COLLOQUE ENERGIE ET TRANSPORT : ENERGIE EMBARQUEE VEHICULE HYBRIDE

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1 COLLOQUE ENERGIE ET TRANSPORT : ENERGIE EMBARQUEE VEHICULE HYBRIDE Ouverture du colloque 1 Laure REINHART Présidente Hydrogène-énergie : vers le transport respectueux de l environnement 2 Guy de REALS Air Liquide Les enjeux de la gestion de l énergie à bord des véhicules 9 Joseph BERETTA PSA Peugeot-Citroën Quel avenir pour la pile à combustible dans l automobile? 14 Philippe SCHULZ Direction de la Recherche, Renault Batteries Li-ion pour véhicules hybrides et électriques : vision du CEA 20 Gilles LE MAROIS Centre CEA de Grenoble Stratégie d hybridation par Valeo : pour des applications grande série compétitives 25 Daniel RICHARD Valeo Les hybrides sont-ils une solution d avenir pour les transports en commun? Retour d expérience de la RATP 30 Sylvestre COSTA RATP La technologie hybride HDI PSA Peugeot-Citroën 34 Joseph BERETTA PSA Peugeot-Citroën Les véhicules de demain : sur quelles technologies seront-ils basés? 39 Table ronde Conclusion 45 Guy BOURGEOIS Directeur Général de l INRETS

2 Colloque Energie et Transport : Energie Embarquée Véhicule Hybride Ouverture du colloque Laure REINHART Présidente Bienvenue à cette journée consacrée au thème d actualité de l énergie dans les transports. Ile de Science est une association, créée il y a une trentaine d années, qui regroupe des établissements scientifiques publics et privés pour les faire travailler sur des sujets communs. Nous nous intéressons tout particulièrement à la création d entreprises innovantes s appuyant sur la recherche publique et privée. Les journées ont pour objectif de rassembler autour d une thématique scientifique ou systémique transverse différents acteurs de la recherche, du monde universitaire et de l industrie. Vous entendrez aujourd hui des interventions de grands industriels particulièrement impliqués sur ce thème. Récemment, plusieurs communautés se sont rassemblées autour d opérations structurantes. Ainsi un laboratoire sur les énergies embarquées, Speelab, a été créé. Il réunit des chercheurs de Supélec, de l ENS Cachan, de Paris 6, de Paris 11 et de l INRETS. En outre, l Assemblée générale constitutive du pôle de compétitivité Moveo s est tenue lundi 19 juin, sur le site de Renault. L énergie dans les transports est l une des problématiques majeures de ce pôle de compétitivité, constitué par le rapprochement des deux pôles Normandie Motor Valley et Vestapolis. Les aspects scientifiques et techniques de nos débats conduiront à débattre en fin d après-midi autour d une table ronde, sous la présidence de Guy Bourgeois, Directeur Général de l INRETS, à laquelle participeront Alain Bravo, Directeur de Supélec, et les autres intervenants de la journée. Un compte-rendu de ce colloque sera disponible sur le site ( Gif-sur-Yvette, le 26 juin

3 Hydrogène-énergie : vers le transport respectueux de l environnement Guy de REALS Air Liquide Je vous parlerai d énergie et de transport, mais aussi d environnement et d hydrogène. Ces quatre mots ont fréquemment résonné au cours des dernières semaines, à l occasion de différents événements, comme la semaine du développement durable, le challenge Bibendum qui présentait des véhicules utilisant des énergies nouvelles ou le WHEC à Lyon. La dimension scientifique de ma présentation sera réduite. Je me concentrerai sur l introduction de la vision industrielle d Air Liquide concernant la filière hydrogène-énergie, de la production primaire jusqu à l utilisation. Slide 3 Notre entreprise réalise un chiffre d affaires de 10 milliards d euros. Nous sommes très orientés à l international et réalisons 80 % de ce chiffre d affaires à l étranger. I. Les défis de l énergie Slide 4 Les défis de l énergie liés au transport et à l environnement sont les suivants : les problèmes de pollution et d émission de gaz à effet de serre ; la raréfaction des ressources et l accès à des ressources de plus en plus difficiles à exploiter ; la congestion des grandes agglomérations, nécessitant l apparition de nouvelles formes de mobilité individuelle, l automobile devenant un objet particulièrement encombrant, notamment en centre ville. Slide 5 Un consensus fort s est créé très rapidement sur la thématique du réchauffement climatique et des gaz à effet de serre. La convergence d une grande partie de la communauté scientifique et industrielle pour accepter l urgence et la réalité du problème est impressionnante. Les données publiées par l IPCC en attestent et mentionnent par exemple, que pour stabiliser le taux de CO2 dans l atmosphère au niveau de 440 ppm, il faudrait parvenir à stabiliser les émissions de CO2 entre 2010 et Gif-sur-Yvette, le 26 juin

4 II. Quelle contribution pour Air Liquide? Slide 6 L utilisation de l hydrogène dans les transports n est pas une nouveauté. Il est utilisé depuis longtemps par exemple pour la désulfuration des carburants.. Je présenterai également d autres gaz et leur contribution, notamment à l élaboration des carburants de demain. Nous verrons alors que l hydrogène constitue plutôt le carburant d après-demain. 1. L hydrogène dans la filière énergétique Slide 7 L hydrogène est très largement utilisé pour la désulfuration des carburants. Le renforcement des réglementations a permis de réduire de façon drastique les quantités de soufre dans les carburants, ce qui a entraîné une amélioration considérable de l environnement dans les pays concernés (Europe, Etats-Unis et Japon). Ainsi, les terribles effets des pluies acides ne sont quasiment plus que des mauvais souvenirs dans ces pays. Il y a là un exemple intéressant de traitement d un problème environnemental majeur par des solutions réglementaires. Slide 8 A l avenir, les difficultés d accès aux carburants fossiles traditionnels conduiront à une valorisation plus importante du. gaz naturel et des charbons, qui elle-même passe par des processus qui utilisent de grandes quantités d oxygène. Cette valorisation permet de créer des carburants de synthèses plus propres qui ne contiennent quasiment pas de soufre. En outre, la gazéification de charbons permet d utiliser des charbons de qualité variable, avec un impact environnemental limité. Slide 9 Les technologies permettront la séquestration de CO2 à la source, par exemple sur des centrales à charbon. En déballastant l azote il est possible de le remplacer par du CO2 recirculé des fumées, pour obtenir des effluents constitués quasi exclusivement de CO2, et presque directement séquestrables. Slide L hydrogène dans les transports : comment contribue-t-il à une mobilité propre? Slide 11 Le rendement de la filière hydrogène est au moins double de celui des filières essence classiques. Les technologies ne sont évidemment pas encore toutes disponibles, mais l hydrogène apparaît très adapté au transport. Par ailleurs, il ne génère aucune émission à l utilisation, ce qui évite une pollution et des émissions de CO2 disséminées. Slide 12 Gif-sur-Yvette, le 26 juin

