Véhicules électriques: une vision du présent et du futur

La révolution des véhicules électriques s'accélère, mais elle ne peut aller aussi loin sans l’infrastructure et la technologie nécessaires. Alors qu’il devient conceptuellement de plus en plus facile de passer des combustibles fossiles au tout électrique, nous pouvons concevoir un monde plus brillant et plus optimiste.

L'engagement du gouvernement britannique d'interdire la vente de toutes nouvelles voitures non électriques, incluant les véhicules à essence, diésel et hybrides à partir de 2035, souligne la volonté de mettre fin à la contribution du pays au changement climatique d'ici 2050.

Si l'objectif 2035 doit être atteint, nous devrons planifier des changements majeurs dans le transport et la mobilité urbaine. En passant à l'utilisation de la recharge sans fil ultrarapide à la prise en charge des pays en développement et à la réutilisant des batteries de voiture, le groupe WMG de l'Université de Warwick, propose des avancées dans les connaissances et les technologies d'électrification, qui pourraient permettre de faire le saut vers un avenir automobile électrique prometteur. Alors, pour le présent et le futur, que devons-nous considérer?

Améliorer les batteries

La demande de véhicules électriques augmente au Royaume-Uni et les immatriculations de voitures rechargeables ont augmenté de plus de 160 000 entre 2013 et 2018. La valeur du secteur de l'électrification étant estimé à plus de 6 milliards de livres (7,8 milliards USD) d'ici 2025, la prochaine décennie offre d'énormes opportunités.

Cependant, selon le professeur David Greenwood, le grand public n’adoptera pas vraiment les véhicules électriques tant que les consommateurs ne se verront pas offrir un modèle de convivialité, de commodité et de prix abordables que les véhicules conventionnels offrent aujourd'hui. Il est responsable du projet projet Multi optimal Solutions for Energy Storage Systems (MoSESS) financé par Innovate UK de 2 millions de livres sterling ( 2,7 millions USD) dans le cadre d’un consortium dirigé par McLaren Automotive incluant A123 Systems qui a pour mission de réduire la taille, le poids et les émissions des véhicules électriques actuels.

L'objectif est d'améliorer tous les aspects de la performance et de la fiabilité et de débloquer la possibilité de produire une batterie qui corresponde aux performances des véhicules classiques à essence et diésel, répondant aux attentes des consommateurs, contribuant à favoriser l'adoption du transport hybride et électrique et à soutenir la politique gouvernementale. La stratégie Road to Zéro vise à rendre efficace le transport routier sans émissions d'ici 2050. «La raison pour laquelle les gens n'achètent pas de voitures électriques aujourd'hui est parce qu'elles sont trop chères, il y a également un scepticisme généralisé autour de l'autonomie de la batterie et des questions pressantes autour de la régularité et de la fiabilité des bornes de recharge. Les technologies de pointe actuelles sont en mesure de répondre aux besoins d'un petit pourcentage d'utilisateurs et la nécessité de planifier une infrastructure de recharge de batterie efficace est essentielle », explique Greenwood.

La technologie actuelle demande de longs temps de recharge. Même les meilleures densités d'énergie de leur catégorie impliquent que la batterie soit relativement grosse pour atteindre la capacité d'autonomie électrique souhaitée. Comme elles sont grosses, elles sont également lourdes, ce qui signifie que le véhicule consomme plus d'énergie pour rouler. De plus, pour des raisons de sécurité, les batteries doivent avoir un niveau de complexité élevé. Donc, dans l'ensemble, vous avez un composant lourd, inefficace et encombrant.

«Nous visons à développer et à intégrer dans un véhicule, une batterie incluant un mélange de cellules à électrolytes à haute densité énergétique et de cellules à haute densité de puissance», déclare Greenwood. «Ces nouveaux types de batteries seront plus efficaces, en offrant un meilleur stockage d'énergie, un boitier plus petit et une capacité de recharge plus rapide. Nous voulons proposer une solution avec un système de refroidissement plus simple, une structure de collision réduite, un temps de recharge réduit pour assurer une autonomie électrique allant jusqu'à 500 km et une économie de poids allant jusqu'à 10% par rapport aux solutions existantes.

