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Les technologies du futur

La voiture du futur (VII)

Nous le constatons déjà au fil des expositions, les nouvelles voitures intègrent de plus en plus de dispositifs d'aide à la conduite et de systèmes de sécurité qui les rendent tous les jours un peu plus intelligentes et nos routes plus sûres.

Cela n'a l'air de rien, mais comparées aux voitures construites il y a 50 ans, nos voitures modernes disposent toutes de voyants d'alarmes, de phares antibrouillards, du dégivrage, d'appuie-tête, de ceintures de sécurité, d'airbags, de vitres électriques et autre ABS (anti-blocage des roues) qui accroissent notablement la sécurité active ou passive des usagers de la route.

Pratiquement tous les nouveaux modèles disposent déjà d'usine d'un système antivol, de la clé magnétique ou du starter, de la climatisation, du GPS (géolocalisation), du système EPS (correcteur d'assiette), d'un ordinateur de bord, d'un régulateur de vitesse actif, de l'éclairage variable et directionnel, de l'alarme de proximité, de l'aide au parking et de sièges chauffants, autant d'options héritées des modèles de classe supérieure.

Les carrosseries sont en acier allégé (40% plus léger), en plastique ou en aluminium, et même en magnésium ou en fibre de carbone sur les haut de gamme. Pour certains automobilistes exigeants, ces options ne sont plus un luxe mais une nécessité pour leur sécurité, celles des autres usagers de la route et pour le plaisir de conduire.

Toutes ces options vont dans le sens de la démocratisation même si toutes ensembles elles peuvent augmenter la facture finale de... 40% !

Il ne fait aucun doute que toutes les options dites "de luxe" aujourd'hui suivront à terme ce mouvement et seront proposées sur tous les modèles de la gamme dès que le constructeur jugera que le retour sur investissement sera suffisant. Mais ce n'est pas pour autant qu'il fera des promotions (souvent réservées à des constructeurs qui veulent grapiller quelques parts de marché à leurs concurrents plus fortunés).

Même si dans le futur on peut espérer qu'il y aura plus de voitures partagées ou en libre-service, l'achat d'une voiture représentera toujours un investissement important que les jeunes retardent le plus longtemps possible et qui pose souvent un problème aux personnes retraitées dont le pouvoir d'achat a fortement diminué.

Nous allons passer en revue plusieurs thèmes, parmi lesquels :

- La voiture en 2030

- La voiture électrique

- Les nouveaux matériaux

- Les biocarburants

- Les systèmes de sécurité, dont l'aide au parking et l'éclairage

- Les systèmes tête haute (HUD) et la réalité augmentée

- la voiture autonome.

La voiture en 2030

Quand on imagine la voiture du futur on se tourne naturellement vers les bureaux d'études et les designers. Les concepts qu'ils inventent font souvent rêver ou nous laissent parfois songeurs, mais jamais indifférent.

Le concept de Lexus LF-LC imaginé en 2013 par le designer coréen Sangwong Seok.

Les designers automobiles sont des stylistes spécialisés en conception industrielle et donc pas uniquement focalisés sur les automobiles. Ils sont également capables de dessiner les habitations ou les yachts du futur comme par exemple Vincent Callebaut ou Karim Doku bien que tous finissent par se spécialiser dans un secteur particulier.

Aidé par le dessin et la conception assistée par ordinateur, les designers automobiles créent les véhicules du futur, libérant leur imagination la plus débridé qu'ils focalisent sur le style de la voiture, l'aérodynamisme de la carrosserie et l'aménagement de l'espace intérieur.

Si certains designers ne se préoccupent pas de savoir comment leur concept sera fabriqué ni comment il sera propulsé, la plupart d'entre eux ne peuvent pas se limiter à ce travail purement conceptuel. Travaillant pour des constructeurs, ils doivent également tenir compte des contraintes techniques liées au fonctionnement et à la fabrication de leur concept tout en respectant l'image de la gamme que veut promouvoir le constructeur.

Si la plupart des concepts n'aboutissent jamais à un prototype, de temps en temps un élément de la carrosserie ou du tableau de bord d'un concept ou le moteur d'un prototype se retrouve cinq ou dix ans plus tard au catalogue du concessionnaire de la marque. Récemment, ce fut notamment le cas avec le concept car XL1 de VW imaginé en 2009 qui donna une voiture de (petite) série en 2014, son moteur hybride ayant été repris sur la VW Up! commercialisée fin 2014.

C'est dans ce contexte mais également pour découvrir de nouveaux talents et inciter le marché à évoluer, que depuis 1999 a lieu le "Design Challenge" au cours de l'Auto Show de Los Angeles. Chaque année un thème différent est proposé. En 2009, le comité de direction du DesignLA avait choisi pour thème "YouthMobile 2030" ou "Comment la nouvelle génération de conducteurs âgés de 16 à 23 ans, nés avec les téléphones portables, les webcams et les réseaux sociaux, seront émotionnellement connectés à l'automobile en 2030 ?"

Nous n'aurons pas la réponse avant quelques années mais six parmi les plus grands designers de chez Audi/VW, GM, Honda, Mazda, Nissan et Toyota ont proposé leur interprétation de la voiture de la jeunesse de 2030.

Quand on leur demanda ce que leur concept avait de particulier pour plaire aux jeunes de la prochaine génération, les designers ont évoqué la liberté offerte par la grande autonomie des véhicules du futur ainsi que par l'intelligence embarquée et les fonctions dynamiques s'adaptant au conducteur (Audi/VW), le système autonome de conduite et de navigation (GM), la carrosserie et des matières à reconnaissance d'ADN et adaptatives tant en formes qu'en couleurs (Honda), le véhicule personnalisable grâce à la réalité virtuelle tout en étant accessible et écologique (Mazda), son moteur électrique combinant dynamisme et qualité (Nissan) ou encore la carrosserie personnalisable par le client et dont les roues sphériques transmettraient l'énergie par friction grâce à une matière électro-conductive (Toyota). Effectivement, tout cela est futuriste, innovant et séduisant.

A voir : LA Auto Show Design Challenge 2009

Le coupé hybride XL1 au catalogue de VW (sur le blog, 2014)

Concepts cars sur le thème "Jeunesse Mobile 2030" proposés par les designers de quelques grands constructeurs lors du LA Auto Show Design Challenge 2009. Le lauréat fut le concept car V2G de Nissan (ci-dessus au centre).

Le constructeur qui remporta le challenge 2009 fut Nissan avec son concept car V2G présenté ci-dessus au centre. Son inspiration fut de considérer que "d'ici 2030, les principales artères sont passées à l’électrification. Le "Vehicule-To-Grid" offre une gamme très complète, que l’on peut s’offrir moyennant des ententes contractuelles, similaires à celles que l’on prend aujourd’hui pour se procurer un téléphone portable. Ce type d’approche a fait de Nissan, un leader mondial en 2030."

On constate malgré tout une tendance à l'individualisme, la majorité des concepts proposés étant des monoplaces. A une époque où la communication et les réseaux sont plus précieux que le silence et la solitude, c'est paradoxal d'imaginer que les jeunes se déplaceront seuls, sans leurs amis ou leur partenaire. Néanmoins, nous verrons plus loin qu'en ville ou pour parcourir de petites distances, il existe effectivement un marché pour les petits véhicules.

Si certaines idées techniques paraissent plus osées, farfelues ou irréalistes que d'autres il ne faut pas oublier qu'en parallèle la technologie évolue, notamment celle des processeurs, de la nanotechnologie et de l'analyse de l'ADN qui rendront ces concepts à portée des ingénieurs dans quelques années, à une époque où un processeur coûtera moins cher qu'un bout de papier.

Les ingénieurs nous diront dans dix ans s'ils ont trouvé le moyen de transformer ces idées de la planche de dessin à la chaîne de montage.

Salons de l'Auto : Detroit - Los Angeles - Tokyo - Francfort - Paris - Bruxelles - Genève

parmi plus 170 salons automobiles et expos existants à travers le monde

Auto Show (depuis 2000) - Top Gear - Turbo - Moniteur Automobile

L'avenir est aux petits véhicules

Constatant que nos grandes villes sont prises dans les embouteillages quasi en permanence, beaucoup de citadins utilisent les transports en commun, parfois encouragés dans leur démarche par des incitants financiers. Mais lorsque ces moyens de transports ne roulent pas en site propre, ils sont également confrontés aux embouteillages, que le gouvernement ou les communes aient ou non défini des conditions de circulation.

De plus, la plupart des véhicules qui circulent en ville ne transportent qu'une seule personne. Ils occupent donc au minimum deux fois plus d'espace qu'une petite voiture genre "Smart" et souvent dans des créneaux horaires bien précis.

L'amplification des problèmes d'embouteillages, de parking et de pollution dans les villes incitent de plus en plus de citadins à s'orienter vers les petites voitures offrant une faible consommation, dégageant peu de gaz carbonique (éco-taxes obligent) et se glissant partout.

