Dans ce nouveau volet de notre dossier sur le véhicule électrique, nous allons nous arrêter sur un sujet qui est déterminant pour son déploiement : la batterie.

Ces dernières années, les batteries lithium-ion ont pris une place prépondérante dans les systèmes de stockage d’énergie. A l’origine surtout utilisées dans les équipements électroniques mobiles (baladeurs mp3, téléphones et ordinateurs portables), les batteries lithium-ion vont faire leur apparition dans des véhicules électriques. En effet des constructeurs tels que Mercedes, BMW, Ford, GM et récemment l’alliance Renault/Nissan ont annoncé leur intention d’en équiper leurs modèles électriques.

Le lithium-air, la technologie du futur ?

Depuis une autre technologie émerge : le lithium-air qui met en œuvre un couple lithium-dioxygène offrant une densité énergétique très élevée (typiquement entre 1 700 et 2 400 Wh/kg), près de 10 fois supérieure à celle des batteries lithium-ion (autour de 200Wh/kg). Avec cette technologie, la batterie n’est plus un système hermétiquement clos car elle va, comme son nom l’indique, utiliser l’air ambiant pour fonctionner. Plus précisément l’oxygène, une fois filtré, va réagir avec le lithium pour être ensuite utilisé dans la réaction nécessaire à la génération de l’électricité. L’avantage d’un tel procédé est d’utiliser un composant qui n’est pas stocké dans la batterie, ce qui permet de l’alléger et de réduire son encombrement.

Des projets prometteurs

Bien que cette technologie lithium-air ne soit pas nouvelle à proprement parler, certains groupes de chercheurs travaillent sur le sujet depuis une vingtaine d’années, les recherches dans ce domaine ont incontestablement connu, ces dernières années, un coup d’accélérateur.

Pour exemple, le projet « Battery 500 » lancé en 2009 par IBM. Cette initiative, regroupe 40 ingénieurs et scientifiques parmi les meilleurs de la planète, a pour objectif d’augmenter considérablement l’autonomie des véhicules électriques d’aujourd’hui.

Selon Spike Narayan, chercheur chez IBM : « La technologie des batteries s’est améliorée, mais elle reste largement inférieure à l’essence en terme de quantité d’énergie détenue. La densité d’énergie – c’est à dire la quantité d’énergie stockée par unité de volume – d’une batterie lithium-ion ne suffit vraiment pas à transporter une berline familiale sur des distances comprises entre 500 et 800 km. »

Fort de cette constatation IBM ambitionnait de réaliser d’ici 2010 un véhicule électrique avec une autonomie de 50 miles (800 km). Nous attendons les résultats.

Plus récemment, le 15 avril 2011, un projet international, baptisé LABOHR (Lithium-Air Batteries with split Oxygen Harvesting and Redox processes), a été lancé au Centre de recherche sur les batteries MEET (Münster Electrochemical Energy Technology) de l’Université Wilhelm de Westphalie (WWU) de Münster (Rhénanie-du-Nord-Westphalie). L’objectif est de développer de nouvelles batteries, reposant sur la technologie lithium-air, destinées à l’automobile électrique.

Aux côtés de la WWU on trouve des équipes internationales provenant aussi bien de centres de recherches et d’universités que d’entreprises. Sont ainsi présents les universités de Tel Aviv en Israel (TAU), Kiev en Ukraine (KNUTD), Bologne en Italie (UNIBO) et Southampton en Angleterre (SOTON), les entreprises Volkswagen, Chemetall, AVL List GmbH et SAES Getters, ainsi que le Conseil supérieur de la recherche scientifique (Consejo Superior de Investigaciones Cientificas, CSIC) et les Services de recherche européens (European Research Services GmbH).

À noter que ce nouveau projet est financé par l’Union européenne à hauteur de 3 millions d’euros.

Et demain ?

Pour que le véhicule électrique devienne réellement le moyen de transport populaire du futur, il est nécessaire d’opérer une rupture technologique dans le domaine des moyens de stockage. Les batteries de demain devront être plus puissantes, plus légères, moins encombrantes et surtout moins chères, de façon à permettre, aux voitures électriques, d’avoir au moins la même autonomie que les voitures thermiques actuelles avec un coût d’achat similaire. La technologie lithium-air qui répond à tous ces critères (du moins sur le papier, mais peut-être plus pour très longtemps…) serait-elle cette révolution technologique tant attendue ? Permettra-t-elle au véhicule électrique d’atteindre sa vitesse de croisière et d’être enfin considéré comme l’alternative au pétrole qui nous emmènera vers un monde moins pollué. Le débat est ouvert…

Les énergies renouvelables seront-elles à l’avenir, les meilleures alliées des véhicules électriques ? Dans ce volet du dossier consacré aux véhicules électriques, Econov’ va tenter de répondre à cette question.