5 Trois défis principaux apparaissent pour l utilisation de l hydrogène en tant que carburant, notamment dans l automobile. a. Le stockage de l hydrogène et le stockage embarqué Slide 13 Notre objectif est de proposer un stockage qui permette aux véhicules de rouler 500 kilomètres Cette distance représente la demande standard d un utilisateur. Pour y parvenir, il faut environ 60 mètres cube d hydrogène à pression atmosphérique. Des technologies de stockage permettent heureusement de réduire ce volume, dans des proportions importantes : 200 litres à 350 bar, 125 litres à 700 bar ou 75 litres liquéfiés à -253 C.. Slide 14 Air Liquide travaille sur le développement de différentes filières de stockage. le stockage comprimé à 350 ou 700 bar Une grande majorité des prototypes de voitures circule avec de telles bouteilles. des petites cartouches de 2 à 5 litres sous très haute pression Elles concernent la petite mobilité. Nous développons actuellement des prototypes à 700 bar qui permettront à l utilisateur d effectuer des échanges plein contre vide dans une logistique allégée, chez un distributeur standard ou par le biais de distributeurs automatiques. l hydrogène liquide à -253 C Il s agit de la troisième voie utilisée dans l automobile. Elle a longtemps été considérée peu viable, du fait de certains problèmes techniques comme les pertes par évaporation. Aujourd'hui, certains constructeurs privilégient le liquide qui permet d embarquer des quantités nettement supérieures à ce que permet le gaz comprimé. Air liquide a développé des réservoirs embarqués qui sont actuellement utilisés par certains constructeurs. Slide 15 b. Les piles à combustible Il s agit de la technique de conversion de l hydrogène en énergie électrique. Nous développons nos piles à combustible dans notre filiale Axane. Les premiers exemplaires arrivent actuellement en utilisation commerciale. Il ne s agit pas de piles à usage automobile, mais de piles d une puissance comprise entre 500 watts et 10 kilowatts. Elles répondent à un certain nombre de besoins, comme certaines applications stationnaires ou certaines applications liées à la petite mobilité. Slide 16 Le problème principal de cette technologie demeure son prix élevé. La pile revient aujourd hui à ou euros du kilowatt. Cela montre l étendue du chemin à parcourir avant d aboutir à des montants acceptables pour les applications transport grand public, évalués autour de 50 à 100 euros du kilowatt. Des ruptures technologiques ou des effets d échelle permettront d y parvenir. Actuellement, les piles sont fabriquées en petites série, typiquement une à quelques dizaines d exemplaires. Nous visons des Gif-sur-Yvette, le 26 juin

6 séries de milliers de piles en 2010, et des dizaines de milliers de piles entre 2010 et 2020 qui permettront d atteindre des prix de l ordre de 300 Euro du kilowatt. Un tel prix nous rapprochera de l utilisation automobile. Cette montée en puissance sera permise par l accès à certains marchés de niches pour lesquels les applications piles à combustibles deviendront compétitives au fur et à mesure que les coûts baisseront. Slide 17 c. Les infrastructures et la distribution Slide 18 Comment distribuer l hydrogène nécessaire au transport et comment le mettre à disposition de l utilisateur? Nous rêvons de voir se construire des stations dans toutes les villes, où des centaines d utilisateurs viendraient quotidiennement faire le plein. Pour l instant, les stations existantes sont uniquement expérimentales. Elles n alimentent qu une poignée de véhicules expérimentaux. Slide 19 Aujourd hui, trois modes de distribution sont utilisés. le pipeline Air Liquide opère environ kilomètres de pipelines hydrogène sur une douzaine de réseaux. Ce moyen de distribution s adresse aujourd'hui aux industriels, notamment aux raffineurs et aux pétrochimistes, qui consomment de grandes quantités. Nous étudions toutefois la possibilité d employer ce mode pour développer les premiers réseaux de stations services. les tube-trailers ou liquid-trailers Il s agit de camions qui transportent le gaz sous forme comprimée, et qui embarquent à mètres cubes chacun,ou de camions cryogéniques, qui peuvent embarquer mètres cubes d hydrogène. Cependant la liquéfaction coûte cher en énergie, et l hydrogène gazeux coûte cher en transport. Le choix de la solution dépend des besoins spécifiques de l application à fournir. les bouteilles Ce mode de distribution est bien adapté aux petites industries et aux petits consommateurs. Actuellement, une bouteille standard transporte 9 mètres cubes. Des centaines de milliers de bouteilles tournent entre les utilisateurs, les centres de conditionnement et les distributeurs. Il s agit donc tout de même d une logistique lourde, adaptée à de petites quantités. Ce système viable pour les applications de petites mobilité, mais pas dans le cadre de l industrie automobile, sauf éventuellement dans le cadre de programmes de démonstration. Slide Les stations services : Le développement des stations services H2 nécessite un parc automobile suffisant qui lui même a besoin d infrastructure pour se développer. Pour le moment, les stations services sont implantées dans le cadre de programmes de démonstration financés. Il existe environ cent cinquante stations de ce genre dans le monde, réparties entre l Europe, les Etats-Unis, le Japon et la Chine. Gif-sur-Yvette, le 26 juin

7 3. L impact sur l environnement Slide 25 L emploi de l hydrogène suscite immédiatement des questions concernant sa production primaire, notamment sur les émissions de CO2. Aujourd hui, cette production se fait à 94 % à partir d énergie fossile. Elle contribue de ce fait aux émissions de CO2, comme les autres carburants. Cependant, la filière hydrogène permettra de réduire les quantités de CO2 émises. La comparaison des filières essence et hydrogène révèle que l hydrogène produit à partir de réserves fossiles génère dans certains cas plus de CO2 à la source, mais que les émissions au véhicule sont nulles, alors qu elles sont très importantes dans le cas des véhicules traditionnels. Le bilan global étant nettement favorable à l hydrogène. L évolution des procédés de production d hydrogène devrait permettre de supprimer totalement les émission de CO2, pour aboutir à une filière hydrogène complètement propre. Slide L ouverture de certains marchés de niches Le problème du lancement de la filière est de trouver un point de départ. En effet, pour disposer de stations, des voitures doivent les utiliser, et pour que des voitures roulent, des stations doivent apparaître. Nous pensons que pendant la période de transition, un certain nombre de marchés de niches devraient s ouvrir. Slide 27 le marché de la petite mobilité Le projet Hychain constitue un exemple de développement d une centaine de véhicules (petite mobilité), alimentés par des cartouches sur le principe du plein contre vide. L objectif de ce type de projet est de stimuler le développement des véhicules, mais aussi de la chaîne logistique et d emballage. Un essaimage devrait avoir lieu autour des points de déploiement de ce programme, pour aboutir aux premiers noyaux d utilisation de l hydrogène en transports urbains. Slide 28 l alimentation électrique de sites isolés Ce marché concerne par exemple les antennes de télécommunication dans des endroits nonraccordables au réseau. Certaines démonstrations sont en cours avec des opérateurs. Beaucoup d applications sont concernées par ce marché, en alimentation de base ou en secours, notamment dans les environnements sensibles aux nuisances où il est impossible de placer des groupes électrogènes : bâtiments administratifs, data-centers ou banques. Slide 29 Des projets de démonstration liés au transport automobile existent dans le monde entier, principalement dans les pays développés. La mise en place d infrastructures évoluées sera nécessaire pour assurer une logistique hydrogène adaptée. Il apparaît évident que le développement mondial de la filière sera long. Gif-sur-Yvette, le 26 juin