Quatre concept cars, le Moovie de Peugeot (lauréat de la compétition des designers de 2005), le Minicat de Honda (2008) à air comprimé, l'EN-V de General Motors (2010) et l'Eggo de Damnjan Mitic pour Citroën (2011) dont les moteurs sont placés dans les roues. Dans certains concepts, des plaques solaires sont intégrées à la carrosserie.

Comme le pensent également les designers automobiles, une voie d'avenir et un secteur très porteur est celui des petites voitures citadines électriques à 1, 2 ou 3 places à l'avant tels les concepts Eggo de Citroën, EN-V de General Motors, V2G de Nissan, Moovie de Peugeot, PiXY de Suzuky, le Minicat et la Puyo de Honda, cette dernière ayant une carrosserie souple gélifiée. Mais pas d'empressement, ces véhicules urbains ne dépassent pas 50 km/h et ont une autonomie d'environ 50 km. Ceci dit, malgré ces bonnes intentions, aucun de ces véhicules n'a vu le jour.

A l'image des vélos en libre service, il existe également un marché pour les mini-voitures monoplaces ou à deux places et autonomes. Elles seront mises à la disposition du public moyennant l'utilisation d'une carte d'accès et un paiment au prorata des kilomètres parcourus, de la durée d'utilisation ou d'un forfait.

Cette "City car" ou "Cybercar" disposera d'un moteur électrique et d'un système de pilotage automatique géré par GPS (ou Galileo) allant jusqu'à parquer la voiture sans intervention humaine. Elle sera équipée d'une liaison informatique afin que les utilisateurs puissent interroger des bases de données comme le proposent déjà actuellement les voitures connectées équipées de GPS et d'écran tactile.

Des prototypes sont déjà testés aux Etats-Unis, à Londres, à Rome et à Castellon en Espagne. Actuellement ces véhicules sont encore peu utilisés, se limitant à transporter les visiteurs du parking ou de la gare vers le parc d'exposition. A terme, ces véhicules s'intégreront au paysage routier, bien que l'accès aux voies rapides leur sera interdit du fait de leur conception (stabilité et puissance limitées, vitesse maximale insuffisante).

BMW CLEVER

Tricycle monoplace

SUZUKY PiXY

Concept de monoplace électrique

HONDA Puyo

Mini-voiture deux places

La voiture électrique

Comme le rappelle cet article, il aura pratiquement fallut un siècle pour que les voitures électriques roulent dans nos rues ! Comme en 1881, aujourd'hui les raisons de cette timidité sont la faible autonomie des batteries et le défaut de compétitivité de ces véhicules comparé aux voitures thermiques.

Heureusement, en un siècle les technologies et la conjoncture économique ont évolué, permettant aux industriels de proposer des voitures électriques à des prix compétitifs, du moins si on reste dans la catégorie des petites voitures ou des modèles compacts.

L'intérêt de la voiture électrique est avant tout économique avant d'être écologique. En effet, la plupart des clients achètent un véhicule électrique non pas parce qu'ils sont écologiques ou fan de haute technologie - ce sont des facteurs appréciés mais secondaires - mais parce qu'ils sont directement touchés dans leur budget par la hausse permanente du prix du pétrole.

En 2009, la Mitsubishi i-MiEV (batterie de 14.5 kWh développant 196 Nm, 67 ch) fut la première voiture électrique commercialisée au monde. Elle fut d'abord produite à 1400 exemplaires pour le marché japonais et proposée à l'époque au prix de 4.7 millions de Yens ou 33500 € dont les 2/3 financés par les aides publiques. Sa production fut arrêtée en 2020 après avoir vendu seulement 32000 unités en 11 ans.

Début 2008, pour la première fois le baril de pétrol brut (Brent) a dépassé les 100$ à la Bourse de New York et suit actuellement une progression alarmante qui le conduit tout droit vers les 200$ d'ici quelques décennies. C'est le signe annonciateur de la fin du pétrole bon marché. On y reviendra. En Europe, cela signifie que les prix de l'essence et du diesel déjà proches respectivement de 1.7 et 1.5 €/litre en 2020 selon les pays dépassera les 2 €/litre voire davantage dans quelques années, pénalisant tous les ménages.

L'actualité nous rappelle de façon de plus en plus pressente que le moteur à explosion est voué à disparaître du parc automobile d'ici deux ou trois générations, d'abord au profit du moteur hybride, ensuite probablement au profit du moteur électrique (probablement, car nous verrons qu'il existe une solution alternative exploitant un biocarburant à base de micro-algues).

L'argument écologique de la voiture électrique venté par certains constructeurs, notamment dans les pays fortement nucléarisés, n'est pas recevable à moins de considérer le nucléaire comme une énergie propre sans déchets polluants et la fabrication de ces véhicules neutre en carbone. Quoiqu'en disent les pronucléaires et les constructeurs, ce n'est pas le cas. On reviendra sur le pour et le contre de l'énergie nucléaire.

La production d'électricité peut être assurée de différentes manières : par des plaques solaires, des batteries à base de lithium (LMP) ou encore par une pile à combustible. Ainsi que nous le verrons dans l'article consacré à l'après Kyoto et les voitures électriques, cette technologie progresse constamment.

Les constructeurs ont commercialisé les premiers véhicules électriques en 2009 avec la Mitsubishi i-MiEV proposée au Japon. Elle fut suivie par la Bolloré Bluecar, la Citroën C-Zéro, la Fiat 500e et la Nissan Leaf commercialisées en 2010, l'Ampera et la Chevrolet Volt en 2011 (GM), la Fluence de Renault, la Smart, la Mercedes SLS AMG Electric Drive, la Ford Fusion, la Fisker Karma et la Tesla Model S en 2012, la Ford Fusion Energi, la Kia Soul et la Mahindra Reva e2o (Inde) en 2013. Puis le marché s'est étoffé avec des modèles électriques chez BMW (i3), VW (e-Golf), Peugeot (iOn), General Motors (Bolt), Volvo (XC40), MG (ZS), Jaguard (i-Pace), Audi (e-tron GT), etc. Bien sûr, tous ne sont pas de la même catégorie, ne présentent pas les mêmes options ni les mêmes performances

Audi présenta son premier concept électrique e-tron lors du Salon de l'automobile de Francfort en 2015. Selon, les modèles (e-tron 50, 55 et S) et les batteries, l'autonomie varie entre 300 et 450 km. Aujourd'hui Audi propose toute une gamme de véhicules électriques : des berlines, des SUV, des coupé 4 portes et même une R8.

Après le succès de la Tesla Model S, une berline électrique haut de gamme présentée au Salon de l'automobile de Francfort en 2009 (qui passa de la propulsion aux quatre roues motrices à partir de 2014) et qui reçut 5 étoiles à l'Euro NCAP (cf. le blog), en 2017 Elon Musk présenta la Tesla Model 3, le modèle électrique de troisième génération qui développe... 1020 chevaux et parcourt le 0 à 100 km/h en 2.1 secondes ! A ce jour, c'est l'accélération la plus rapide sur une voiture de production.

A lire : Les voitures hybrides et électriques

A gauche, la Tesla Model 3 commercialisée en 2014. Elle développe 1020 ch pour un couple de 420 Nm et atteint 322 km/h. Sur catalogue son autonomie est de 628 km (modèle longue autonomie) mais en pratique elle varie entre 450 et 580 km. Elle parcourt le 0 à 100 km/h en 2.1 secondes ! L'accélération est tellement puissante que vous finissez par avoir mal aux bras et à la nuque ! Au centre, le concept d'Audi e-tron GT révélé au Los Angeles Auto Show en 2018. Voici l'arrière du véhicule. Il fut commercialisé en 2021. La version GT Quattro développe 390 kW soit 530 ch pour un couple de 640 Nm. La version RS développe 646 ch pour un couple de 830 Nm en mode boost et parcourt le 0 à 100 km/h en 3.3 secondes. Son autonomie est de 450 km. A droite, la Mercedes EQS 100% électrique commercialisée en 2021 est la plus performante dans son segment. Elle affiche une autonomie de 580 à 770 km. Elle présente un CX de 0.20, le plus bas de toutes les voitures grand public. Le modèle 580 4Matic+ présente une puissance cumulée de 385 kW soit 524 ch pour un couple de 855 Nm. Avec un poids proche de 2.5 tonnes, elle parcourt le 0 à 100 km/h en 6.2 secondes pour une vitesse maximale de 210 km/h. Le prix varie du simple au triple entre ces trois modèles.

Mais si le marché des véhicules électriques a bien démarré pourquoi ne s'emballe-t-il pas ? Voyons les choses en face : en 2020, il n'existait que 1000 bornes de recharge électrique en Belgique. C'est 25 fois moins qu'en France et 40 fois moins qu'aux Pays-Bas ! On en trouve également qu'une poignée dans les parkings publics (cf. l'appli Chargemap pour mobile) ou d'entreprise et la plupart du temps les bornes sont déjà occupées et parfois elles sont même payantes ou réservées aux abonnés.

Vu ce faible intérêt des constructeurs comme du secteur privé (une résolution du Parlement Européen sur la performance énergétique des bâtiments votée le 17 avril 2018 exige que ce marché reste entre les mains du secteur privé), ajouté au prix élevé d'une voiture électrique et au prix d'installation d'une borne électrique à domicile, ceci explique en partie pourquoi la motivation du public ne suit pas et que technologique évolue relativement lentement.