Bien que l'efficacité, la commodité et la sécurité soient des facteurs vitaux pour les consommateurs, le coût reste également important dans le processus de prise de décision des futurs utilisateurs de VÉ. L'implication de WMG dans le projet Nextrode, financé par la Faraday Institution, s'attaque à ce problème. Le projet explore les méthodes de fabrication des électrodes pour les batteries Li-Ion. En utilisant le centre de recherche et de développement sur les batteries de WMG et la future installation d’UKBIC, le projet permettra à WMG de modéliser et d'optimiser les moyens de réduire les coûts de fabrication des électrodes, d'augmenter leur capacité de stockage d'énergie et de réduire le temps nécessaire pour atteindre le marché.

La relation entre l'infrastructure de recharge et la fabrication des batteries est essentielle, en particulier lorsqu'elle est considérée par rapport aux comportements et modèles de mobilité typiques des consommateurs. 98% des trajets font moins de 80 km, donc le fait de transporter le poids d'une batterie dimensionnée pour parcourir 485 km sur des trajets aussi courts contrecarre quelque peu les efforts visant à améliorer l'efficacité et la convivialité pour les consommateurs.

​Des considérations comme celles-ci démontrent l'importance d'une infrastructure de recharge de batteries robuste et soulignent que la technologie doit répondre aux modes de vie et aux modèles des consommateurs si elle veut réussir à grande échelle. Le professeur Greenwood a ajouté: «Avec un réseau de recharge rapide, fiable, accessible et omniprésent, les batteries de voitures particulières pourraient diminuer en taille et couper de moitié le prix d’une batterie qui offrirait environ 240 km d'autonomie dans le monde réel,

Développer un réseau: la bonne puissance au bon endroit

Bien que les véhicules électriques soient sur le marché depuis un certain temps maintenant, l'adoption massive de la technologie par le public n'a toujours pas eu lieu. Les préoccupations concernant la recharge entre les trajets, ainsi que l'anxiété concernant l'autonomie sont les principaux obstacles à l'achat d'un véhicule électrique. Le professeur Richard McMahon de WMG explique: «De nombreux acheteurs qui sont venus tôt aux véhicules électriques ont probablement acheté une voiture électrique et un véhicule à moteur à combustion interne pour parcourir de plus longues distances. Cependant, à mesure que les voitures électriques se généralisent, les conducteurs voudront parcourir de plus grandes distances, d'où le besoin de plus de possibilités de recharge publiques. La recharge sur les autoroutes et le long des routes principales est clairement un catalyseur de voyages. Les Superchargeurs Tesla en sont un exemple; BP et National Grid, entre autres, étudient également le développement de centres de recharge rapide. Des solutions de recharge sur voie publique sont également en cours de développement. »

La start-up char.gy a développé la technologie permettant aux conducteurs de simplement brancher leur voiture sur un lampadaire. La société a créé une nouvelle borne de recharge, qui peut être facilement installée sur des lampadaires. L'installation ne nécessite aucune alimentation électrique supplémentaire ni aucun espace supplémentaire. WMG a aidé char.gy à concevoir, construire et tester rapidement un prototype de la nouvelle carte électronique nécessaire à la conception du projet pour répondre aux normes de l'UE pour les bornes de recharge publiques. Les bornes de recharge sont maintenant prêtes à être utilisées par le public londonien à la suite de l'intégration de char.gy au réseau d'approvisionnement de l'infrastructure de recharge de Transport for London (TfL) en 2018, organisme qui a pour objectif de favoriser le déploiement des véhicules électriques en installant plus de 1000 bornes de recharge dans la rue d’ici la fin de 2020.

Aider les propriétaires de véhicules à recharger leur voiture est une chose, mais la pression est vraiment forte pour trouver de nouvelles solutions pour les flottes de véhicules de nos villes qui doivent rouler constamment. Les taxis électriques par exemple roulent tous les jours, mais il existe toujours une crainte associée à la recharge. Y a-t-il suffisamment de bornes de recharge pour suffisamment de conducteurs dans une ville donnée et la batterie du VÉ durera-t-elle assez longtemps pour effectuer suffisamment de travaux entre les recharges? Les conducteurs ne peuvent pas se permettre de rester immobiles pendant de longues périodes pendant qu'ils rechargent leur véhicules et le public des grandes villes s'attend à ce qu'il y ait suffisamment de véhicules sur la route pour pouvoir héler un taxi à tout moment.

De même, les véhicules d'urgence fonctionnent encore majoritairement au diesel, et le jour ou une flotte sera électrifiée, elle devra garantir un niveau de service équivalent. Il serait inconcevable qu'un véhicule des services d'urgence doive attendre pour recharger la batterie.