8 Cependant, même si le transport de masse se situe dans un futur encore lointain, l ouverture de certaines niches permettra très prochainement des applications directes des progrès accomplis. L acceptation sociétale doit encore progresser, tant en termes de normalisation, de réglementation que d acceptation du public. Vous y contribuez et je vous en remercie. Denis FRANCILLARD, Areva En mentionnant des applications en sites isolés, comment vous positionnez-vous par rapport à la concurrence de moins haute technologie des batteries? Ensuite, vous mentionnez que la production d hydrogène contribue au réchauffement climatique dans sa production de CO2. Or il existe des voies qui permettront la production sans CO2, notamment par le nucléaire. Guy de REALS Les batteries ne constituent une solution que pour certaines applications, selon les niches technologiques. Elles posent par exemple certains problèmes pour le back up en sites isolés. Leur maintenance est lourde, leur taux de remplacement est relativement rapide, et leur énergie n est pas réapprovisionnable, alors qu avec une solution à pile à combustible, il est possible de réalimenter en hydrogène pour prolonger l autonomie Le nucléaire représente effectivement une possibilité clé pour la génération d hydrogène sans carbone et permettrait d avoir à terme, une filière sans aucune émission de CO2. Il ne faut cependant pas oublier que le contenant pèse bien plus lourd que l hydrogène, qui ne représente que 5% du poids total dans le meilleur des cas pour l hydrogène comprimé. Certaines technologies permettent un stockage liquide avec un taux de perte très faible, pour une autonomie de plusieurs jours. Cela ouvre des possibilités pour des flottes de véhicules qui tournent beaucoup ou pour des véhicules de forte puissance. Ensuite, les problématiques de sécurité de l hydrogène sont assez différentes de celles de l essence classique, mais pas nécessairement plus sévères. L hydrogène est léger. Il se dilue très vite. Il est certes explosif, mais sur peu de temps en cas de fuite ou d épandage. François LESIGNE, RTE Une filière hydrogène pourrait-elle se charger de stockage d énergie? Guy de REALS Lorsque l on transforme de l électricité en hydrogène pour pouvoir retransformer ensuite cet hydrogène en électricité, on a les ratios suivants : Il faut 4 à 5 kwh pour produire 1 Nm3 d hydrogène par électrolyse et 0,7 Nm3 d hydrogène pour restituer 1 kwh électrique à travers une Gif-sur-Yvette, le 26 juin

9 pile à combustible. Il existe donc un facteur 3 entre la quantité d énergie que l on cherche à stocker et celle que l on peut restituer... Cette solution apparaît envisageable à condition de disposer d une énergie bon marché comme c est le cas lorsqu il existe de la capacité disponible sur des moyens de production. Nous travaillons par exemple, sur des installations hybrides, éoliennes photovoltaïques avec électrolyseurs et piles, pour déterminer s il est possible de développer des systèmes autonomes à des coûts acceptables. Gif-sur-Yvette, le 26 juin

10 Les enjeux de la gestion de l énergie à bord des véhicules Joseph BERETTA PSA Peugeot-Citroën L automobile a environ 130 ans. A ses débuts, trois énergies existaient pour sa propulsion : l énergie électrique, le pétrole et la vapeur. Le pétrole a gagné. Aujourd'hui, ce choix est remis en cause. I. Le positionnement de PSA Peugeot-Citroën Les évolutions dans ce domaine intègrent plusieurs facteurs, notamment technologiques ou réglementaires, la réglementation pouvant être particulièrement contraignante. Ces évolutions obéissent au triangle des hypothèses industrielles, fonctionnelles et économiques. L innovation dans l automobile conduit à des changements profonds : une évolution des procédés et des méthodes de conception ; des travaux importants sur les matériaux ; un large développement du groupe motopropulseur ; des changements dans l énergie. Nous suivons une dynamique forte d évolution, afin de réduire certains facteurs (les consommations, le bruit, le poids, les émissions) et d en améliorer d autres (le confort, la sécurité, l intelligence). Nous sommes obligés de nous aligner sur les valeurs collectives : la réglementation, la sécurité, les limitations d émissions polluantes, les processus de recyclage. Nous devons tenir compte des énergies disponibles dans les régions de vente des véhicules. Les trois plus anciens marchés automobiles sont les Etats-Unis, l Europe et le Japon, mais la croissance du secteur est réalisée sur les marchés émergents : Asie, Chine et Inde. Nous positionnons notre action autour de plusieurs grands chantiers : la sécurité ; la qualité perçue et les demandes de fonctionnalités des clients ; le coût d achat et le coût d usage ; les services ; le respect de l environnement. II. La préservation de l environnement La prise de conscience de la nécessité de la préservation de l environnement existe, mais si l hydrogène est présenté comme la solution ultime, des solutions intermédiaires devront auparavant se développer. Gif-sur-Yvette, le 26 juin

11 La partie du cycle de vie qui utilise le plus d énergie est l usage, loin devant la production et la fin de vie. Dès lors, la réglementation agit sur ce point, ce qui a contribué à la baisse continue des émissions polluantes, notamment grâce aux progrès technologiques. Cependant, bien que le problème de la pollution soit traité, il reste le cas du CO2 et de la couche d ozone. Le renouvellement du parc automobile, qui prend de sept à huit ans, y contribue également. Un accord a été signé entre la Commission Européenne, et les constructeurs automobiles. C est un engagement à atteindre, une valeur émission moyenne de 140 grammes de CO2 par kilomètre, d ici La moyenne actuelle se trouve autour de 186 grammes par kilomètre. III. Le prix de la mobilité D ici 2020, l Europe aura stabilisé ses émissions de CO2, tandis que celles d Amérique du Nord et d Asie suivront encore une forte croissance, du fait du nombre de véhicules qui y circuleront. Leur parc de véhicules s élève aujourd hui à 800 millions d unités. Une projection les évalue à 1,5 milliard en La plus forte croissance actuelle est à placer au crédit des pays en voie de développement, ce qui nécessitera leur accès à l énergie et au pétrole. Ainsi, les immatriculations ont augmenté de 40 % en 2005 en Chine et en Inde. Actuellement, le nombre moyen de véhicules par habitant se trouve à 1 véhicule pour 2 habitants dans les pays développés, et à au moins 1 pour 10 dans les pays en développement. La demande de pétrole pourrait donc doubler. IV. Les possibilités d énergie embarquée Les choix sont limités : il s agira soit d énergie chimique qui est transformée en énergie mécanique, soit d énergie électrique, qui présente l avantage d être réversible. L énergie mécanique concerne plutôt les transports publics. Les autres énergies apparaissent insuffisamment adaptées au transport. Le pétrole coûte actuellement cher et devrait le rester. Cette situation pourrait relancer l intérêt pour les énergies alternatives, tout comme elle amplifie les problèmes géopolitiques, du fait de la mauvaise répartition des ressources. V. Les alternatives 1. Les biocarburants Les moteurs à essence peuvent fonctionner sans problème à l éthanol. L éthanol alimente 22 à 24 % des voitures brésiliennes, avec quelques flottes à 95 %. 5 % des voitures européennes pourraient être concernées par ce carburant. L ETBE, un dérivé de l éthanol, peut également être employé. Aux Etats-Unis, 10 % des véhicules fonctionnent au gazole et au E85 (85 éthanol nécessite des moteurs flex-fuels). Le développement de l utilisation des biocarburants apparaît possible, mais il passe par une culture et un traitement agricole particulier. Gif-sur-Yvette, le 26 juin