Encore aujourd'hui, les infrastructures publiques manquent cruellement de bornes électriques de recharge (et quand elles existent certaines ne sont pas fiables ou hors d'usage), les prises électriques ne sont pas standardisées, le temps de recharge est très long (ce n'est qu'en 2014 que le Parlement Européen approuva la prise de recharge Combo , voir plus bas) et l'autonomie de ces voitures est réduite, oscillant entre 300 km pour les petites citadines et entre 450-780 km pour les derniers modèles de compactes, berlines et sportives mais dont le prix est à la mesure de leurs performances.

Ceci dit tous les 10 ans à peu près l'autonomie des batteries double. Mais en 2021 Audi annonça qu'il n'allait pas augmenter leur autonomie (qui a un impact sur le poids du véhicule) mais comptait plutôt sur un changement des habitudes des conducteurs et sur l'évolution technologique des accumulateurs.

Sur le plan technologique, les accumulateurs évoluent dans le bon sens. En 2021, l'entreprise israélienne StoreDot, pionnière de la technologie de recharge électrique ultra rapide (XFC) proposa les premiers exemplaires de batteries capables de se charger... en 5 minutes. Elles utilisent des composés organiques combinés à des nanomatériaux. L'invention est protégée par une centaine de brevets. Mais il faudra encore attendre des années pour qu'elles soient éventuellement utilisées dans les voitures électriques grand public.

A voir : StoreDot, 2019

A gauche, échantillons des premiers exemplaires de batteries présentés en 2021 par StoreDot capables de se charger en 5 minutes. Elles utilisent des composés organiques et des nanomatériaux. A droite, la batterie Li-Ion développée par Panasonic et modifiée par Tesla. Pour produire les 85 kWh de la Tesla Model S, il faut 7104 batteries Li-Ion de ce type (appelées cellules) connectées en série dans 16 modules, chacun contenant 6 groupes de 74 cellules. L'ensemble pèse 540 kg. Tesla garantit ses batteries 8 ans ou 200000 km (car la batterie perd 1% de charge tous les 50000 km) ou sans limite de kilométrage pour les batteries produisant plus d'énergie.

Devant ce constat et le fait que la plupart des voitures électriques sont encore très chères, on observe la plus forte croissance dans le marché des véhicules hybrides. Pour l'Union européenne, au troisième trimestre 2021, la part de marché des véhicules hybrides dépassa celle des véhicules diesel. Selon l'ACAE, les immatriculations de voitures particulières hybrides ont représenté 20.7% du marché automobile européen total soit 449506 voitures hybrides, un nombre en progression de 31.5% sur un an. Cette croissance dépassa même 69% en Europe centrale.

Mais bien qu'en pleine expansion, ce marché représente selon les pays à peine 10 ou 15% du parc des voitures particulières, en tenant compte des modèles hybrides. Ainsi, en 2020 selon l'ACEA, en France les véhicules rechargeables (hybrides et électriques confondus) représentaient seulement 11.3% des immatriculations (cf. Avere-France) alors qu'une étude très optimiste du cabinet Xerfi prévoyait 16.5% rien que pour les véhicules hybrides en 2020. En Belgique, les véhicules rechargeables représentaient 10.7% du parc automobile (cf. Statbel) et 11.4% du parc au Luxembourg (cf. Statec).

Cette faible croissance s'explique du fait que l'autonomie du moteur électrique des véhicules hybrides dépasse rarement 50 km pour une vitesse maximale de 130 km/h (per ex. la VW Golf GTE). Le moteur thermique est également souvent de petite cylindrée (<1.5 litre) et devient poussif sur les routes de montagne ou dans les cols. Mis à part sur de petits trajets où l'hybride est optimisé, il ne s'agit donc pas encore de véhicules pouvant concurrencer les compacts, sportives, berlines et autres grandes routières équipées de moteurs thermiques traditionnels et puissants.

A gauche, évolution du parc mondial des voitures électriques entre 2005 et 2018. En 2018, on dénombrait 5.1 millions de véhicules électriques (100% électriques ou hybrides rechargeables). A droite, proportion de véhicules électriques et hybrides (hors utilitaires) dans les ventes mondiales de voitures particulières en 2020. Documents Statista adaptés par l'auteur.

Selon l'Observatoire Cetelem de l'Automobile (OCA), si 30% des Européens ne savent pas encore quel sera leur prochain modèle de véhicule, ils sont 25% à vouloir conduire un véhicule hybride contre seulement 7% à vouloir un véhicule électrique.

Cette indécision s'explique par la politique gouvernementale plutôt timide en cette matière (dans plusieurs pays européens la prime écologique a été supprimée), les problèmes techniques que rencontrent les constructeurs et la situation socio-économique qui incite les propriétaires à conserver plus longtemps leur véhicule (9.7 ans en moyenne en Europe selon l'OCA). On reviendra sur la question de l'âge du parc automobile quand nous discuterons de l'après-Kyoto et de la taxe sur les voitures polluantes.

Selon Statista, en 2018 on dénombrait 5.1 millions de véhicules électriques (100% électriques ou hybrides rechargeables) dans le monde. Selon les données du cabinet allemand Schmidt Automotive Research, en 2020 près d'un véhicule sur dix vendu en Europe était électrifié. On dépassa les 600000 véhicules neufs purement électriques en 2021, ce qui représente en moyenne une nouvelle immatriculation sur vingt. La progression la plus importante s'observe en Chine et aux Etats-Unis qui rassemblent la moitié du parc mondial des voitures électriques. En revanche, dans ces deux pays la proportion de véhicules rechargeables parmi les voitures particulières est très faible, avec respectivement 6.2 et 2.3% du parc automobile (hors véhicules utilitaires).

Comme le rapporte Statista, c'est en Norvège que la proportion de véhicules rechargeables est la plus élevée avec 74.8% du parc automobile en 2020. Mieux, 46% des voitures achetées en 2019 par les Norvégiens étaient électriques. On estime que cette proportion atteindra 100% en 2025. La proportion atteint 45% de véhicules rechargeables en Islande et plus de 32% en Suède.

Mais il y a une raison à ce boom de l'électrique en Norvège : l'Etat offre aux propriétaires un couloir de transport prioritaire, la gratuité des parkings publics, des recharges, des péages et l'exemption des taxes routières, ce qui représente des milliers d'euros d'économie chaque année pour l'heureux propriétaire comparé à ce qu'on paye en France ou en Belgique.

A voir : La Mitsubishi Emirai

Rinspeed iChange ou la voiture modulable du futur (sur le blog, 2009)

D'ici une génération la plupart de nos voitures seront électriques. En voici un aperçu. A gauche, la GM Chevrolet Sequel à moteur électrique Lithium-Ion. Ce concept 5 portes pèse 2 tonnes et délivre une puissance totale de 155 kW. A droite, le concept Mitsubishi Emirai repense totalement le poste de conduite de la voiture de 2020. Voici une deuxième image.

On estime que la progression du marché des véhicules électriques devrait s'accélérer dans les années à venir du fait que de plus en plus de constructeurs proposent au moins une e-car à leur catalogue.

En 2020, Smart du groupe Mercedes (Daimler) annonça sa transition vers la voiture 100% électrique. General Motors prévoit de lancer 30 modèles de voitures électriques d'ici 2023. Jaguard aura accompli sa transition vers le 100% électrique en 2025. Depuis, plusieurs fabricants ont annoncé leur transition vers le 100% électrique d'ici 2030, parmi lesquels Mercedes, Volvo, BMW, Fiat et Ford. Volkswagen sera 100% électrique en Europe entre 2033 et 2035 et plus tard aux Etats-Unis et en Chine. Honda proposera 40% de sa gamme en électrique d'ici 2030 mais ne sera 100% électrique que vers 2040.

En 2021, 44% du parc des véhicules électriques étaient fabriqués en Chine (contre 24% en 2020). Par rapport à 2020, en Chine les ventes ont progressé de +326%. L'Europe progressa +57% et les États-Unis et le Canada de +69%. L'Europe et l'Amérique du Nord représentaient 71% du marché mondial des voitures électriques.

 En Europe, un incitant important de cette transition fut la décision prise en 2022 par l'Europe (Union européenne et Parlement européen) d'interdire la vente des voitures et camionnettes neuves à moteur thermique (essence et diesel) en 2035 afin de réduire les émissions des gaz à effet de serre comme annoncé lors de la COP26 en 2021. Cela signifie qu'en 2035, seuls les véhicules 100% électriques, à batterie ou à hydrogène, seront autorisés. Concrètement, vous pourrez toujours acheter une voiture à moteur thermique jusqu'en 2034 ou continuer à rouler avec une voiture à moteur thermique après 2035. Le but est que d'ici 2050, toutes les voitures et camionnettes circulant en Europe soient neutre en CO2.