C'est là qu'intervient l'idée de recharge sans fil ou de recharge en mouvement. McMahon commente: «Le concept de recharge en mouvement est vraiment attrayant en principe, mais il reste encore du travail à faire pour assurer la compatibilité et concevoir les procédures d'installation. » WMG et les partenaires du projet travaillent actuellement sur une étude de faisabilité pour évaluer le potentiel de recharge sans fil des taxis électriques. Le consortium espère ensuite obtenir d’Innovate UK un financement supplémentaire pour un projet pilote à grande échelle qui leur permettrait de tester la technologie et l’application sur des sites à Nottingham et à Londres.

Renforcer le réseau électrique britannique

Une fois la technologie perfectionnée, cependant, elle doit être utilisée de manière efficace, ce qui nécessite un réseau de distribution capable de faire face à des niveaux élevés de recharge de VÉ dans une variété de quartiers et d'emplacements. Un système véritablement durable serait celui où la capacité de stockage d'énergie excédentaire pourrait être réutilisée.

​Cette idée est explorée par une autre équipe de recherche de WMG, qui étudie la possibilité d'accéder à l'énergie stockée dans les véhicules électriques lorsqu'ils ne sont pas utilisés. Ce concept de véhicule à réseau (V2G) a le potentiel de remédier au déséquilibre, en faisant avancer l'idée d’une connectivité énergétique.

Le public est généralement en faveur des véhicules électriques, mais tant qu'ils ne répondront pas aux exigences du seuil d'autonomie, de capacité de recharge et d'accessibilité pour les utilisateurs individuels, ils resteront hors de portée.
 
Le professeur James Marco, chef de projet, pense que la connexion des VÉ au réseau fournira une bonne solution aux problèmes de capacité, et des projets de modélisation comme celui-ci aideront à démontrer les avantages du système. Il a dit: «Nous utilisons des données du monde réel pour démontrer le potentiel du concept V2G. Cela nous aide non seulement à établir la confiance dans la technologie, mais fournit également un apprentissage inestimable qui sera utilisé pour atteindre l'objectif ultime de faire du V2G un composant du réseau. Grâce à une bonne gestion de la batterie, il sera possible d'atténuer la dégradation de la batterie via V2G et peut-être même de prolonger sa durée de vie. »

Une fois qu'une batterie de VÉ aura atteint sa durée de vie prévue d'environ 8 à 12 ans, et bien que le fabricant soit responsable du recyclage de la batterie et doive payer les coûts associés au transport et au traitement, ce sera cependant celui qui en fait l’ultime acquisition (normalement une installation de traitement autorisée ou ferraille) qui décidera ce qu'il faut en faire. Ils pourront la revendre pour réutilisation ou la recycler.

Cependant, les batteries conservent souvent jusqu'à 80% de leur capacité énergétique et de leur puissance après leur vie active, ce qui signifie qu'elles pourraient convenir à des applications de seconde vie, telles que le stockage d'énergie stationnaire à usage domestique et industriel.

Actuellement, la priorisation de la réduction des coûts de production et la rationalisation des processus de fabrication ont conduit à des conceptions de batteries qui sont de plus en plus difficiles à réutiliser ou à recycler en fin de vie. Anwar Sattar, ingénieur en chef du recyclage des batteries chez WMG, observe: «De nombreux blocs-batteries actuellement sur les routes n'ont pas été conçus en tenant compte de leur fin de vie (EoL). Les considérations les plus importantes pour les concepteurs sont encore le coût, la densité d'énergie, la sécurité et la facilité de fabrication. Cela signifie que certaines batteries auront une très faible recyclabilité car elles contiennent de grandes quantités de matériaux comme de la colle qui les rend difficiles à démonter et à recycler. Un autre défi majeur est le manque de standardisation dans la conception des batteries. Cela rend leur réutilisation difficile car elles peuvent différer d'un véhicule à l'autre. »

Cela dit, des travaux sont en cours pour y remédier. WMG a collaboré avec deux fournisseurs automobiles de classe mondiale qui se sont concentrés sur la réutilisation et le recyclage efficace de leurs batteries. Premièrement, ils veulent développer des processus de classement des batteries précis et rentables et, deuxièmement, stimuler l'innovation technologique des batteries pour soutenir les pays en développement et les communautés isolées.

Le public est généralement en faveur des véhicules électriques, mais tant qu'ils ne répondront pas aux exigences d’autonomie, de capacité de recharge et de prix abordables, ils resteront hors de portée. La science et une ingénierie dynamique peuvent résoudre ces problèmes et le feront avec le temps. WMG veut en faire une question d'années et non de décennies.

Automotive World

Contribution: André H. Martel