12 L éthanol réduit les émissions polluantes, de 10 à 14 % de CO, et de 5 à 9 % d hydrocarbures. Il présente comme inconvénient d avoir une volatilité plus importante, qui nécessite de passer par un système de traitement des vapeurs. L emploi de l huile végétale pour les moteurs diesel a souvent été débattu. Il n est pas recommandé, surtout dans les moteurs modernes à haute pression d injection. En effet, le système de contrôle est censé fonctionner avec des carburants normalisés et normés. Des problèmes peuvent apparaître à partir d un mélange supérieur à 30 %. La meilleure solution consisterait à transformer ce carburant en méthyle ester : il s agit d ajouter 100 kg de méthanol à 1 tonne d huile, pour obtenir un mélange ayant des propriétés proches du diesel. Le biodiesel réduit le CO de 11 % et le HC de 20 %. Il baisse l émission de PM et de CO2 de manière significative. En revanche, l émission de NOx augmente de 8 %. 2. Les batteries Dans le choix des différentes batteries, le plomb apparaît comme une technologie vieillissante, tandis que le NiMh et le lithium apparaissent comme leaders. VI. Les rendements énergétiques Alors qu un moteur thermique classique des années 1980 connaissait un rendement du puits à la roue de 15 %, nos moteurs thermiques modernes atteignent des taux de 30 à 35 %. L écart diminue donc par rapport aux piles à combustible. VII. La consommation d énergie des véhicules particuliers Parmi les différents couple systèmes de traction/énergie, l hybride apparaît comme le plus intéressant. En revanche, l emploi des piles à combustible à partir de gaz naturel apparaît encore plus intéressant. VIII. Le stockage Sur ce point, le volume et la densité massique sont les facteurs déterminants. Nous procédons à leur évaluation en fonction des différentes énergies. Des résultats comparables pour l essence, le diesel ou les combustibles alternatifs apparaissent. En revanche, les écarts s envolent avec le gaz. L emploi du GPL (liquide à température ambiante) et du méthanol double le volume et la masse du réservoir à autonomie identique. Le CNV (gaz naturel de ville) accroît considérablement le poids du réservoir pour atteindre une autonomie standard (150 kg). Le poids du réservoir à hydrogène liquide est plus raisonnable (130 kg) ; par contre, son volume monte à 350 litres pour la même autonomie. Dans le cas des batteries, les évaluations sont totalement décalées. Les nouvelles batteries, comme les batteries Li-ion permettent des gains significatifs. Les énergies alternatives ne renvoient donc pas aux performances que nous connaissons aujourd'hui, d où la nécessité de segmenter les utilisations. Gif-sur-Yvette, le 26 juin

13 Sachant que le pétrole coûtera de plus en plus cher, les biocombustibles devraient se développer et entrer en application. De leur côté, le gaz et les batteries n atteignent pas les performances massiques et volumiques du pétrole. Il convient donc de gérer au mieux les réserves, et de tenir compte des limites des énergies alternatives. IX. L utilisation de l énergie à bord 1. La transformation d énergie Les pertes de la transformation d énergie chimique ou mécanique représentent 70 % de la consommation d un moteur thermique. Le frottement, le pompage du moteur, les accessoires et la transmission entrent aussi en compte. Enfin, une partie est utilisée pour vaincre l inertie, l aérodynamisme et la résistance au roulement. Nous travaillons pour améliorer l efficacité de la combustion, pour limiter les pertes thermiques. Quant aux accessoires, le passage au 42 volts permettra d améliorer leur rendement. 2. La gestion de l énergie La partie thermique, qui représente 20 % de la consommation du véhicule, connaît une amélioration de son efficacité par la régulation précise de la température ou la réduction de l amplitude des chocs thermiques. Nous menons également un travail sur les systèmes de climatisation, qui consomment du carburant surtout à l arrêt. Notre objectif est de mettre en lien la boucle de la climatisation avec la gestion du moteur, ce qui devrait permettre d obtenir des gains significatifs. Nous nous penchons également sur les accessoires électriques, sachant que les accessoires auparavant non-électriques le deviennent peu à peu, comme la direction assistée, la suspension ou les freins de parking. Ce point devrait connaître une croissance importante, pour arriver à une situation en 2010 où le coût de ces systèmes représentera 20 à 35 % du coût du véhicule, tandis que la partie mécanique n occupera que 30 % du coût. Dès lors, qu inclure dans l électrique? Son principe de fonctionnement est simple : il connaît de nombreux consommateurs, mais pas en permanence. Même si leur consommation augmente, nous tâchons de maîtriser la consommation moyenne à bord. Ainsi, certains consommateurs peu utilisés peuvent être désactivés en cas de demande de puissance. Le passage en 42 volts permettra des gains variables, car certains consommateurs posent encore des problèmes, comme l éclairage, dont la duré de vie est réduite par quatre. Etudions les sources électriques de la consommation d énergie embarquée : en cas de remplacement d un moteur thermique par un moteur électrique, la moitié des pertes disparaît. Cependant, il convient de considérer que cette source thermique peut s avérer utile en hiver. En effet, un moteur à très bon rendement entraîne la nécessité d employer un chauffage additionnel. Dans le cas des piles, les pertes peuvent être utilisées pour chauffer l habitacle. Gif-sur-Yvette, le 26 juin

14 En conclusion, le moteur thermique apparaît de plus en plus performant. Il consomme moins de 5 litres au 100 kilomètres. Dès lors, le management thermique est aujourd hui nécessaire. Les hybrides électriques et les piles réduiront encore les pertes, mais de nouveaux problèmes ne manqueront pas d apparaître, du fait du passage des hydrocarbures classiques à des combustibles de synthèse. La thermique connaît une évolution de l équilibres de ses sources. Dans une voiture classique, la partie chimique et mécanique est majoritaire. Dans un véhicule hybride, la source électrique prend une ampleur nouvelle et considérable. Les coûts des systèmes essence et diesel baissent. En revanche, la réduction des coûts des systèmes à pile et des hybrides n atteint pas encore un niveau intéressant. Nous ignorons quand les courbes se croiseront, et les prévisions d asymptotes sont difficiles à tracer. L avancée est progressive et se réalise élément par élément. De la salle L Europe importe et exporte encore beaucoup de véhicules diesel. Cette tendance se justifie-t-elle encore, notamment au niveau de l écart de prix? Joseph BERETTA, PSA La fiscalité a favorisé le développement des moteurs diesel en Europe, ce qui n a pas été le cas aux Etats-Unis ou au Japon, où il est réservé aux poids lourds. L écart continuera à se maintenir entre l essence et le diesel, avec des écarts de consommation de 15 à 20 %. Cela s explique notamment par la bien meilleure efficacité de la combustion du diesel. Par les projets avancés (fonctionnant par combustion homogène), l essence pourrait atteindre des performances similaires à celles du diesel, mais ce n est pas encore le cas. Gérard JUGNON, CEA Quelle est la stratégie de PSA pour évoluer d un concept fondé sur la thermique vers des concepts fondés sur l électrique? Y aura-t-il des ruptures? Joseph BERETTA Nous aboutirons nécessairement à une déstabilisation du système, toutefois sans vraie rupture pour l instant. En effet, le coût du pétrole reste acceptable. Il s agira davantage d une transition vers l hybride, qui mélange électrique et chimique. Gif-sur-Yvette, le 26 juin