Les technologies s'améliorant et les standards se généralisant, on peut estimer que bien avant 2050 la plupart d'entre nous rouleront en véhicule électrique. Reste à savoir de quelle manière cette électricité sera produite car il existe d'autres technologies plus évoluées que la batterie classique.

Alimentation et bornes électriques

Pour l'alimentation des véhicules, pour des raisons historiques il existe au moins cinq types de prises électriques :

- le type 1 de Yazaki d'une puissance de 3 à 7 kW AC monophasé. C'est le seul câble qui dispose en option d'un transformateur relié à une prise de courant domestique pour charger le véhicule sur une prise ordinaire de 220/230V.

- le type 2 de Mennekes d'une puissance de 3 à 43 kW AC tétraphasé qui permet une charge rapide.

- le type 3 fut abandonné en 2016.

- le type 4 ou standard CHAdeMO des constructeurs japonais.

- le type Combo ou CCS qui est devenu le standard européen et américain.

- le type P17 ou prise bleue spécialement conçue pour les campings et les ports de plaisance. Sa puissance de charge est de 11 kW.

Actuellement, si on compte tous les types de prises pour véhicules et infrastructures, il existe encore 7 types différents.

La BMW hybride i8 (coupé) et le modèle i3 électrique (familiale) sont commercialisés depuis 2014. La i8 est équipée d'une prise de type 2, la i3 d'une prise Combo (prise CCS au standard européen).

En 2011, à l'initiative des constructeurs américains (Ford et General Motors) et allemands (Audi, BMW, Daimler, Porsche et Volkswagen), la prise universelle Combo ou CCS (Combined Charging System) fut proposée pour harmoniser la pléthore de prises existantes et s'imposer sur le marché international face au standard japonais CHAdeMO ou type 4. En effet, ce dernier est supporté par plus de 80 constructeurs et fabricants de matériel automobile japonais ou coréens tels que Hyundai, Honda, Isuzu, Lexus, Mitusbishi, Nissan et Toyota et paradoxalement (mais compréhensible sur le plan stratégique) par quelques constructeurs français comme PSA Peugeot Citroën, Valéo, le suédois Volvo, l'allemand Siemens et des américains comme Tesla et Chargepoint. Toutefois Nissan qui est le quatrième fabricant sur le marché nippon (derrière Toyota, Lexus et Honda) propose depuis 2021 une prise Combo sur son SUV Ariya.

La prise Combo est devenue le standard européen en 2014, isolant encore un peu plus la France, l'Italie et la Suède sur le marché automobile international. La prise Combo supporte les prises de types 1 et 2 et dispose de deux contacts supplémentaires dédiés à la recharge rapide en courant continu. Il existe deux standards : CCS 1.0 (400 V, 200 A, 80 kW max) et CCS 2.0 (200-1000 V, 500 A, 350 kW). Ce système intelligent comprend un protocole "Plug and Charge" qui permet à la borne d'identifier automatiquement le véhicule pour payer la recharge.

C'est Volkswagen qui fut le premier constructeur à proposer la prise Combo sur le modèle E-Up en 2020, suivi par BMW sur le modèle i3.

Mais il faut constater qu'en 2022 plusieurs fabricants de bornes domestiques (individuelles ou résidentielles) n'ont toujours pas intégré la prise Combo dans leurs modèles dont le suisse Greenmotion qui n'a pas encore compris que son pays fait partie de l'Europe. Alors comment fait-on pour recharger ces nouveaux véhicules à son domicile (car les bornes publiques proposent en général une prise Combo 2) ? Et bien, il faut trouver un fournisseur local d'électricité suffisamment bien informé connaissant les fabricants de bornes domestiques à prise Combo.

Pour la recharge statique rapide ou accélérée à domicile, y compris dans un garage en copropriété, il faut installer une borne électrique de type Combo (ou de type 2 selon la voiture) qui est aux frais du propriétaire. En 2022, comptez entre 460 € ttc pour une borne de recharge de 32A et 7 kW (rechargeant 44 kWh en 6 heures) et 1960 € ttc pour une borne de recharge de 32A et 22 kW (rechargeant 44 kWh en 2 heures) plus accessoires (câble, etc) qui peuvent s'élever à 300 € ttc. Il existe bien entendu des modèles bien plus chers (> 4500 htc chez Hager).

Dans certains pays, le gouvernement accorde une prime (300 € en France), un subside (50% du prix au Luxembourg) ou une réduction d'impôt (en Belgique) pour l'achat d'une borne.

Avec la technologie actuelle des batteries Li-Ion, le temps de recharge d'une batterie de 44 kWh (autonomie de 300 km) sur le secteur 220/230V en mode 3 monophasé, avec un courant de charge de 16 A et une puissance de 3 kW, est de 12 heures. On comprend l'intérêt d'installer un système de charge rapide. On peut réduire ce temps à 6 heures en mode 3 avec un courant de 32 A et une puissance de 7 kW. Une charge accélérée en mode 3 triphasé de 400V, avec 32 A et 22 kW, permet de recharger la batterie en 2 heures. La charge la plus rapide (dite rapide en mode 4), se réalise en courant continu. Avec 120A et 50 kW, le temps de recharge se réduit à 40-60 minutes.

Les bornes publiques de recharge des véhicules électriques sont rarement gratuites mais certains commerces comme Decathlon (7 kW) et Lidl (50 kW) parmi d'autres en proposent. Toutefois, le gain procuré par une borne peu rapide et le temps perdu en aller-retour pour obtenir le badge d'activation n'en vaut pas toujours la peine. De plus, sur certaines bornes le temps de charge est limité à 30 minutes quand elle n'est pas hors d'usage et finalement retirée. Il faut alors espérer trouver une borne disponible sur le parking d'un grand centre commercial mais où l'usage des bornes est payant.

A consulter : Borne de recharge Powerdale (Belgique)

A gauche, une borne de charge électrique publique payante du réseau EnBW (surtout présent Allemagne). Au centre, la prise Combo ou CCS (Combined Charging System) qui est devenue la norme des constructeurs européens en 2014. A droite, les différents autres types de prises qu'on trouve encore en 2022 sur les véhicules et les infrastructures.

Pour utiliser et payer une charge sur une borne publique il faut soit une application pour smartphone (par exemple celle d'Enovos) soit une carte magnétique, un badge RFiD, une clé ou un porte-clés de recharge fourni par l'opérateur de la borne. A terme, suite à la pression des gouvernements, les cartes bancaires pourront être utilisées. Le prix peut aussi varier en fonction du type de carte RFiD utilisé. Vu les différents débits existants, il est conseillé de choisir une borne rapide d'au moins 50 kW afin de récupérer en 1 heure de charge une autonomie d'au moins 200 km. Au coût de la charge, il faut aussi ajouter une commission qui varie d'un fournisseur à l'autre (10% de commission, entre ~0.10 et 0.60 € par session de charge ou encore 0.01 €/kWh de charge). Comme dans les stations de carburants, la moitié des fournisseurs d'électricité propose un tarif préférentiel si vous utilisez les bornes de leur réseau (par exemple Lampiris/Total, Q8 Electric, Luminus, etc) et parfois un abonnement qui permet de réduire le prix de la charge en DC/kWh jusque 19% (cf. les solutions disponibles sur le marché belge en 2021). Si vous n'êtes pas en mesure de recharger le véhicule à domicile ou sur une borne rapide gratuite, il est donc conseillé de choisir le fournisseur de la carte en fonction du réseau que vous comptez utiliser le plus souvent, de vérifier le prix de la commission et des autres frais supplémentaires et s'il est possible de souscrire un abonnement pour bénéficier d'une ristourne.

Le prix d'une recharge d'électricité

A combien revient la recharge d'une voiture électrique à domicile, que ce soit sur le secteur ou sur une borne électrique ? Prenons les cas extrêmes, les plus économiques et les plus onéreux.

Les bornes de charge électriques domestiques peuvent être plus ou moins compactes, puissantes et chères et se fixent soit au mur soit sur un simple monopied. Ici le modèle Home Two de Greenmotion disponible en version 3.7, 11 ou 22 kW avec prise de type 1 ou 2 (àpd 590 CHF en 2022).

En 2022, une batterie de voiture électrique présente une capacité variant entre 20 et 100 kWh. L'autonomie sur catalogue varie entre 171 km (Renault Zoé de 22 kWh) et 652 km (Tesla Model S de 95 kWh) mais en général il est 25% inférieur sur route. Selon sa puissance, le type de trajet, le dénivelé, la météo et l'activation de la climatisation ou du chauffage, la consommation d'électricité varie entre 12 et 20 kWh/100 km. En Europe, le prix de l'électricité varie entre 0.10 € ttc/kWh (en Bulgarie) et 0.30 € ttc par kWh (Allemagne) bien qu'un compteur de nuit peut réduire ce prix de moitié.

Prenons un prix moyen de 0.21 €/kWh, une consommation de 18 kWh et une autonomie réelle de 300 km. Une recharge complète coûte 300/18x0.21 soit 3.05 €. Entre le minimum et le maximum, le prix d'une recharge à domicile varie entre 2.08 € et 7.5 €.

