L aube d une ère nouvelle

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1 Les stations de recharge et les technologies de réseaux intelligents d ABB ouvrent de nouvelles voies d avenir au véhicule électrique NICK BUTCHER, SIMON FELSENSTEIN, SARAH STOETER, CÉCILE FÉLON «Faire le plein» prend un sens nouveau pour ABB. Contribuant au déploiement des réseaux intelligents (RI), le Groupe a investi un nouveau marché qui prend discrètement forme dans les parkings des grandes villes : la recharge des véhicules électriques (VE). Le durcissement de la réglementation antipollution et les primes à l achat dopent la croissance du marché des véhicules 1 % électriques, encourageant ainsi de nombreux constructeurs automobiles à investir ce créneau. Conscient de cette évolution, ABB met au point des systèmes de recharge ouvrant de nouvelles perspectives au transport propre et durable. 77

2 1 Technologies des batteries Plus petites 8 7 Li-P, Li-ion Nouveaux systèmes Al/Air Li/Air 6 Réf. : 1865s; 2,6 Ah Li-ion Zn/Air Wh/L 5 Réf. : AA alcaline Li-polymères 4 3 Ni-MH Li-métal 2 Ni-Cd Cellules prismatiques de 5 mm < 13 mah 1 Plomb-acide Plus légères Technologies établies Technologies émergentes Wh/kg M algré son apparente nouveauté, le VE roule pourtant depuis près de 2 ans. Inventé vers 183, il n a véritablement suscité d intérêt qu à la fin du XIX e siècle. À l époque, la motorisation électrique était déjà plus avantageuse que son alter ego à vapeur ou à essence : confort sonore, souplesse de conduite (moins de vibrations), propreté (moins d odeur). De surcroît, les voitures thermiques devaient être démarrées à la manivelle et leur boîte de vitesses laissait beaucoup à désirer. Quant aux véhicules à vapeur, leur mise en route était très longue. Il n en fallait pas plus pour que le VE connaisse un succès précoce... jusque dans les années 192. La roue tourne : aux États-Unis notamment, le réseau routier se développe, rapprochant les villes et créant un besoin de voitures capables de parcourir de longues distances. Par ailleurs, la découverte de gisements pétroliers au Texas fait chuter le prix de l essence tandis que la mise au point du démarreur électrique remise définitivement la fastidieuse manivelle. La production en grande série de véhicules à moteur à explosion gonfle rapi dement l offre, à un prix plus abordable que les VE. Jusqu aux années 196, l industrie automobile se focalise sur le moteur thermique tandis que la technologie du VE évolue au ralenti. Cette polarisation crée une dépendance pétrolière des transports tributaires de l essence et, par voie de conséquence, une pollution atmosphérique qui allait vite obliger à chercher des alternatives et à relancer le VE et le développement de nombreux modèles. L une des voitures électriques les plus célèbres est la jeep lunaire qui, en 1971, accompagne l homme dans son exploration spatiale. Retour vers le futur L ère du transport électrique a-t-elle réellement commencé ou s agit-il d un nouvel épisode de son évolution cyclique? Les sceptiques ne manquent pas de souligner les fortunes diverses des VE dans le passé. Aujourd hui encore, la technologie des batteries reste le principal frein à la conquête du marché automobile. Pour autant, les récentes avancées dans ce domaine ouvrent aux transports «décarbonés» la perspective d un marché de masse. Les VE de première génération n ont pas réussi à s imposer sur les routes, à cause de leurs lourdes batteries plomb-acide au rendement et à l autonomie limités. Même si ces batteries ont progressi- vement évolué au fil des ans, il faut attendre les années 199 pour voir le développement d accumulateurs nickelhydrure métallique (NiMH) marquer l avènement d une nouvelle génération de VE. Certes, les progrès des NiMH en termes d autonomie et de rendement étaient spectaculaires par rapport aux accumulateurs au plomb, comme l illustre l EV1 de General Motors. Pour autant, les Grâce aux progrès des batteries, le rêve du «zéro émission» pourrait se concrétiser en marché de masse. constructeurs confirment leur verdict : chères et d une durée de vie limitée, les batteries NiMH avaient encore du chemin à parcourir pour satisfaire à l auto tout électrique. Sous l impulsion du gigantesque marché de l électronique grand public, la dernière décennie a vu l apparition d une batterie à base d accumulateurs lithium-ion rechargeables, nouveau saut technologique par rapport aux NiMH. Actuellement, la densité énergétique des batteries lithium-ion (quantité d énergie emmagasinée par unité de poids) reste inférieure à celle du pétrole et leur prix de revient est nettement plus élevé qu un réservoir de carburant. Pour autant, l impressionnant rendement de transmission du VE et 78 revue ABB 2 1