15 Quel avenir pour la pile à combustible dans l automobile? Philippe SCHULZ Direction de la Recherche, Renault I. Présentation du contexte En analysant le secteur en tonne équivalent pétrole par habitant, l Amérique du Nord apparaît bien comme le plus grand consommateur, mais pour une population de seulement 300 millions d habitants. Il est important d indiquer que plus de 4 milliards de personnes consomment moins de 0,2 tonne équivalent pétrole par habitant, ce qui laisse présager des perspectives importantes d augmentation de consommation énergétique. La statistique de 85 millions de barils consommés par jour correspond à 2 litres de pétrole par habitant et par jour. Cette information place ce besoin à un niveau similaire au niveau d eau nécessaire quotidiennement à tout être humain. Le carburant apparaît donc comme un besoin vital, réparti de manière très inéquitable. Nous nous penchons sur la recherche de réponses qui permettront d assurer une solution durable et économiquement acceptable, tout en respectant l environnement. Pour ne pas fausser le débat, il est important que les piles à combustible soient toujours présentées dans ce schéma global, en comparaison avec d autres systèmes de motorisation. Les véhicules conventionnels entrent peu à peu dans la catégorie des véhicules propres, car la pollution locale appartient au passé. La véritable évolution concerne dès aujourd hui la baisse d émissions de CO2. Renault s engage résolument sur ce sujet. Nous fabriquons d ores et déjà des véhicules à faible niveau de consommation, compte tenu de notre structure de gammes, et nous poursuivons nos recherches sur les véhicules hybrides, les véhicules électriques, mais aussi l allégement de structure, les nouveaux modes de combustion II. Les facteurs d évolution Le client se trouve toujours au centre de nos préoccupations, de même que les attentes sociétales, et la prise en compte de nos possibilités technologique à un instant t. Nos évolutions prennent en compte les impératifs suivants transporter les personnes et les biens en toute sécurité ; garantir le confort ; assurer le plaisir de la conduite ; respecter l environnement ; assurer une mobilité durable à un coût acceptable. Le premier projet de véhicule à hydrogène date de 1807, mais il n a jamais été développé. Ce domaine a été réinvesti depuis une quinzaine d années, dans la recherche sur les piles à combustible. Gif-sur-Yvette, le 26 juin

16 Tous les constructeurs automobiles savent aujourd'hui faire des démonstrateurs technologiques ou de communication, à plusieurs millions d euros l unité. Le véritable objectif demeure pourtant de parvenir à un véhicule accessible au consommateur et fabriqué en série. Or il n existe aujourd'hui que 200 véhicules à piles à combustible dans le monde. L hydrogène nous intéresse, car nous abordons la problématique des piles à combustible en tant qu ingénieurs, et non en tant qu entreprise communicante. C est la raison pour laquelle nous n avons pas produit de véhicule de démonstration. Nous considérons qu il existe un vrai potentiel dans cette filière, d autant que les sources d hydrogène sont très nombreuses (biomasse, charbon, électrolyse, électricité d origine nucléaire, etc.). L utilisation des piles à combustible concerne plusieurs champs, du portable au stationnaire jusqu à l embarqué. La comparaison entre la pile à combustible et le moteur thermique présente peu de sens : l hydrogène est un vecteur d énergie, qui doit dès lors être comparé à l électricité. La filière de production de l hydrogène apparaît comme un facteur fondamental. Pour limiter les émissions de CO2, nous devrons passer par une production d hydrogène à partir d énergies renouvelables ou à partir du nucléaire Des sacrifices et des compromis (émissions de CO2, coût énergétique) seront toujours nécessaires. III. Les défis à relever et les projets envisagés Le défi technologique est considérable. Le bénéfice environnemental global doit être mis en parallèle avec les évolutions des systèmes traditionnels. Notre système est construit autour d un réservoir qui alimente une pile, celle-ci alimentant ensuite un moteur électrique. Il présente l avantage de n entraîner aucune émission autre que de l eau, et de bénéficier du bon rendement de la pile à combustible. Ses désavantages concernent les émissions de CO2, variables selon les filières de production, la complexité du stockage à bord, et la distribution d H2 à mettre en place. Une seconde approche utilise du carburant liquide, stocké dans un réservoir conventionnel, et transformé sur demande en hydrogène pour alimenter la pile à combustible. Il s agit de la technique dite du réformeur. Elle utilise le réseau de distribution de carburant existant, d où une adaptabilité à la pompe à n importe quel carburant. Cette technologie est donc universelle et applicable partout dans le monde. En outre, elle garantit l autonomie du véhicule. Enfin, elle permet elle aussi une excellente réduction des émissions polluantes. Elle présente cependant le désavantage d émettre du CO2 à bord du véhicule. Sur ce point, notre but est d atteindre moins de 80 grammes de CO2 émis par kilomètre. Enfin, le reformage à bord est un processus très complexe à développer. La troisième voie concerne les auxiliaires de puissance. Elle intègre une pile de 5 kw et utilise du carburant pour alimenter le moteur thermique, en présence d un réformeur intégré. La pile ne sert qu aux besoins du consommateur en électricité. Gif-sur-Yvette, le 26 juin

17 IV. L alliance Renault-Nissan Cette alliance a été formée en Renault se focalise de son côté sur le réformage embarqué de carburants liquides. De nombreux essais et projets technologiques sont en cours sur ce sujet. En parallèle, Nissan travaille sur l hydrogène comprimé, présent sur le marché californien et développe son propre stack de piles à combustible. Ces deux voies sont assez liées. La différenciation se situe principalement sur le stockage d hydrogène par rapport au réformage. V. La pile à combustible Il s agit d un générateur électrochimique qui fonctionne en continu, avec une alimentation en oxygène et en combustible, puis des réactions électrochimiques produisent l eau et le courant électrique. Ce processus nécessite un catalyseur aux électrodes. Cinq technologies de piles à combustible existent. Nous utilisons la voie oxyde solide et la technologie de membrane échangeuse de protons. Elle présente l inconvénient de travailler à des niveaux de température peu élevés, en dessous de 100 C, ce qui pose des problèmes d intégration thermique, car il y a beaucoup de calories à évacuer avec un delta T de quelques dizaines de degrés seulement. Une pile à combustible correspond à un empilement de membranes et d électrodes, le tout mis en place dans un stack. Le c ur de la pile (appelé l AME) est le siège des réactions électrochimiques. C est là que les développements sont les plus différenciant. Nous avons développé une collaboration avec 3M, qui connaît bien les membranes, les films et les catalyseurs. En outre, un tel développement apparaissait impossible en interne. Les principaux défis à relever concernent les coûts et la performance sur les membranes et les catalyseurs, mais aussi sur la température de fonctionnement, qui évolue entre -30 C et 100 C, avec démarrage à froid. Une pile comprend trois grands postes : la membrane, les électrodes et les plaques bipolaires. L histoire des piles à combustible est relativement récente. Elle n a vraiment été étudiée que depuis les années 60 pour des applications militaires et spatiales, et au cours des années 90 dans l automobile. En parallèle, nous progressons vers une réduction considérable de la teneur en platine sur les électrodes, de 20 mg au cm 2 à moins de 2, tout en améliorant les performances. Un stack de 70 kw intègre aujourd hui environ 75 grammes de platine. Les prévisions estiment le besoin futur en platines à 450 tonnes (hypothèse de parc de 5 millions de véhicules à pile et de 10 GW de piles stationnaires, étude METI pour Japon en 2020). Les réserves terrestres se limitent à tonnes, et seulement 150 tonnes sont produites chaque année... Nous risquerions de passer d un problème pétrolier à un problème platine. Il apparaît donc indispensable de gagner un ordre de grandeur sur la teneur en platine. Des contraintes liées au fonctionnement et à l intégration nécessitent également un travail scientifique fondamental mené par nos équipes, notamment sur la résistance au fonctionnement et Gif-sur-Yvette, le 26 juin