Par comparaison, pour une voiture à moteur thermique, pour un trajet de 300 km, une consommation moyenne de 6 litres/100 km et 1.7 €/litre de carburant, un plein revient à 30.6 € soit 10 fois plus cher que le prix moyen d'électricité !

En un 1 an, la voiture électrique permet d'économiser des centaines ou des milliers d'euros de carburant et évite généralement des soucis mécaniques.

En revanche, si on utilise une borne publique, en Belgique le prix d'une charge sur une borne lente est de 0.35 €/KWh (mais le temps de charge dure 12 heures pour une capacité de 44 kWh), il s'élève à 0.65 €/kWh pour les bornes de 50 kW (temps de charge de ~40 minutes pour 44 kWh) et atteint 0.90 €/kWh sur des bornes de 150 à 350 kW (temps de charge d'une dizaine de minutes) ! Dans notre exemple, une recharge de 44 kWh revient donc entre 5.8 € (mais le temps de charge est trop long) et 15 €. Recourir à une borne publique payante et rapide peut donc s'avérer 2 à 5 fois plus cher que le réseau privé ! Mais même au prix maximum, pour la même autonomie cela reste deux fois moins cher qu'un plein de carburant.

Les systèmes de recharge sans contact

Stocker ou transférer de l'énergie est un processus qui a toujours été complexe et difficile. La plupart du temps, les producteurs préfèrent la stocker sous forme brute (eau, atome, pétrole, etc) et la transformer en fonction des besoins. Aussi, quand on apprend qu'un inventeur a découvert le moyen de stocker ou transférer l'énergie de façon commode, cela vaut la peine de s'y intéresser car cela peut ouvrir un marché potentiel gigantesque. Les nouvelles générations de batteries compactes et à haute performance et les systèmes de recharge par induction entrent dans cette catégorie de produits novateurs.

Deux systèmes de charge statiques sans contact pour véhicules. A gauche, le système d'induction d'Evatran de 3.3 kW proposé pour la Tesla Model S et la BWM i3. A droite, le système d'induction WPT de 11 kW de Witricity.

A côté des bornes électriques de recharge qui utilisent des systèmes câblés statiques (le véhicule est à l'arrêt et relié par câble à la borne d'alimentation), depuis quelques années, plusieurs constructeurs proposent des systèmes de recharge statiques sans contact, par induction. La puissance qui varie entre 11 kW et 200 kW selon les constructeurs et les modes, est transférée entre des bobines émettrice et réceptrice séparées de ~10 cm. Si les premiers intéressés sont les réseaux de bus urbains, l'immense parc des voitures est également visé. La société Evatran alias Plugless Power a développé un système par induction de 3.3 kW pour équiper la Tesla Model S ainsi que la BMW i3.

Il existe aussi des recharges dynamiques ou DWPT (Dynamic Wireless Power Transfer) où le véhicule se charge en roulant. Mais pour ce faire, il faut insérer dans la chaussée des bobines émettrices qui ne s'activent que lors du passage du véhicule. Cette solution pourrait intéresser les réseaux de transport en commun en site propre.

La Bolivie, "nouvelle Arabie Saoudite" du lithium

En raison de la demande de plus en plus élevée de batteries au lithium, les industriels seront bientôt à court d'énergie. En effet, grâce à son pouvoir énergétique élevé et sa haute densité de masse, le lithium entre dans la fabrication des piles, notamment celles des ordinateurs, des batteries des véhicules, celles des appareils mobiles ou connectés, ainsi que dans la fabrication du verre, des céramiques et des alliages en aluminium renforcé pour l'aviation. C'est donc une ressource précieuse dont on ne peut pas se passer actuellement.

Extraction de saumure de carbonate de lithium dans le Salar de Uyuni en Bolivie.

Le lithium (3Li) est le métal le plus léger du tableau périodique de Mendeleïev. Cet élément existe depuis la naissance de l'Univers et est très abondant, sa teneur atteignant 20 ppm soit 20g/t dans la croûte terrestre (contre 280000 ppm pour le silicium et 23000 ppm pour le sodium). C'est le 33e élément le plus abondant sur Terre.

L'Altiplano de Bolivie, une ancienne région volcanique où on extrait actuellement du sel (cf. le salar d'Uhyuni), regorge également de lithium. Sans être précieux, à l'avenir ce métal alcalin va être aussi convoité que le pétrole.

Le lithium est principalement disponible sous forme de carbonate de lithium comme dans les salars de Bolivie ou de pegmatites granitiques contenant des silicoaluminates de lithium (spodumène, pétalite et lépidolite) comme dans les mines à ciel ouvert d'Australie notamment.

En 2003, le prix (corrigé de l'inflation) du carbonate de lithium était de 1550$ la tonne. Son prix atteignit 2320$ la tonne en 2006 et dépassa 16500$ la tonne en 2018 selon Metalary. Mais la demande en batterie au lithium n'a pas été aussi importante que prévu, les automobilistes achetant encore en majorité des véhicules thermiques.

Face à ce manque à gagner, selon des analystes il n'est pas impossible que nous allions vers une crise du lithium dans les années à venir avec une chute importante des cours. Elle semblait s'amorcer entre 2009 et 2011, mais c'était "pour mieux sauter".

Selon la Deutsche Bank, en 2017 les ressources mondiales de lithium (volume x concentration) étaient évaluées à 273 Mt dont 102 Mt de réserves (gisments exploitables). En 2019, le Chili disposait de 36% des réserves mondiales, la Chine de 26%, l'Argentine de 23% et les Etats-Unis de 3%.

De nouvelles estimations indiquent que la Bolivie détient entre 50 et 70% des réserves mondiales de lithium, soit environ 100 milliards de tonnes, au point que la région des lacs salés a été surnommée la "nouvelle Arabie Saoudite" du lithium. Ces réserves pourraient alimenter ... 100 milliards de véhicules ! LG et Mitsubishi sont d'ailleurs en train d'explorer la région. Le Tibet regorge également de ce métal.

Actuellement, selon les statistiques du Meridian International Research, le Salar d'Atacama, au Chili, produit près de 40% du lithium mondial. Selon l'USGS, les besoins mondiaux sont actuellement de 25000 tonnes par an et augmentent en moyenne de 14.4% par an depuis 2008.

En Bolivie, la production de lithium est passée au stade industriel en 2019. Malheureusement, ce ne sont probablement pas les Boliviens qui profiteront le plus de cette richesse. L'industrie du lithium consomme énormément d'eau, une ressource vitale pour les paysans boliviens mais qui n'enrichit que les industriels occidentaux.

A lire : Hydrogen Cars

Blogs : AutoBlog Green - Voiture Electrique

Données physico-chimiques du lithium et production

A gauche, le Salar de Uyuni en Bolivie et l'une des principales sources mondiales de lithium (sous forme native de carbonate de lithium). Quand il pleut il se transforme en saumure. A droite, l'évolution de la demande de lithium (prix hors inflation). Les prix du métal suivent la demande. En Bolivie, en 2019 la production de carbonate de lithium est passée au stade industriel. Toutefois, bien que les réserves soient très importantes, une crise du lithium pourrait se profiler à l'horizon. Documents Tunari et TRU Group.

A moins que le gouvernement bolivien ne mette en place une politique commerciale comme à Dubaï, dans les Emirats ou en Arabie où tous les investisseurs étrangers doivent signer un contrat avec un partenaire local, le lithium bolivien est une mine d'or qui est en train d'échapper à ses habitants. 

Si aujourd'hui les paysages de l'Altiplano sont synonymes de beauté sauvage et baignent non seulement dans une saumure quand il pleut mais dans un calme surnaturel, il se peut qu'un jour cette région fasse beaucoup de bruit et devienne un enjeu économique aussi convoité que les mines d'or. Reste à gérer cet environnement exceptionnel de façon durable et sans faire trop d'éclaboussures.

Mais à l'avenir, les fabricants devront trouver du lithium ailleurs que sur la terre ferme. En effet, les analystes estiment que les réserves de lithium terrestres seront épuisées vers 2080.

Extraire le lithium de l'eau de mer

Selon une étude publiée dans la revue "Energy & Environmental Science" en 2021 par des rechercheurs de l'Université King Abdullah d'Arabie Saoudite,  les océans contiennent environ 5000 fois plus de lithium que les terres mais à des concentrations extrêmement faibles de l'ordre de 0.18 ppm soit 18 mg/t ou 18 mg/m3 (contre 20 à 70 ppm dans la croûte terrestre soit au moins 20 g/t).

Les chercheurs ont réussi à mettre au point un système économiquement viable d'extraction de lithium très pur de l'eau de mer. Ils ont résolu le problème en utilisant une cellule électrochimique contenant une membrane en céramique composée d'oxyde de lithium-lanthane-titane ou LLTO. Sa structure cristalline contient de petits trous justes assez grands pour laisser passer les ions de lithium tout en bloquant les ions des métaux plus lourds.