La réduction de nos émissions de gaz à effet de serre (GES) pour lutter contre le réchauffement climatique est devenu un leitmotiv décliné sur tous les tons. Un secteur y est plus particulièrement montré du doigt, il s’agit des transports. Responsable à hauteur de 34% du CO2 émis (source : SOes, bilan de l’énergie), il est le premier pourvoyeur de GES en France. Ce n’est pas tout, c’est également un grand consommateur d’énergie fossile. 69% de la consommation de pétrole lui est dû (source : SOes, bilan de l’énergie). Face à cela le déploiement de solutions mobiles « décarbonés » (véhicules électriques et hybrides) est un premier élément de réponse.

Ne serait-il pas possible d’aller encore plus loin en mariant véhicules électriques et énergies renouvelables ?

Que faire du coté des Véhicules Électriques ?

Des solutions commencent à voir le jour avec notamment la pose de cellules photovoltaïques sur le toit. Certes, compte tenu de la faible surface disponible, la puissance fournie n’est pas suffisante pour faire rouler le véhicule en toute autonomie mais peut alimenter des auxiliaires tels que la climatisation, le chauffage, l’auto-radio… et à l’arrêt participer à la recharge de la batterie.

La preuve par l’exemple…

Le constructeur automobile japonais Toyota équipe déjà certains modèles de sa Prius hybride de panneaux photovoltaïques pour en alimenter la climatisation.

De même, Fiat collabore avec la société irlandaise Solarprint, au sein d’un projet européen baptisé SMARTOP, au développement de « petits » panneaux solaires qui installés sur le toit d’un véhicule permettraient de réduire ses émissions de CO2 de 15%.

Et les infrastructures de recharge ?

Pour déployer des structures de recharge alimentées par l’énergie solaire, il y a deux possibilités. La première et la plus simple est sans aucun doute d’équiper des infrastructures existantes. En effet, ces deux dernières années, plusieurs projets de grands parkings – supermarchés, entreprises, palais des d’expositions – équipés d’ombrières photovoltaïques ont vu le jour ou sont en cours de réalisation :

• Centre LECLERC de Saint-Aunés près de Montpellier : 5472 panneaux solaires pour une surface couverte de 8045 m² produisent 1,42GWh annuel.
• PSA à Sochaux : 9300m² couverts de 4800 panneaux pour une production de 1,28GWh par an.

• Parc des expositions de Bordeaux-Lac : 60000 panneaux produiront d’ici 2012 13GWh par an

En complément de ces installations, il serait facile d’installer des bornes de recharge pour véhicules électrique qui ne détourneraient somme toute qu’une faible partie de la production globale.

La deuxième solution consiste à implanter des stations de recharge alimentées directement à l’énergie solaire. A noter, l’expérience en cours, depuis octobre 2010, à l’Institut National de l’Energie Solaire (INES) où en partenariat avec Toyota, une station de recharge solaire est testée. Constituée d’une ombrière de 150 m² de panneaux photovoltaïques, elle assure l’alimentation des 12 postes de recharge à destination de la flotte des 10 Toyota Prius hybrides rechargeables.

Une autre approche, le Vehicule-to-Grid

Un autre moyen pour diminuer les émissions de gaz à effet de serre est d’utiliser les batteries des véhicules électriques comme moyens de stockages d’énergie. Grâce au développement des « smart grids » ou réseaux intelligents, cette approche appelée « Vehicule-to-Grid » (V2R) permet, en  inversant le flux d’énergie, de réinjecter pendant les périodes creuses, principalement la nuit, de l’électricité sur le réseau. Cet apport supplémentaire pourrait ainsi éviter  d’avoir recours aux moyens de pointe habituels (centrales thermiques au gaz).

Bien sûr tout ceci n’en est qu’aux balbutiements mais, comme nous avons pu le constater, des solutions innovantes existent. Il faut maintenant la volonté politique de les mettre en œuvre à grande échelle. Nos gouvernants auront-ils cette volonté ? Qu’en pensez-vous ?

Bonjour, aujourd’hui Econov’ vous propose de traiter d’un sujet d’actualité : le véhicule électrique. Dans ce premier volet, nous allons nous pencher sur les systèmes de recharge, plus particulièrement les nouvelles technologies sans fil.