18 aux chocs. Je précise qu il faudra sept à dix ans pour appliquer toutes les technologies développées, une fois que nous les maîtriserons. Tout un travail d ingénierie sera donc nécessaire avant d amener ces technologies au consommateur. Notre roadmap technologique s attache à différents problèmes : la compacité, la masse et la réduction de la teneur en platine. Un programme de test est en développement sur le sujet du réformage qui consiste à transformer le carburant liquide en hydrogène acceptable par la pile. Nous nous trouvons à un niveau où la pile pose cependant davantage de problèmes que le réformage : ce dernier point est donc en passe d être résolu, notamment sur ses problématiques d encombrement. La contrainte du stockage de l hydrogène dans le véhicule sera plus forte que pour un système de réformeur. En effet, ce dernier peut plus facilement être miniaturisé et délocalisé. Le système intégré au véhicule n est pas seulement un module de puissance (incluant réformeur et pile à combustible), mais aussi un système de traction incluant une importante partie électrotechnique. Nous travaillons sur l ensemble de ces sujets fondamentaux, mais aussi sur la partie thermique, la partie contrôle ou la loi de gestion d énergie embarquée. En , le nombre de véhicules intégrant des piles à combustible sera encore très limité : sans doute moins de au Japon (où existe une forte incitation), moins de aux Etats-Unis et moins de 500 en Europe, avec une corrélation forte avec les niveaux de subventions publiques. Nous observerons une forte augmentation des applications stationnaires. En conclusion, au centre de nos préoccupations se trouvent la réduction des émissions de CO2, une plus grande flexibilité aux approvisionnements en carburants, l introduction de nouvelles prestations pour le client et enfin l acceptabilité sociale. La concurrence des moteurs thermiques à technologie hybride ou électrique sera réelle, grâce aux progrès des batteries, tandis que les véhicules à piles à combustible se développeront. Il conviendra de laisser leur chance à tous ces véhicules, aux qualités très différentes. Nous devrons surtout appliquer une approche très pragmatique et ancrée sur le long terme, en maintenant notre rythme sur encore dix à vingt ans. Bernard DAUVIN, consultant indépendant Que signifie l engagement volontaire de 140 grammes de CO2 par kilomètre. Concerne-t-il uniquement du CO2 d origine fossile? Cela me semble important, car l introduction des biocarburants entraînera un déstockage réduit de CO2 dans l atmosphère, ce qui limiterait la contrainte des constructeurs. Philippe SCHULZ Il ne s agit pas de l ensemble de la filière, du réservoir à la roue. Cet engagement ne concerne que l usage et donne une vision tronquée du bilan. Or je rappelle que le bilan du puits à la roue est Gif-sur-Yvette, le 26 juin

19 relativement récent : il a vu le jour à la fin des années 90. Cet engagement date également environ de la même époque, il n a donc pas été aussi détaillé. Joseph BERETTA Cet engagement est fixé pour Son échéance est donc très proche. Nous envisagerons sans doute une autre orientation une fois cette date passée. De la salle Le combustible liquide appelé HC peut-il provenir du nucléaire et des énergies renouvelables ou seulement des biocarburants? Philippe SCHULZ Il convient de rappeler que l hydrogène peut provenir de différentes sources. Or aujourd'hui les carburants disponibles se séparent entre la biomasse ou une origine fossile, au sens large (pétrole, charbon, gaz naturel, etc.) De la salle Vous avez mentionné la production d hydrogène pour fournir de l électricité dans un véhicule. Mais que se passe-t-il en descente? Y a-t-il une remontée vers le réservoir? Philippe SCHULZ Non. L hydrogène est fourni sur demande, avec une gestion de l énergie à bord. Denis FRANCILLARD, Areva Vous avez indiqué que Nissan et Renault poursuivaient des voies indépendantes. Jusqu où cette indépendance peut-elle durer? Vous entretenez un partenariat avez Nuvera sur le développement de la pile à combustible. Or Nuvera entretient lui-même des relations avec des chimistes, pour la membrane, tandis que vous développez ce sujet avec 3M. Qu en est-il de la cohérence de ces partenariats? A combien s élève le coût de développement de piles à combustible chez Renault-Nissan? Philippe SCHULZ Renault et Nissan mènent des recherches sur des technologies de long terme. La question de la pertinence de la recherche sur le réformage est dépassée : il existe un large consensus qui atteste que l avènement de l hydrogène aura bien lieu, mais qu il sera beaucoup plus long que prévu. Le Gif-sur-Yvette, le 26 juin

20 couplage du réformage à une pile à combustible pourra constituer un premier marché, car le consommateur continuera à utiliser la pompe traditionnelle. Nous fixons la transition vers le couple idéal hydrogène et pile à combustible au-delà de Nous avons pris une participation de 10 % dans le capital de Nuvera. Le réformage embarqué qu ils développent nous intéressait particulièrement. Ils ont commencé ces recherches dans les années 90. De ce fait, ils bénéficient d une vraie expertise. En outre il s agit d un observatoire privilégié du développement de la technologie pile, qui n a pas forcément un usage automobile, mais aussi résidentiel. Tout cela nous permet de suivre l avancée de la technologie. Nuvera n étant pas développeur de membranes, le partenariat avec 3M apparaît totalement cohérent. Nuvera nous permet de nous concentrer sur le développement du stack, et 3M sur l AME, c'est-à-dire la membrane. Enfin, je vous donnerai le seul chiffre publié en 2001 sur le développement de piles à combustible chez Renault-Nissan. Sur les cinq dernières années, l alliance aura investi environ 700 millions de dollars sur la pile à combustible. Gilles LE MAROIS, CEA Renault envisage-il des alternatives au platine? Philippe SCHULZ Oui, comme tous les constructeurs et industriels. D autres recherches sont en cours, sur des matériaux qui permettraient de lever l hypothèque du platine. Un programme national hydrogène et piles à combustible a été mis en place en France, avec un budget de recherche et développement de 30 millions d euros. La partie catalyseur constitue une partie essentielle de cette recherche. De la salle Il a été dit que nous adaptions les moteurs aux carburants dont nous disposions. Sachant que nous nous orientons vers des carburants de synthèse, y a-t-il un carburant préférentiel vers lequel l avis des fabricants convergerait? Philippe SCHULZ Certains motoristes imaginent un carburant particulier, entre essence et diesel. Cependant, nous souffrons avant tout du problème de la limitation des réserves de carburant d origine pétrolière. En effet, il existe des normes très sévères sur la composition et la qualité des carburants. Dès lors, les volumes disponibles sont faibles. Si nous augmentions encore les contraintes sur les ressources liquides d origine pétrolière, cela diminuerait d autant les réserves et entraînerait une hausse des prix. Nous préférons employer les carburants les mieux adaptés à chaque mode de combustion, d autant que nous constaterons à l avenir une multiplication des carburants pour répondre à la rareté de la ressource. Gif-sur-Yvette, le 26 juin