Le système d'extraction du lithium de l'eau de mer développé par des chercheurs en Arabie Saoudite. Il s'agit d'un processus membranaire de pompage électrique en continu. A gauche,  la configuration d'enrichissement. Au centre, schéma de la pile électrique à trois compartiments pour enrichir en continu le lithium à partir de la solution d'alimentation vers le compartiment cathodique et générer simultanément les gaz H2 à la cathode et Cl2 à l'anode. A droite, la structure cristalline de la membrane d'oxyde de lithium-lanthane-titane ou LLTO et schéma de la percolation des ions lithium dans le réseau LLTO. Documents Zhiping Lai et al. (2021).

Les chercheurs ont testé le système en utilisant l'eau de la mer Rouge. Alimentée en 3.25 V, la pile ou cellule électrochimique contient trois compartiments et génère deux gaz, de l'hydrogène sur la cathode et de la chlorine sur l'anode. Ce courant force les ions de lithium de l'eau de mer à traverser la membrane LLTO qui vont ensuite s'accumuler dans l'autre chambre. Cette eau enrichie en lithium alimente ensuite quatre autres traitements. Finalement, on obtient une concentration de lithium supérieure à 9000 ppm soit 9 kg/m3. En ajustant le pH de cette solution, les chercheurs ont obtenu du phosphate de lithium solide. Il est pur à 99.94% et répond aux exigences des fabricants de batteries.

En termes financiers, les chercheurs estiment que la cellule électrochimique consomme seulement 5$ d'électricité pour extraite 1 kg de lihtium de l'eau de mer. La valeur de l'hydrogène et de la chlorine produits par la cellule est supérieur à ce coût. L'eau de mer résiduelle peut également être utilisée dans les usines de désalinisation pour produire de l'eau potable. Les chercheurs espèrent encore pouvoir optimiser la structure de la membrane ainsi que la conception de la pile pour améliorer l'efficacité du système.

Cecit dit, rappelons qu'il existe des substituts et des alternatives au lithium (cf. les batteries à cellules prismatiques et les batteries à semi-conducteurs de Toyota), y compris sans métaux lourds, la pile à combustible étant l'exemple emblématique.

La voiture à hydrogène (à pile à combustible)

Si le moteur électrique tire son énergie de batteries au lithium-ion ou de plaques solaires, on peut également produire de l'électricité à partir d'une pile à combustible ou "fuel cell". De quoi s'agit-il ?

Principe de la pile à combustible. DR.

Inventée en 1964 par General Electric pour alimenter les capsules spatiales Gemini (vol orbital en 1965) en électricité, c'était une pile alcaline utilisant comme électrolyte (la substance contenant des ions libres permettant le passage du courant) de la potasse liquide et développant 1 kW. Le système a évolué et il existe aujourd'hui une dizaine de procédés.

L'électrolyte, liquide ou en solution, varie d'un constructeur à l'autre (hydrogène, méthanol, etc). Parmi les systèmes les plus populaires il y a la pile à hydrogène.

C'est Honda qui inaugura ce marché prometteur en 1999 soit 4 ans avant la directive européenne sur le principe du "pollueur-payeur", en sortant le premier prototype de véhicule à hydrogène, la Honda FCX-V1, alimentée par une pile à combustible.

La "pile" dont on parle consomme de l'hydrogène et de l'oxygène pour produire de l'électricité et faire tourner le moteur électrique qui fait avancer le véhicule, selon la formule : 2H2 + O2 → H2O + énergie. Les rejets de la réaction sont de la vapeur d'eau et de la chaleur (cf. cette page explicative du CEA).

Lorsqu'on annonça la commercialisation des premières piles à combustible, certains lobbies ont prétendu que ce type de technologie était très dangereux; le réservoir contenant de l'hydrogène comprimé à 700 bars constituant une véritable bombe ! Info ou intox ?

L'hydrogène est un combustible et à ce titre il est inflammable. Rappelez-vous l'accident du Zeppelin Hindenburg dont l'enveloppe contenant de l’hydrogène s'est embrasée pendant un orage alors qu'il s'apprêtait à atterrir à Lakehurst, dans le New Jersey, le 6 mai 1937. Le combustible doit donc faire l'objet d'une protection spéciale.

Concrètement, que se passe-t-il en cas d'accident avec une voiture à l'hydrogène ? Pour résister aux 700 bars de pression, le réservoir est fabriqué en carbone et présente une épaisseur de 15 cm. A ce jour tous les crash-tests ont montré que dans les conditions normales d'accidents, y compris lorsqu'un camion semi-remorque aplatit la voiture, le réservoir résiste. Bref, il y a moins de risque à conduire ce type de véhicule qu'un modèle équipé d'un moteur thermique où le carburant est liquide et hautement inflammable !

Autre avantage, le poids. Pour atteindre une capacité énergique de 85 kWh, l'ensemble des batteries crayons Li-Ion pèse 540 kg. Par comparaison, un moteur exploitant une pile à combustible développpant 100 kW ou 134 ch pèse 148 kg dont 4.1 kg d'hydrogène.

Le seul désavantage d'une voiture à hydrogène est son impact carbone si on tient compte de sa fabrication.  Selon une étude publiée en 2019 par le Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (ISE) spécialisé dans l'énergie, la production d'une voiture à hydrogène émet entre 5 et 7 tonnes de CO2. C'est le même ordre de grandeur que la production d'une voiture thermique mais un peu inférieur à celui d'une voiture électrique (6-8 tonnes de CO2 par véhicule).

Commercialement, les véhicules à hydrogène ou électriques à pile à combustible sont catalogués "FCV" ou "FCEV" pour Fuel Cell Electrical Vehicule.

A consulter : Hydrogen FCEV

A gauche et au centre, la Honda FCX Clarity sortie en 2007 fut le premier véhicule civil à fonctionner à l'hydrogène. Elle fut proposée en leasing jusqu'en 2014. A droite, la Honda FCEV Clarity commercialisée en 2018 dont le voici le concept de 2013. Le gaz d'échappement de ce type de véhicule ne contient que de la vapeur d'eau. Le moteur est également silencieux. Les seuls bruits perceptibles dans l'habitacle sont les bruits de roulement et aérodynamiques. En raison d'une demande trop faible, sa production fut arrêtée en 2021 au profit des modèles électriques.

Fin 2007, la Honda FCX Clarity fut la première voiture de série utilisant une pile à combustible. Ce modèle 4 portes délivrait dans le plus grand silence une puissance 100 kW ou 134 ch, était capable d'atteindre 160 km/h et présentait une autonomie de 620 km. Malheureusement, ce modèle ne fut commercialisé qu'au Japon et aux Etats-Unis et uniquement en leasing jusqu'en 2014.

Fin 2013, à l'Auto Show de Los Angeles Honda présenta son nouveau concept FCEV à pile à combustible. Ce modèle dispose d'une pile trois fois plus petite et plus puissante que celle équipant la FCX Clarity et se recharge en 5 minutes. Ce modèle fut commercialisé aux Etats-Unis et au Japon en 2015 et ensuite en Europe. Mais la demande étant trop faible (cf. Nikkei), sa production fut arrêtée en août 2021. Honda la proposera encore en leasing jusqu'en 2022 mais semble tout miser sur la voiture électrique.

Le SUV Hyundai ix35 Fuel Cell commercialisé en 2020.

En 2013, Nissan, Daimler et Ford annoncèrent qu'ils voulaient accélérer le développement de la pile à combustible pour en équiper leurs véhicules dès 2017. Voire même plus tôt selon Toyota. En effet, au 43e Salon de Tokyo qui s'est tenu en décembre 2013, le constructeur japonais présenta la Toyota FCV Concept2, une berline fonctionnant à l'hydrogène, annonçant sa commercialisation au Japon en 2015.

En mars 2014, au Salon de Genève Hyundai présenta le concept HED-9 Intrado, un SUV dérivé de l'actuel ix35 en version Fuel Cell. La production à grande échelle de ce SUV débuta en 2015 mais six mois plus tard, le constructeur coréen n'avait vendu que 2 modèles en France à 56000 € l'unité (soit trois fois plus cher que le modèle thermique).

Sur catalogue, l'autonomie du Hyundai ix35 Fuel Cell est de 564 km, mais plus proche des 450 km en conditions réelles. En 2021, son prix diminua de 10% (à ~52650 € ttc);

Mais plus encore que les voitures électriques qui peinent à pénétrer le marché, le prix élevé des voitures à hydrogène combiné à des bornes de recharge qui manquent toujours cruellement en Europe expliquent le désintérêt des clients potentiels pour ce type de voiture.

Mais où sont passés les constructeurs européens ? Comme on dit dans ces cas là, ils y travaillent... Espérons que ce soit pour mieux rebondir (voir par exemple plus bas le projet européen StorAGE).

Le moteur thermique risque toutefois de survivre dans les pays capables de produire suffisamment de biocarburant (notamment au Brésil et aux Etats-Unis) ou auprès des usagers préférant les voitures hybrides (diesel-électrique) voire même des inconditionnels qui préféreront utiliser leur ancien modèle thermique et payer 3 € sinon plus leur litre de carburant pour avoir le plaisir de ressentir les émotions de jadis. A moins qu'une future loi leur interdise de rouler avec un véhicule polluant comme c'est déjà le cas dans certaines villes.

