles. Ceux-ci restent l'idéal pour concentrer l'énergie, qui plus est sous une forme liquide facile à transporter. Pour voir se déployer une flotte de véhicules électriques importante, il faudra donc promouvoir et intégrer des moyens de stockage adéquats, selon les besoins en puissance (l'énergie libérée en un temps donné) et en autonomie (l'énergie disponible) de chaque type de véhicule. « L'enjeu est de donner aux véhicules électriques la même souplesse d'utilisation que celle permise par les véhicules thermiques, tout en tenant compte du facteur économique », explique Florent Petit, directeur du FC Lab, la fédération de recherche de Franche-Comté sur les piles à combustibles. Pour fournir au moteur l'électricité dont il a besoin, trois technologies s'installent : les batteries électrochimiques, les piles à combustibles et les supercondensateurs.

Les véhicules profiteront des progrès des batteries 
 

Les batteries ont permis l'émergence des tous premiers véhicules électriques et drainent leur croissance depuis une dizaine d'années. La voiture électrique profite en premier lieu du développement des batteries lithium-ion, mais reste cantonnée en dessous de 200 km ou coûte très cher, comme la Tesla. Outre l'autonomie, l'un des enjeux du développement de la voiture électrique est celui des points de recharge. La technologie la plus mature nécessite 6 à 8 heures de charge, tandis que la recharge rapide, en une demi-heure, affecte la durée de vie des batteries. Les autres types de véhicules aussi sont susceptibles de profiter des développements des batteries électriques. Grâce à elles, le satellite se dirige vers le tout électrique. C'est l'un des objectifs que se sont fixés les constructeurs Airbus Defence et Space et Thales, afin de réduire fortement leur masse, donc le prix du lancement. Quant à l'avion, l'e-fan, un bimoteur électrique d'Airbus, est équipé de deux packs de batteries lithium-ion polymère constituées de 120 cellules d'une capacité de 40 ampères-heures situées dans les ailes. Ces dernières lui offrent une autonomie théorique de 30 à 60 minutes. Airbus travaille déjà sur l'étape suivante, un avion de ligne régional d'environ 100 sièges équipé d'un moteur hybride. Pour permettre le décollage d'un avion plus lourd, il faudra fournir au moteur suffisamment de puissance pour le décollage, puis une capacité de stockage suffisante pour assurer son autonomie.

Des trois familles de technologies, le supercondensateur offre le plus de puissance, c'est-à-dire d'énergie libérée en un temps donné. Contrairement aux batteries, les supercondensateurs peuvent se recharger en quelques minutes, voire en quelques dizaines de secondes. Depuis 2013, des bus électriques équipés à la fois de batteries et de supercondensateurs sillonnent Shanghai. De nombreuses villes suivent l'exemple. En France, le projet Watt Systems expérimente depuis novembre 2014 un bus électrique doté de supercondensateurs, rechargés à chaque arrêt en vingt secondes par « biberonnage ». Aux arrêts, des batteries font le plein en charge lente, sans appel de puissance sur le réseau. Tous les engins ayant besoin d'une forte puissance sont susceptibles d'être intéressés par les supercondensateurs. À l'instar de la pelle hybride du fabricant d'engins de chantier Komatsu, équipée d'un supercondensateur qui peut à lui seul générer une puissance de 60 ch, et lui permettrait de réduire sa consommation de carburant de 25 à 30 %. Les scientifiques annoncent l'arrivée de cette technologie dans une poignée d'années pour l'électromobilité individuelle. À condition que leur capacité s'améliore. Les recherches sur les matériaux nanoporeux semblent à cet égard une voie très prometteuse.