Dans son récent livre vert sur les infrastructures de recharge ouvertes au public pour les véhicules « décarbonés », Louis Nègre, sénateur des Alpes-Maritimes et coordinateur interministériel, déclare :

« d’ici 2013, la quasi-totalité des constructeurs automobiles dans le monde aura lancé un ou plusieurs modèles de véhicules rechargeables. En France, les premiers sont commercialisés au dernier trimestre 2010. Cette nouvelle génération de véhicules est rendue possible par l’apparition notamment de nouvelles technologies de batterie, plus stables et aux performances techniques plus élevées (autonomie, absence d’effet mémoire etc.). »

Pour accompagner ce phénomène, le développement de solutions de recharge (équipements et infrastructures) va rapidement être un enjeu majeur que devront intégrer aussi bien les constructeurs automobiles que les pouvoirs publics. Une des principales interrogations de l’usager concernant les véhicules électriques étant son autonomie : « Combien de kilomètres je peux parcourir avant d’avoir à recharger ma batterie ? ».

Dans le domaine des équipements et des infrastructures de recharge deux philosophies s’affrontent : la charge « avec fil » ou la charge « sans fil ». Chaque technologie apporte son lot d’avantages, notamment la recharge sans fil, permettant de s’affranchir des câbles qui trainent, et de simplifier les opérations de recharge.

Dans cet article, nous ne traiterons que des systèmes de recharge sans fil, porteuses d’espoir pour la facilitation de la recharge des véhicules électriques.

Un peu d’histoire

La technique permettant de transférer de l’énergie électrique sans contact direct n’est pas nouvelle. En 1836, Nicholas Joseph Callan est le premier à en faire la démonstration. Son appareil est constitué de 2 bobines isolées (appelées bobinages primaire et secondaire) placées autour d’un noyau de fer. En connectant par intermittence une batterie au primaire, il ‘induit’ une tension dans le secondaire, provoquant une étincelle.

Depuis, le procédé s’est quelque peu démocratisé, et il est utilisé dans les implants médicaux de même que dans certains objets de la vie quotidienne comme la brosse à dent électrique et les téléphones portables. Des expérimentations sur la recharge de voitures électriques ont même été menées dans les années 90.

Deux technologies concurrentes pour la recharge sans fil

Aujourd’hui deux technologies s’affrontent : La transmission d’énergie par couplage inductif électromagnétique et la transmission d’énergie par couplage inductif par résonance. Voyons d’un peu plus près de quoi il s’agit.

Le couplage inductif électromagnétique

Le système est composé de deux capteurs : Un émetteur (le chargeur) relié au réseau électrique et un récepteur (l’appareil à recharger) couplé à la batterie.

Lorsqu’un courant circule dans l’émetteur, un champ magnétique se crée induisant un courant électrique dans le récepteur qui permet de recharger la batterie.

Cependant ce procédé a un défaut majeur : l’émetteur et le récepteur doivent être parfaitement alignés et très proche l’un de l’autre, l’intensité du champ magnétique diminuant proportionnellement au carré de la distance.

Le couplage inductif par résonance

Ce nouveau procédé de transfert d’énergie sans fil baptisé WiTricity, mot-valise pour « wireless electrity », a été conçu par Dave Gerding en 2005 et mis en évidence en 2007 par une équipe du Massachusetts Institute of Technology (M.I.T.) dirigée par le professeur Marin Soljačić.

En utilisant deux bobines de cuivre de 60 centimètres de diamètre avec une résonance de 10 MHz, l’une branchée sur une ampoule de 60 watts et l’autre sur une source électrique située à environ deux mètres de distance, ils ont allumé l’ampoule, avec une efficacité de 40%, ceci même si les deux objets n’étaient pas dans la ligne de la vue.

Le principe de fonctionnement est similaire à celui d’un transformateur «à air» : la bobine émettrice (le transmetteur) est alimentée en courant, ce qui génère un champ magnétique. Sous l’effet de ce champ magnétique un courant induit se crée dans la bobine réceptrice (le récepteur). Le fait que les deux bobines soient accordées à la même fréquence génère un phénomène de résonance qui a pour effet d’augmenter la distance à laquelle le couplage magnétique peut être transmis.

La technologie de transfert d’énergie par résonance permet donc de transférer efficacement la puissance sur des distances beaucoup plus grandes et de s’accommoder d’un alignement de stationnement plus approximatif que les systèmes à induction traditionnels. De plus, la transmission d’énergie n’est que faiblement perturbée par la présence d’objets entre les bobines, et reste peu nocive pour l’environnement immédiat.

Tout ceci apporte plus de souplesse d’utilisation, les équipements peuvent être noyé dans la chaussée et sont insensibles aux conditions climatiques (pluie, neige, verglas…).

Des expériences de recharge sans fil déjà réalisées

Praxitèle

Cette expérimentation menée à Saint Quentin en Yvelines, qui dura d’octobre 1997 à juillet 1999, mettait à disposition des usagers une flotte de véhicules électriques type Clio en libre service.