On en reparlera d'ici une ou deux générations lorsque la pile à combustible se sera généralisée (probablement) et sera en compétition avec le biocarburant à base d'algues vertes (voir plus bas).

Vers des piles à combustible HEM plus vertes

Le chercheur Yushan Yan, titulaire de la chaire Henry Belin du Pont de génie chimique et biomoléculaire à l'Université du Delaware travaille depuis quelques années sur l'amélioration des piles à combustible à membrane échangeuse d'hydroxyde (HEM), une alternative rentable et écologique aux piles à combustible traditionnelles à base d'acide.

Les piles à combustible HEM actuelles ont une limitation qui entrave leur progression : elles sont très sensibles au dioxyde de carbone présent dans l'air. Concrètement, le CO2 empêche une pile à combustible HEM de respirer; elle perd son efficacité et près de 20% de ses performances, la plaçant à égalité avec un moteur à essence. Depuis le début des années 2000, l'équipe du laboratoire de Yan est à la recherche d'une solution alternative pour résoudre ce problème de dioxyde de carbone.

Dans un article publié dans la revue "Nature Energy" en 2022, l'équipe de Yan, a trouvé une solution pour éliminer le CO2 de l'alimentation en air des piles à combustible HEM grâce à une membrane court-circuitée. Cette invention ouvre de nouvelles voies vers la commercialisation de piles à combustible plus respectueuses de l'environnement.

A gauche, le principe de la membrane HEM en spirale inventée par l'équipe du Yan Lab pour éliminer 99% du CO2 des piles à combustible. A droite, le Dr. Yushan Yan du Yan Lab de l'Université du Delaware.

Selon le doctorant Lin Shi, coauteur de cette étude, "En utilisant cette membrane interne court-circuitée électriquement, nous avons pu nous débarrasser des composants encombrants, tels que les plaques bipolaires, les collecteurs de courant ou tout fil électrique que l'on trouve généralement dans une pile à combustible."

Selon Yan, "Il s'avère que notre approche est très efficace. Nous pouvons capturer 99% du dioxyde de carbone de l'air en un seul passage si nous avons la bonne conception et la bonne configuration."

Un précédent modèle en spirale avait la taille d'une grande canette de soda (~591 cm3) et pouvait filtrer 10 litres d'air par minute et éliminer 98% du dioxyde de carbone.

Le nouveau dispositif électrochimique ressemble à une membrane de filtration standard fabriquée pour séparer les gaz, mais avec la capacité de capter continuellement de petites quantités de dioxyde de carbone de l'air. Le boîtier mesure seulement 5x5 cm et offre un débit de filtration d'environ deux litres d'air par minute. Le système est efficace et économique. De plus, moins de pièces signifie moins de coûts et, pour le marché, c'est un moyen de progresser sans effort.

Appliqué aux automobiles, l'appareil aurait approximativement la taille d'un bidon d'une capacité d'à peine 4 litres. On peut aussi utiliser cette technologie pour éliminer le dioxyde de carbone dans les sous-marins ou les engins spatiaux habités, où la filtration continue est très importante.

Selon Shi, à mesure que le marché de l'hydrogène progressera, cet appareil pourrait également être utilisé dans les bâtiments et les avions où le recyclage de l'air est recommandé pour des raisons d'économie d'énergie.

Shi va à présent continuer ses recherches au sein de la spinoff Versogen fondée par Yushan Yan pour faire progresser la recherche vers un hydrogène vert durable.

La fibre de carbone et les matériaux composites

Les matières utilisées font également l'objet de toutes les attentions afin d'augmenter les performances du véhicule tout en réduisant son poids.

A côté de l'acier trempé ou acier martensitique alliage Fe-Ni, Fe-C, Fe-Al, Fe, Mn) qui constitue encore la matière essentielle des véhicules (~80%), de plus en plus d'éléments de carrosserie ou mécaniques sont fabriqués en acier doux pour dessiner les arêtes et les figures de style, en aluminium pour alléger le véhicule (capot, portières, pare-chocs), en silicium pour absorber les bruits (toit ouvrant laminé), en magnésium pour sa résistance et son faible poids (certains éléments du bloc-moteur) et en fibre de carbone (carrosserie, toit amovible).

Le coupé VW XL1 (2014) fabriqué en grande partie en fibre de carbone et alliage de magnésium comprend une caméra profilée dans les portes à la place du rétroviseur. La Honda e l'adopta en 2020.

Les matériaux composites, assemblages de plusieurs matières non miscibles (qui ne se mélangent pas) seront de plus utilisés à l'avenir car ils offrent des propriétés que les composants pris individuellement ne possèdent pas : rigidité, résistance, souplesse, légèreté, scalabilité, etc.

Aujourd'hui, des technologies ou des matériaux jadis uniquement accessibles aux constructeurs de Formule 1 et à des entreprises aux budgets d'envergure militaire sont accessibles aux petits entrepreneurs qui ont l'opportunité de commercialiser des produits innovants en grande quantité aux fabricants d'automobiles.

C'est notamment le cas de la fibre de carbone, des composites thermoplastiques hautement résistants (cf. Fiberforge et son Hypercar) et des vitres en polycarbonate (comme les verres de certaines lunettes). Ainsi, une carrosserie en carbone est 3 fois plus résistante qu'une carrosserie en acier trempé et 9 fois plus légère.

Malheureusement, la fibre de carbone est encore réservée aux sportives de haut standing (Lamborghini,Veron et autre Pagani) et on peut être optimiste si la carrosserie de la voiture de Mr.Tout-le-monde en bénéficiera en 2030 car le prix de ce tuning high tech réserve ce matériau aux plus fortunés.

Mais cela se démocratise. Pour preuve, la carrosserie et le châssis du coupé VW XL1 (vendu tout de même 110000 € en 2014 à 200 exemplaires) comprend 77% de fibre de carbone et d'alliage de magnésium. Plus étonnant, la peinture qui recouvre le tableau de bord... imite l'aspect de la fibre de carbone.

Il faut ajouter les nombreux petits accessoires électro-mécaniques faisant appel à de la haute technologie et des accessoires en nanomatériaux dont les prix se sont démocratisés au fil des années permettant une production rapide à grande échelle.

Ainsi, Volvo a définitivement écarté la batterie ainsi qu'ils l'ont annoncé en 2013. Dans le cadre du projet européen StorAGE et le support scientifique des chercheurs de l'Imperial College de Londres parmi d'autres institutions, le constructeur suédois qui appartient aujourd'hui au groupe chinois Geely travaille sur un nanomatériau conducteur combinant de la fibre de carbone et des conducteurs électriques noyés dans une résine de polymères offrant à la fois résistance et souplesse. Ce nanomatériau remplace la carrosserie métallique et est capable d'emmagasiner de l'électricité. Globalement, ce matériau réduit le poids de la voiture de 15% et diminue le volume de certaines pièces. Le système est actuellement testé sur une Volvo S80.

Notons que depuis 2014, la première imprimante 3D capable de traiter la fibre de carbone en continu a été commercialisée par l'entreprise MarkForg3D.

A voir : Le projet StorAGE de Volvo

Mark One 3D - The First Carbon Fiber 3D Printer (2014)

La révolution du graphène

Les propriétés du graphène introduit précédemment (les écrans souples OLED) sont tellement intéressantes qu'à l'avenir son usage sera probablement universel.

Aussi solide qu'un million de feuilles de papier réduites à l'épaisseur d'un seul atome (70 picomètres), le graphène est 200 fois plus résistant que l'acier et 6 fois plus léger. Il est élastique, il résiste aux agents chimiques, à la chaleur, il est 10 à 100 fois plus conducteur que le silicium, il est capable de stocker beaucoup d'énergie et en consomme peu, et ne chauffe presque pas sous l'effet d'un champ électromagnétique.

Il n'en fallait pas plus pour envisager de l'utiliser pour fabriquer des éléments destinés au secteur de l'électronique (processeurs, transistors), de l'informatique (écrans souples), de l'automobile (carrosseries, batteries, pare-brises, etc), de la médecine (prothèses et accessoires), de la protection (revêtement, vêtement, etc), de la construction (tel le projet futuriste de la Pyramide de Shimizu), de l'aviation, de l'armement, et évidemment en astronautique pour satisfaire aux conditions extrêmes de l'espace (y compris le futur projet d'ascenseur spatial toujours à l'état de concept). C'est dire tout son potentiel.

Si la fabrication de graphène était très onéreuse il y a quelques années en raison du procédé de fabrication, réservant ce matériau à quelques sociétés pionnières, aujourd'hui les géants de l'informatique (IBM, LG, Samsung...) ainsi que des start-ups s'intéressent à ce produit qui n'est finalement rien d'autre que du carbone, omniprésent et donc en principe bon marché.

Hype cycle ou cycle de vie des technologies en fonction de leur impact et de leur probabilité d'adoption par le marché établi en 2014. Le graphène entre dans le cycle. Document Gartner adapté par l'auteur.

En 2012, un consortium d'industriels réuni au sein de GRAF-TECH et des chercheurs polonais ont démontré qu'on pouvait produire du graphène en grande quantité à faible prix.