21 Batteries Li-ion pour véhicules hybrides et électriques : vision du CEA Gilles LE MAROIS Centre CEA de Grenoble I. Introduction et contexte Le CEA s organise en quatre pôles. L un d eux est la recherche technologique pour l industrie, répartie dans trois unités, dont l une est le Liten. C est au Liten que s organise le développement sur le thème qui nous réunit aujourd hui. Les missions du Liten consistent à développer de nouvelles filiales énergétiques, en réponse aux besoins de trois marchés : automobile, habitat et nomade. Le contexte apparaît parfaitement favorable. Après une époque 100 % pétrole, nous rencontrerons une diversification des sources énergétiques, notamment par les normes internationales et les directives, ou grâce au soutien public et à divers programmes. Ce mouvement est en train de s amorcer au niveau de l industrie : des budgets importants de recherche et développement lui ont été attribués. Cependant, cet élan est freiné par la forte pénétration du diesel et de ses performances, notamment en Europe. Ces systèmes, qui polluent tout de même moins que l essence, concurrencent directement l hybride. Une limitation des batteries actuelles en termes de coûts et de sécurité s observe également. En outre, il est nécessaire de surmonter certains aspects culturels, notamment pour rester compétitifs face à la forte concurrence. II. La stratégie du Liten Elle repose sur le choix du Li-ion. En effet, il existe un consensus sur ses performances potentielles. En outre, ce système est particulièrement stable et réversible et autorise des cyclages élevés. Son handicap majeur se situe au niveau de son coût, encore élevé. Cette stratégie est fondée sur l offre globale, depuis la conception jusqu à l intégration et à la gestion de l énergie, grâce à des procédés facilement transférables à l industrie. La stratégie du Liten repose sur deux développements distincts. 1. Les batteries pour véhicules électriques hybrides Ces batteries connaissent un besoin de forte puissance, environ 3 kw par kilo. Elles doivent également supporter des cyclages rapides et élevés, pour une durée de vie identique à celle du véhicule, dans des conditions de température variées. Nous estimons son coût compétitif dans une fourchette située entre et 20 et 25 euros par kw. La sécurité et la toxicité de ces batteries doivent évidemment être maîtrisées. Gif-sur-Yvette, le 26 juin

22 Nous développons d une part une technologie robuste, disponible à court terme, basée sur le couple LiFePO4, et qui convient à des cycles urbains, du fait de la limitation de sa densité d énergie. En parallèle, nous développons des batteries beaucoup plus innovantes, qui utilisent de nouveaux matériaux de cathodes et d anodes. Le principe consiste à les coupler avec les électroniques correspondantes, pour obtenir la meilleure densité, tout en conservant l objectif initial de 3 kw par kilo. Nous avons également breveté une architecture de montage de batteries spécialement adaptée aux batteries de puissance. Il s agit d une mise en série interne de batteries, qui permet de diminuer la résistance interne, de proposer une meilleure dissipation de chaleur, et une mise en uvre facilitée (c'est-à-dire plus facilement industrialisable). Cette technologie robuste a obtenu d excellentes performances par rapport aux matériaux concurrents, pour un chargement en quelques minutes. En outre, les systèmes embarqués répondant à des impératifs de sûreté exigeants, ces batteries présentent l avantage d être issues d un matériau beaucoup moins réactif. Aucune précaution particulière ne doit être prise pour les utiliser. Nous cherchons évidemment à réduire le coût d une batterie Li-ion de forte puissance, en utilisant de nouveaux matériaux. Des gains devraient progressivement être obtenus, pour parvenir à diviser par trois les coûts actuels. L augmentation du taux de mécanisation, de fabrication et d intégration devrait également y contribuer. En outre, l utilisation de matériaux d électrodes et de cellules plus fiables permettra de diminuer la quantité d instrumentation utilisée pour les contrôler, et de réduire encore le coût final de la batterie. Je précise que le coût de la cellule revient à 80 % du coût de la batterie, car chaque cellule doit être instrumentée individuellement. La roadmap pour ces batteries de véhicules électriques hybrides présente un objectif de 3 kw par kilo pour les batteries robustes. Grâce à des électrodes de haute capacité, nous espérons atteindre 100 kwh par kilo d ici trois ans. En outre, la validation de la technologie bipolaire nous permettra de produire d ici quatre ans une batterie à bas coût pour les véhicules électriques hybrides, aux environs de 20 euros par kw pour chaque élément. En ce qui concerne les véhicules purement électriques, nous cherchons surtout à obtenir de la densité d énergie, de l ordre de 250 kwh par kilo. Pour ces modèles, le cyclage peut être plus modéré mais doit être plus profond. Le coût est alors exprimé en kwh et non en kw. Il s élève aujourd hui à 700 euros/kwh. Il conviendrait de gagner un facteur 3 à 4 pour être compétitif. 2. Les batteries de forte densité pour les véhicules électriques Il s agit d un modèle robuste que nous développons en parallèle, fondé sur le couple LiFePO4/Graphite pour obtenir davantage de capacité. Nous cherchons en outre à obtenir des matériaux toujours plus innovants, notamment sur les cathodes de forte tension. C est sur les anodes, sur la base du couple silicium-carbone, que le meilleur gain en densité n énergie peut être obtenu, en théorie d un facteur 10. Nous avons testé des matériaux haute capacité (5 volts), pour lesquels nous avons breveté une technologie de traitement de surface, qui permet d améliorer leur rétention de capacité. Ces matériaux posent toutefois des problèmes d interaction avec l électrolyte. Gif-sur-Yvette, le 26 juin

23 La roadmap fixée vise elle aussi à augmenter la densité d énergie, et de remplacer les électrodes «plus» et «moins» par des électrodes haute capacité, pour aboutir à une densité de 350 Wh par kilo et 800 Wh par litre, pour pouvoir parcourir environ 400 kilomètres avec un véhicule électrique. Ces développements reposent aussi sur la modélisation, qui nous permet d optimiser la conception, et de déterminer le domaine d utilisation optimal, en profondeur et vitesse de décharge. Une batterie destinée à la propulsion automobile doit intégrer des cellules et des modules instrumentés, ainsi qu un système de gestion électronique pour redistribuer l énergie produite et pour optimiser la durée de vie. Ce système repose donc sur une estimation préalable visant à déterminer comment se comporte et vieillit la batterie. Nous disposons à ce titre d une base de données sur le comportement et le vieillissement des batteries, testées selon différents protocoles correspondant à des cas réels d utilisation. Cela permet une vraie comparaison entre les différentes technologies. Nous cherchons en permanence à enrichir cette base de données par de nouveaux tests. A titre d exemple, nous avons utilisé un signal modulé de charge et décharge et déterminé l optimal de fréquence, afin d optimiser la gestion de vie d une batterie. Nous avons ainsi pu optimiser de plus de 50 % la durée de vie de batteries au plomb. Nous développons à partir de ces éléments le software et le hardware qui indiquent l état de charge et de santé de la batterie, avec une marge d erreur de 5 à 10 %. En ce qui concerne l intégration, nous étudions le couplage entre batterie et super capacité. Ensuite, nous adaptons le système aux nouveaux concepts Li-ion. III. Les moyens et les développements en cours La structure du CEA à Grenoble comprend trois plateformes. Une plateforme de mise en uvre des matériaux d électrode et d électrolyte, Une ligne complète d assemblage de prototypes. Cette dernière est pratiquement la même que celle des fabricants de batteries, qui utilisent des technologies très bon marché dérivées de l imprimerie, Une plateforme d intégration et d essais, qui inclut notamment un kart de tests. Nous disposons d une seconde plateforme à Chambéry, dédiée à l évaluation des batteries de forte puissance, et où sont développés les outils d optimisation de gestion de l énergie. Nous sommes sensibles à la notion de propriété industrielle. Nous disposons de nombreux brevets, autant sur les technologies de batterie que de stockage. En conclusion, le CEA-Liten dispose d une concentration de moyens et de compétences unique qui lui permet de proposer une offre globale. Gif-sur-Yvette, le 26 juin