Pour cette expérience, EDF et Dassault Electronique ont mis au point et testé un système de recharge sans fil à induction.

Bus électriques à Turin et Gênes

Dans les années 90, la société néo-zélandaise HaloIPT a fourni aux villes de Turin et de Gênes, en Italie, une quarantaine de bus équipés de son système de recharge sans fil par résonance. Ces bus sont toujours en service actuellement et se rechargent avec ce système à résonance

Google / Evatran

Sur son campus de Mountain View, Google met à disposition de ses employés une flotte de véhicules électriques qu’ils pourront recharger à partir de bornes sans fil « Plugless Power » de la société Evatran.

La recharge sans fil par résonance se développe donc aussi outre-Atlantique !

Les principaux acteurs du marché

Les produits de recharge sans fil actuellement disponibles sur le marché offrent des caractéristiques équivalentes aux systèmes à fil. La puissance transmise est de l’ordre de 3kVA, pour une recharge complète en 8 heures environ (recharge standard). Coté économique, les chargeurs sans fils devraient être proposés à des prix similaires aux chargeurs filaires.

WiTricity (www.witricity.com)

Cette société fondée en 2007 commercialise la technologie du transfert d’énergie par couplage inductif par résonance, élaborée et expérimentée par le professeur Marin Soljačić, directeur d’une équipe de chercheurs du MIT. En 2010, WiTricity et Delphi Automative ont conclu un accord pour développer des systèmes de recharge sans fil à destination des véhicules électriques et hybrides.

Récemment, en avril 2011, Toyota Motor Corporation (TMC) a signé un accord de collaboration technologique avec Witricity concernant la mise en œuvre et la promotion de l’utilisation des systèmes de recharge sans fil des batteries des véhicules hybrides. TMC prévoit également de participer à l’augmentation de capital de WiTricity Corp.

HaloITP (www.haloipt.com)

Cette société néo-zélandaise développe et commercialise des systèmes complets de recharge sans fil adaptable sur tout type de véhicule.

Le système est compatible Vehicule-to-Grid, c’est-à-dire qu’il est réversible, et le véhicule peut réinjecter l’énergie de sa batterie dans le réseau électrique. Cette technologie pleine d’espoir permettrait donc avec les SmartGrid de coupler les véhicules électriques aux énergies renouvelables.

Evatran (www.pluglesspower.com)

Filiale de la société américaine MTC Transformer (fabricant de transformateurs), Evatran, crée en 2009, commercialise « Plugless Power », un système de recharge sans fil. Actuellement la société Google teste « Plugless Power » en grandeur nature sur le site de son siège dans la Silicon Valley.

Des avantages incontestables et des applications concrètes pour la recharge sans fil

Nous avons pu voir que la recharge sans fil offre de nombreux avantages :

• Pas de contact entre la borne de recharge et le véhicule donc pas de fil à ne pas oublier de brancher (ou débrancher)
• Des capteurs, intégrés à la chaussée ou au sol des parkings, qui ont ainsi moins d’impact visuel sur l’environnement.
• Une insensibilité aux conditions climatiques (pluie, neige, glace), de même qu’à la poussière et aux produits chimiques, qui la rend utilisable dans tous types d’environnements (parkings extérieurs, milieux industriels..).
• Un transfert d’énergie qui ne s’établit que lorsqu’un véhicule est stationné au-dessus du chargeur, d’où pas de risque pour la sécurité des personnes.

La technologie à résonance qui semble offrir plus d’avantage que l’induction électromagnétique sera certainement la solution de demain même si elle doit encore progresser pour atteindre des rendements supérieurs à 80%.

La recharge sans fil a sans aucun doute de beaux jours devant elle-même s’il sera certainement nécessaire de continuer à développer également la recharge filaire afin de réserver la possibilité aux usagers de recharger avec un câble, solution moins pratique mais moins chère. A terme, la recharge sans fil, qu’elle soit à induction ou à résonance, devrait permettre de résoudre les problèmes posés par la présence de câbles sur la voirie et de simplifier les opérations de recharge de véhicule électrique.

De plus, la technologie à résonance ouvre la voie vers la recharge « en continu ». De quoi s’agit-il ? Une voie de circulation réservée aux véhicules électriques est crée où des capteurs sont intégrés dans la chaussée à intervalles réguliers. En passant dessus, le véhicule capte l’énergie qui lui permet de recharger sa batterie en continu.

La recharge sans fil semble donc avoir de l’avenir, pourvu que les conditions de sécurité et les effets sanitaires ne lui donnent pas du fil à retordre sur le long terme!