Pour attirer les chercheurs et les industriels dans ce secteur très porteur, l'Union européenne a débloqué 1 milliard d'euros entre 2013 et 2023, pour financer la recherche sur les applications du graphène. Actuellement l'Europe a déjà subsidié 74 partenaires académiques et industriels dont beaucoup de laboratoires universitaires, là où naissent généralement les inventions.

Justement, comme évoqué précédemment, en 2015 l'ingénieur Ravinder Dahiya et son équipe de l'Université de Glasgow ont annoncé qu'ils avaient découvert la possibilité de produire du graphène 100 fois moins cher qu'auparavant. Son procédé permet de fabriquer des feuilles de graphène au détail à partir de cuivre revenant à 1$ par mètre carré, comparé aux 115$ que coûtait jusqu'à présent la même quantité de cuivre.

Face à ce progrès, si on se base sur le cycle de Hype des innovations, on peut en déduire que la production de graphène en masse sera une réalité vers 2030.

La société BCC Research estime que la valeur du marché des produits à base de graphène s'élève à 67 millions de dollars en 2015 et sera dix fois plus élevée en 2020, ce que confirme IDTechEx qui prévoit que le marché du graphène atteindra une valeur de 100 millions de dollars en 2018.

Dans le secteur automobile et en particulier celui de la fabrication des accumulateurs, les électodes en nanomatériaux, graphite et graphène (deux formes de carbone), offrent des performances bien supérieures à celles des batteries Li-Ion dont la cathode est faite d'un oxyde de métal.

Selon des expériences conduites en 2011 par Jun Liu du Pacific Northwest National Laboratory pour le compte du Département de l'Energie américain, une batterie Li-air à base de graphène offre une capacité de stockage d'énergie atteignant 15000 mAh/g soit 15 fois supérieure à celle d'une batterie Li-Ion !

D'autres expériences conduites par Sinode Systems en 2013, on démontré qu'une batterie à base de graphène et de silicium offre une capacité équivalente à dix fois celle d'une batterie Li-Ion.

Cela signifie que les batteries à base de nanomatériaux pourront être plus petites, plus légères tout en offrant au véhicule une autonomie de plusieurs milliers de kilomètres. A l'avenir, quand une voiture s'arrêtera, la plupart du temps ce ne sera plus pour faire le plein ou recharger la batterie mais pour le repos de son conducteur !

A voir : Graphene - The Next Tech Revolution ?

Future Applications of Graphene - What is Graphene ?

Si ces nouvelles technologies sont prometteuses, elles ont l'inconvénient d'être incompatibles avec les chaînes de montage dédiées à l'acier ou à l'aluminium. Les constructeurs ne vont pas investir des centaines de millions de dollars pour le seul bénéfice de leurs clients. Il faudra donc leur prouver financièrement parlant qu'ils s'y retrouveront en abandonnant par exemple le département de peinture des carrosseries et en réduisant l'assemblage du véhicule à une vingtaine d'éléments thermoformés pour ne prendre que deux exemples.

Lorsque les constructeurs seront financièrement intéressés par cette idée, d'ici une génération on peut donc imaginer que nos voitures seront fabriquées en alliage métallique ou en matériaux composites afin de réduire leur poids tout en augmentant leur résistance et la sécurité des passagers. Alliées à un moteur électrique non polluant, ces automobiles "vertes" à basse consommation, beaucoup plus résistances et plus pratiques, vont révolutionner le secteur automobile et indirectement le paysage urbain.

Des micros-algues dans le moteur

Pour réduire notre dépendance vis-à-vis des énergies fossiles, depuis quelques années les scientifiques et les industriels se sont intéressés aux biocarburants, c'est-à-dire l'énergie produite par la transformation de la biomasse en éthanol qui vient compléter voire remplacer le carburant d'origine fossile.

Les micro-algues, le biocarburant de troisième génération, est une alternative au moteur hybride ou électrique, mais pas avant 2020.

La technologie la plus prometteuse exploite la culture des micro-algues. En effet, omniprésentes dans les océans et d'une culture assez facile tout en étant complexe, les micro-algues telles que les cyanobactéries et les diatomées renferment beaucoup de nutriments et présentent un potentiel énergétique très élevé.

Des analystes estimaient que d'ici 2020 nous pourrions remplacer jusqu'à 20% du carburant classique par du biocarburant à base d'algues. C'est la même proportion que la place estimée du gaz naturel à cette date.

A plus long terme, le marché dépendra du coût de production des différentes technologies et notamment des voitures électriques.

Si cette technologie ne peut pas être rentable à court terme, le DARPA prétendit en 2010 être capable de produire du fuel à base d'algues pour ses jets au prix de 2$ par gallon soit 0.3850 € le litre !

Cette annonce fut renforcée par celle de la société américaine Algenol, une des plus avancées dans le secteur, qui déclara qu'elle produisait 8400 m3/km2/an d'éthanol. Elle espérait débuter sa commercialisation en 2014 mais repoussa la date. Si cela ce projet devait se confirmer, cela sous-entend que cet industriel proposerait ce biocarburant à un prix compétitif sur le marché américain, soit environ 0.5 € par litre, prix de gros.

Mais selon Rex Tillerson, CEO d'Exxon Mobil, le "carburant d'algues devra attendre plus de 25 ans pour que sa commercialisation soit viable."

Le sujet étant intéressant mais assez vaste, nous détaillerons cette technologie dans l'article consacré à l'avenir des biocarburants.

A côté des développements touchant les carrosseries et les moteurs, les systèmes de conduite et de sécurité intelligents figurent de plus en plus au catalogue des constructeurs.

Les pneumatiques

A une époque où chacun veille sur sa consommation d'énergie et évite de polluer, l'un des facteurs qui affecte le plus la consommation des véhicules est le frottement des pneus sur la route qui représente jusqu'à 30% de la consommation. Comment rendre les véhicules plus économiques et plus écologiques ?

A moins d'utiliser un aéroglisseur ou un véhicule à sustentation magnétique, à l'heure actuelle il n'existe pas d'alternative aux pneus. En revanche, en quelques décennies ils ont beaucoup évolué (vulcanisation, caoutchouc synthétique, pneus à clous, structure radiale, pneu hiver sans clous, pneu increvable, pneu de roulage à plat, etc). 

Aujourd'hui encore, les ingénieurs font tout leur possible pour améliorer trois facteurs qui conditionnent les performances des pneumatiques : leur efficacité énergétique, le freinage et l'adhérence sur sol mouillé et le niveau de bruit émis.

Profil d'un pneu ContiWinterContact TS 850P (classe C, 72 dB). Sans doute pas le plus économique, mais l'un des meilleurs pneus hiver.

De nos jours, les pneus affectant le moins la consommation de carburant sont de ceux de classe "A" (cf. les labels des pneus). Cette échelle en sept degrés tient compte du rapport entre la résistance au roulement (qui dépend de la résistance aérodynamique, du poids, de la structure et de la forme de la bande de roulement, du micro-glissement et du niveau de pression) et la combustion.

On peut également réduire la combustion en optimisant la construction du pneu : plus il est léger, plus la résistance au roulement est faible et moins le véhicule utilise d'énergie pour mettre les roues en mouvement. Autrefois, les pneus en diagonale offraient une résistance au roulement supérieure à 20% aux pneux radiaux, d'où la généralisation de ces derniers.

Mais la forme de la bande de roulement ainsi que la présence de cales et d'autres éléments de l'avant du pneu représentent également jusqu'à 60% de la résistance au roulement du pneu. Le type de caoutchouc (butadiène, naturel ou styrène-butadiène) et le processus de durcissement du pneu auront donc aussi un impact sur sa résistance et sa longévité. Ceux offrant la plus faible résistance au roulement contiennent plus de butadiène et plus de charge (de la silice combinée à un liant comme les silanes).

Ensuite, la taille des pneus (largeur, hauteur, diamètre, par ex. 225/45 R17) influence beaucoup la combustion. Un pneu à profil bas rend le pneu plus rigide et offre une résistance au roulement plus faible. Concernant les pneus larges, une réduction de 1 cm de la largeur des pneus entraîne une diminution aérodynamique de ~1.5%. Plus la bande de roulement est petite et peu profonde, plus la résistance au roulement sera faible mais l'adhérence sera mauvaise (et risque de danger) sur sol mouillé. Une pression de pneu trop basse augmente aussi la résistance au roulement (une perte de 0.3 bar augmente la résistance au roulement de 6%, une réduction de 1 bar l'augmente de 30% ainsi que la consommation de carburant de quelques pourcents).

Enfin, le type de conduite va forcément jouer sur la consommation. On peut réduire sa consommation de carburant en jouant sur le frein moteur, en évitant le freinage et l'accélération dynamiques, de conduire sur des rapports trop élevés et en contrôlant mieux la route devant soi afin d'anticiper les manoeuvres.

Si vous respectez toutes ces consignes vous économiserez au moins 1 litre/100 km voire plusieurs si vous adoptez une conduite plus souple. Quant à éviter les bouchons, c'est une autre histoire.

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La sécurité des véhicules

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