3 2 Courbe de charge journalière du réseau électrique américain Combiner le rail et la route Capacité totale installée Consommation de pointe (capacités de production ou réserves) Période creuse Forme du pic de consommation Forme de la consommation saisonnière moyenne 2 h 4 h 6 h 8 h 1 h 12 h 14 h 16 h 18 h 2 h 22 h 24 h Heure Énergies renouvelables et hydroélectriques Énergies fossiles Contribution de la production de pointe Source : Pacific Northwest National Laboratory 3 Impact d une gestion intelligente de la charge sur un transformateur 12 Charge transformateur (kw ou kva) 1 8 Pénétration VE = 1 % 6 Pénétration VE = 25 % 4 Pénétration VE = 5 % Pénétration VE = 75 % 2 Pénétration VE = 1 % La UC, petite citadine électrique légère à deux places, du créateur suisse Rinspeed*, a été présentée au salon automobile de Genève en 21. Cette voiture 1 % électrique, de moins de 2,6 m de long, est équipée d une connexion Internet en 3G. Non seulement elle se faufile en centre-ville mais elle peut aussi aisément embarquer sur des wagons dédiés pour parcourir de grandes distances tout en se «branchant» au système de recharge électrique du réseau ferré. Pendant le trajet, l automobiliste bénéficie à la fois des équipements du train et des outils de communication de son véhicule (video chat, téléphonie sur IP et messagerie électronique). À l arrivée, la voiture est complètement rechargée, prête à reprendre la route. Ce projet visionnaire donne une nouvelle dimension au concept du véhicule électrique et de la mobilité durable, mariant voiture individuelle et transport collectif. ABB peut contribuer à sa réalisation. * 14 h 16 h 18 h 2 h 22 h h 2 h 4 h 6 h Heure la modicité du prix de l électricité au kilomètre-véhicule par rapport au pétrole lui permettent enfin de faire jeu égal avec son rival thermique. Les batteries connaîtront bientôt d autres innovations majeures qui déboucheront sur un succès commercial à très brève échéance 1. En réponse au débat climatique et à l insécurité des approvisionnements énergétiques, ces progrès permettent sans doute au VE de s inscrire durablement dans le paysage automobile. Les annonces commerciales de plusieurs constructeurs pour 21, portant non pas sur des préséries mais sur une production annuelle de plus de 1 unités d ici un à deux ans, confortent cette hypothèse. Plus de 2 modèles différents de VE rechargeables sont attendus pour 212. La batterie Li-ion étant la pièce critique du VE, il faut une production totalement automatisée et à grande échelle de bat- teries automobiles pour augmenter les volumes et réduire les coûts. ABB propose des solutions clés en main, notamment des robots pour les cellules de fabrication et l assemblage des modules et packs, et l électronique de puissance pour tester les cycles de charge-décharge à chaque stade de la fabrication. Carburer à l électricité Actuellement, environ 55 % de la production mondiale de pétrole sont engloutis par les transports (soit près de 5 millions de barils par jour). L une des idéesforces de la mobilité électrique est de bâtir un système de transport affranchi du pétrole et de réduire considérablement les émissions de gaz à effet de serre (GES). Ces objectifs soulèvent deux questions : d où viendra cette énergie et la pollution va-t-elle vraiment chuter? 79