Enfin, la pile à combustible est aussi en plein développement, Toyota a lancé en décembre la Mirai, fer de lance vers le 100 % électrique, premier véhicule à hydrogène produit à grande échelle. Dans la foulée, le constructeur japonais a ouvert ses brevets sur la pile à combustible pour contribuer à son développement. « La pile à combustible conserve les avantages de l'électromobilité zéro émission, tout en approchant au plus de la souplesse d'utilisation des véhicules thermiques », explique Florent Petit. Son autonomie dépend de la taille de ses réservoirs, rechargeables en seulement cinq minutes. Ils offrent à la Mirai une belle autonomie de 500 km. Toutefois, « la dynamique de réaction est très rapide, comme les batteries, mais limitée en amont par l'alimentation en hydrogène et en oxygène », concède Florent Petit. On peut aussi arguer que la transformation d'électricité en hydrogène, puis d'hydrogène en électricité est coûteuse dans le rendement global. Dans le véhicule, les piles à combustibles servent à alimenter une batterie, comme prolongateurs d'autonomie, ou sont utilisées pour alimenter directement le moteur. Dans les faits, la pile à combustible, ralentie par le temps d'arrivée des deux carburants, est souvent couplée à une batterie lithium-ion pour répondre aux pics de puissance. Tous les véhicules sont concernés, des vélos développés par l'entreprise Pragma Industries, qui s'est associée à BIC pour fabriquer ses réservoirs d'hydrogène, aux trains développés par Alstom pour quatre régions allemandes et prévus en 2018, en passant par des engins logistiques portuaires. Le consortium Hytrack travaille spécifiquement sur des engins très lourds comme des camions routiers ou des engins de chantiers. Mené par l'électronicien Tronico, le projet témoigne du besoin de mettre au point l'électronique de puissance adaptée à la conversion des courants de puissance en jeu. Dans l'aviation civile aussi, la pile à combustible, qui a déjà prouvé son efficacité dans les navettes spatiales, pourra être utilisée en substitution du moteur pour produire de l'électricité pour les groupes auxiliaires de puissance et assurer notamment le roulage au sol de l'avion. Moins matures que les batteries, les piles à combustibles devront s'appuyer sur un système de production, de stockage, et de distribution de l'hydrogène encore embryonnaire pour espérer se développer à grande échelle.

Design : les véhicules réinventés

« Le rôle du designer est de réfléchir au futur de la mobilité en termes de scénarios d'usage, de services apportés à l'utilisateur, de business model pour les opérateurs et enfin de produits et de technologies à mettre en oeuvre pour y arriver », explique Maurille Larivière, co-fondateur de the Sustainable Design School. Une approche qui permet de penser le véhicule autrement, de sortir des sentiers battus et de ne plus tourner en rond autour des architectures traditionnelles. « Le designer réinvente l'objet autour des usages, avec à l'esprit de nouveaux préceptes : partage, collaboration, développement durable, mais aussi impression 3D, do-it-yourself... » « C'est de cette rencontre d'une génération de designers dotés d'une grande ouverture d'esprit et d'entreprises en recherche d'innovation durable que naîtront les futurs moyens de mobilité », complète Mike Lévy, directeur du département mobilité du Strate, École de design.

Trois technologies en lice

1. PILE À HYDROGÈNE C'est la filière qui monte. La pile à combustible recombine dihydrogène et dioxygène pour fournir de l'électricité. Avantage : une puissance indépendante de la quantité d'énergie stockée. Défis : diminuer les coûts de production et assurer un maillage pour la production, le stockage et la distribution du dihydrogène. 2. BATTERIE Basée sur la conversion réciproque de l'énergie chimique en énergie électrique, la batterie est plus réactive aux demandes du moteur que la pile à combustible et permet aujourd'hui les premiers développements du véhicule électrique. Elle souffre cependant encore d'une trop faible autonomie et d'un temps de recharge trop long. 3. SUPERCONDENSATEUR Le supercondensateur stocke l'énergie sous la forme d'un champ électrostatique, ce qui lui permet de se recharger ou de se décharger beaucoup plus rapidement qu'une batterie. Mais il dispose encore d'une trop faible capacité de stockage pour être utilisé en dehors des réseaux urbains ou périurbains où il fait déjà rouler des bus électriques.

IT WEB VidéoSous-marin électrique

En 2014, le groupe DCNS a présenté trois solutions permettant de prolonger l'autonomie en plongée des sous-marins conventionnels d'une à trois semaines, contre trois jours seulement avant. Une batterie utilisant des piles lithium-ion, une technologie vapeur, et enfin une pile à combustible dont l'hydrogène est produit par reformage des hydrocarbures.

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