4 4 Émissions de CO 2 par types de centrales électriques et de véhicules Type de centrale électrique Centrale au charbon Centrale au gaz Filières EnR/nucléaire 8 à 1 g/kwh 1 35 à 45 g/kwh 5 à 2 g/kwh 5 Production mondiale d électricité par source d énergie : projections selon scénario tendanciel 4 3 Émissions de CO 2 des véhicules thermiques par rapport aux VE/hybrides rechargeables (VHR) (du puits à la roue, g/km) Thermiqueques Thermi- seg B seg D 15-29% 117-2% % -68% 52-99% Du puits au réservoir VE VHR VE VHR VE VHR Du réservoir à la roue % 1 12 kwh Année EnR Charbon Gaz naturel Carburants liquides 1 Centrale au charbon actuellement installée dans l UE 2 Consommation des véhicules thermiques du segment B = 5,9 l/1 km et du segment D = 7 l/1 km ; VE = 13 kwh/1 km ; VHR = 3 l et 8 kwh/1 km Source : BMWI, Association nucléaire mondiale, Commission UE et Roland Berger Sources : d après l Agence internationale de l Énergie, International Energy Annual 26 (juin-décembre 28), et AIE, World Energy Projections Plus, 29 Un défi pour le réseau électrique Les VE seront alimentés par le réseau électrique, qui ne sert toutefois qu à transporter une électricité produite dans les divers types de centrales qui lui sont raccordées. Alimenter le VE suppose Plus de 2 modèles de VE rechargeables sont programmés pour 212. donc, pour les centrales, de disposer de la capacité de production nécessaire, et pour le réseau, d afficher la capacité de transit correspondante. Le problème de la gestion de la production peut être résolu en s assurant que les VE sont rechargés quand l énergie est disponible et non de façon aléatoire, pour éviter les fortes pointes de consommation sur le réseau. Une gestion «intelligente» de la charge permettrait aux centrales de nombreux pays de fournir l énergie nécessaire à la majeure partie d une flotte de véhicules sans la moindre augmentation de capacité nominale 1, en utilisant prioritairement les capacités disponibles la nuit, période creuse par excel lence, comme l illustre la courbe de charge journalière du réseau américain 2, sans entraîner de pics de consommation supplémentaires. Les différentes sources potentielles d électricité, aussi représentées sur la figure, sont étudiées ci-après. Pour éviter les dépenses énergétiques inutiles, il est fondamental de tenir compte du réseau. Une charge «désorganisée», qui est sollicitée aléatoirement, à n importe quel moment de la journée, peut entraîner la surcharge du transformateur de distribution local, induisant à son tour une panne générale du voisinage, même si seul 1 foyer sur 1 utilise un VE. En revanche, une gestion fine de la charge maintient le transformateur dans ses limites de charge, même si tous les foyers des environs sont passés au VE 3. Tous les systèmes de recharge intelligents doivent évidemment s intégrer dans le système de gestion de la distribution et de supervision (SCADA) pour garantir l interopérabilité et bénéficier pleinement au réseau électrique comme aux VE. Aujourd hui, ABB est le principal fournisseur de gestionnaires de réseau de ce type. Un mirage vert? Le VE est souvent assimilé à la voiture «zéro émission» : sans tuyau d échappement, pas de rejet de GES! Si l on veut pourtant le comparer objectivement aux flottes thermiques existantes, il faut tenir compte de l ensemble du système de distribution d énergie. La pollution effective du VE dépend largement du CO 2 émis, en amont, par les centrales ; avec une électricité produite par une vieille centrale à charbon (la plus émettrice de GES), le bilan écologique de la voiture électrique n est guère meilleur que celui d une thermique et son cycle de vie peut même être bien moins bon, notamment par rapport à celui des dernières générations de moteurs diesel. Toutefois, les VE conservent le bénéfice indéniable d'une nette réduction de la pollution locale 4. Dans une perspective globale, l accent doit être mis sur une production d électricité faiblement émettrice de GES. Axés sur les technologies de nouvelle génération, les VE sont d ores et déjà nettement préférables à d autres solutions, même celles mettant en œuvre des centrales à gaz à cycle combiné ; mieux, quand ils puisent leur énergie de sources réellement peu émettrices (parc nucléaire ou EnR), leurs émissions de GES sont quasi nulles. Selon les prévisions 26 de l Agence internationale de l Énergie (AIE), le passage du thermique à l électrique ne suffira pas pour atteindre les objectifs escomptés de réduction des GES. Pour tirer véritablement parti du transport électrique, il faut recourir massivement aux sources d énergie propre 5. La Note 1 Quantité d énergie qu un générateur est capable de produire. 8 revue ABB 2 1

5 6 Production mondiale d électricité par source d énergie : hypothèse d une réduction massive des émissions de CO 2 % ,1 17,5 13,7 19,1 5,2 4,3 11,4 4,8 28 Année 22 EnR autres que l hydroélectrique Hydroélectrique Gaz naturel Pétrole 5,6 6,3 13,5 37,7 2,8 Charbon Biomasse Géothermique Photovoltaïque Éolien Sources : EPI et AIE faisabilité économique et politique de ce virage écologique reste à prouver et la réalisation d objectifs aussi ambitieux que ceux présentés en 6 nécessitera des mesures courageuses. La possibilité d une interaction constructive entre VE et EnR, telles que l éolien et le photovoltaïque, ouvre des perspectives très intéressantes. En associant technologies de RI et de stockage d électricité (batterie automobile) pour gérer la fourniture et la consommation d énergie, il devient bien moins problématique de relever le défi de l intégration des VE et des EnR que de traiter chaque enjeu séparément. Dernier kilomètre : les points de recharge L un des avantages souvent cité des VE, sur la filière hydrogène par exemple, est le coût nettement inférieur de l infrastructure de recharge puisque l électricité est déjà disponible partout! L atout est certes de taille mais la réalité n est pas si simple : il faut transférer l électricité du réseau vers les batteries embarquées dans chaque VE, l opération devant être rapide, pratique, simple, bon marché et sûre. La solution envisagée par ABB est une station de recharge proposée en trois configurations, selon l application. Charge à domicile Les chargeurs domestiques permettent de recharger à 1 % une batterie de faible puissance pendant la nuit. L opération s effectue donc quand le réseau électrique est peu sollicité, à des tarifs avantageux en période creuse. Différentes bornes de recharge domestiques sont proposées pour répondre aux besoins de chaque type de logement (à l intérieur, à l extérieur, en montage mural) ; elles intègrent toutes les systèmes de sécurité propres aux appareils électroménagers. La solution ABB comprend tout ce qui est nécessaire pour réaliser des stations de recharge domestiques sûres et efficaces. Charge publique Les bornes «semi-rapides» permettent de recharger une batterie en quelques heures, pendant que l automobiliste est au travail, au restaurant, au supermarché, etc. Les produits ABB équiperont les bornes de recharge réparties en ville (parkings privés, bâtiments publics, magasins et grands garages). Robustes et sûres, elles satisfont à la réglementation des espaces publics. Dans la plupart des cas, le consommateur payera l électricité utilisée, la borne étant alors dotée d un système d authentifi cation du client et/ou de paiement sécurisé. Charge express Les systèmes de charge rapide et ultrarapide utilisent des convertisseurs de Une gestion intelligente de la charge permettrait aux centrales de nombreux pays de fournir l énergie nécessaire à la majeure partie d une flotte de véhicules sans la moindre augmen tation de capacité nominale. grande puissance dans les stations de recharge (plutôt qu à bord des VE). Dès à présent, les stations compatibles avec les batteries existantes sont capables de reconstituer 8 % de la charge de la batterie en moins de 25 minutes. Le «plein de courant» dans ces futures stations ne prendra pas plus de temps qu un arrêt à la pompe à essence : combiné aux technologies de batteries les plus récentes, ce dispositif pourrait permettre une charge complète en moins de 5 minutes. Ces stations seront installées sur les aires de repos des grands axes routiers et en des points de recharge urbains appropriés. Une électronique de puissance de pointe, un interfaçage avec le RI et un stockage de l énergie intégré pour gérer les fluctuations de la production d électricité assureront la gestion de l énergie du réseau et la qualité du courant. Le concept de station de recharge rapide en courant continu a été présenté au salon de Genève de mars 21, avec le prototype de sportive électrique Lampo : ultra-puissante, elle est capable de reconstituer une charge offrant plus de 1 km d autonomie en à peine 1 minutes! Nick Butcher ABB Automation Products, Power Electronics and MV Drives Turgi (Suisse) nick.butcher@ch.abb.com Simon Felsenstein ABB ISI Smart Grids, E-mobility Zurich (Suisse) simon.felsenstein@ch.abb.com Sarah Stoeter Revue ABB Zurich (Suisse) sarah.stoeter@ch.abb.com Cécile Félon ABB Power Products Genève (Suisse) cecile.felon@ch.abb.com 81