24 Il nous parait souhaitable de développer un partenariat fort avec l industrie, pour mieux orienter notre R&D en fonction de leurs besoins, et avec les laboratoires, pour accroître nos synergies et qui pourrait se faire dans le cadre d un institut national. De la salle Vous avez cité une tension de 5 V, s agit-il de la tension unitaire de cellule? Gilles LE MAROIS Il s agit de la tension de l électrode par rapport au couple Lithium Lithium-plus. Un intervenant, Existe-t-il de grandes réserves de lithium? De la salle Il en existe dans l eau de mer, donc en grandes quantités disponibles. De la salle Comment se comporte une batterie à laquelle on impose un courant de charge égal au courant de décharge? Gilles LE MAROIS Le Li-ion présente l intérêt de toujours rester en Li-ion. Les systèmes sont totalement réversibles, particulièrement pour le lithium-titanate au potentiel élevé, qui demeure toujours dans des états très stables. Cela lui permet en outre de supporter des charges et décharges très rapides, et de délivrer beaucoup de puissance. Jean-Claude VANNIER, département énergie à Supélec Pourriez-vous apporter un complément d information sur la gestion de l énergie de la batterie, notamment sur la manière de déterminer le niveau d énergie qu il reste? Gilles LE MAROIS Je ne suis pas spécialiste en ce domaine. Toutefois, je sais qu une impulsion est envoyée pour mesurer la résistance interne afin d évaluer l état de santé, et que l information est ensuite traitée pour aboutir à un résultat fiable. Gif-sur-Yvette, le 26 juin

25 Joseph BERETTA, PSA Cette technique ne pose aucun problème sur les couples Li-ion, car la chute de tension est quasiment proportionnelle à l état de charge. En revanche, pour le lithium phosphate de fer, la courbe est très plate. Dans ce cas, nous sommes obligés d élaborer des estimateurs du niveau de charge. Pour cela, nous comparons ces niveaux au modèle de batterie, la capacité restante étant modulée par l état de santé. Tout cela est donc assez complexe à traiter. La capacité du réservoir varie donc avec le temps. De la salle Le processus de charge est-il similaire pour les batteries Lithium que nous connaissons, en partie à courant constant et ensuite à tension constante? Un processus différent peut-il se produire? Joseph BERETTA, PSA Comme ces batteries acceptent de forts courants, la charge ne pose pas de problème. La limite concerne davantage la thermique et la sécurité de tension. Gilles LE MAROIS, CEA La thermique et la profondeur de décharge accélèrent le vieillissement, c est pourquoi nous limitons généralement les décharges à 80% de l utilisation de la batterie. Dans le cas d un véhicule hybride, la batterie est peu sollicitée en charge décharge, mais plutôt en cyclage. L intérêt du système lithiumfer-phosphate, très stable, est d avoir des profondeurs de charge légèrement supérieures, ce qui permet d étendre sa capacité d utilisation. Gif-sur-Yvette, le 26 juin

26 Stratégie d hybridation par Valeo : pour des applications grande série compétitives Daniel RICHARD Valeo I. Introduction et présentation de Valeo L objet de mon exposé est de vous donner un exemple d approche industrielle française et européenne à «l hybridation». Le titre choisi répond à notre stratégie produit qui vise à offrir une hybridation accessible en termes de prix, et adaptable à tous les véhicules en série. Dès lors, je parlerai de sujets sans doute plus courts termes que ceux évoqués dans les exposés précédents. Valeo réalise 10 milliards d euros de chiffres d affaires par an. L entreprise emploie personnes, compte 134 sites industriels et 65 centres de recherche et développement. Notre vocation est la proximité dans le service à nos clients dans tous les pays de construction automobile Au titre de la sécurité, nous travaillons sur l assistance à la conduite avec des innovations importantes portant, par exemple, sur la détection des angles morts ou sur éclairage optimisé de la route. Au titre du respect de l environnement, nous avons été les premiers à introduire sur le marché (grâce à PSA sur la Citroën C3) l alterno-démarreur «StARS» pour réaliser une fonction stop-start très conviviale, réduisant sensiblement la consommation des véhicules. Nos développements sur les soupapes à actionneurs électriques sont aussi très prometteurs. Nous organisons nos activités par lignes de produits opérées par des Branches Industrielles pour adresser trois domaines : les systèmes liés à l assistance à la conduite pour apporter plus de confort et plus de sécurité ; les systèmes liés à l efficacité du groupe motopropulseur contribuant ainsi à la protection de l environnement ; les systèmes liés à l amélioration du confort à bord. II. Les actions de Valeo pour réduire la consommation d énergie Dès maintenant ou à court terme des actions sont possibles dans notre environnement industriel pour réduire la consommation d énergie d un véhicule de série : Gif-sur-Yvette, le 26 juin

27 Nous pouvons activer les accessoires mécaniques (ceux entraînés par la courroie avant) en les électrifiant et en les pilotant aux vitesses requises à leur fonctionnement optimum. Cette piste contribue pour 8 % de réduction de consommation potentielle en cycle MVEG. L optimisation du pilotage de la thermique du moteur peut permettre de gagner jusqu à 4% de consommation sur ce même cycle. L automatisation de la transmission (boite manuelle robotisée) peut participer jusqu à hauteur de 6% à la réduction de consommation. Commander l ouverture et la fermeture des soupapes électriquement peut contribuer jusqu à 20% à la réduction de la consommation c est le système CAMLESS en cours de développement chez VALEO. Les deux systèmes micro-hybrides de VALEO, StARS d une part (fonction arrêt/marche automatique) et StARS+X d autre part (StARS + freinage récupératif) offrent jusqu à 20% de réduction de consommation sur la partie urbaine du cycle MVEG. Ces systèmes, StARS (ou StARS +X) et CAMLESS combinés représentent une alternative intéressante aux systèmes d hybridation complexe, en terme de coût/prestations. III. L offre d hybridation par Valeo Le monde de l automobile décrit 3 types d hybridation :. le micro hybride Catégorie créée par VALEO et PSA avec le système «StARS» monté en série sur les C3 et les C2 de Citroën. Il s agit d offrir la prestation de base d un hybride : arrêt/marche automatique (stop-start). le mild-hybrid Cette catégorie regroupe des véhicules du type Honda Civic qui offre des prestations suivantes : - l arrêt marche automatique (idem micro hybride) ; - une assistance électrique au couple du moteur thermique, souvent de cylindrée plus réduite pour améliorer le rendement du Groupe motopropulseur; - la récupération d énergie au freinage. le full-hybrid Il s agit de véhicules de type Toyota Prius, regroupant les prestations d un «mild-hybrid» mais offrant aussi une aptitude certes réduite (2 à 3 km) à la traction purement électrique. L arrêt/marche automatique (Stop/Start) apporte entre 4 et 6% de réduction de consommation sur cycle MVEG. La solution «StArs» de VALEO fondée sur un alternateur piloté électroniquement et de haut rendement apporte 6% sur ce cycle, et même jusqu à 12% lorsqu il est configuré dans sa Gif-sur-Yvette, le 26 juin

28 version StARS+X, avec freinage récupératif et une prestation simple d assistance de couple. Dans les mêmes conditions les gains obtenus par les mild et full-hybrid vont de 15 à 35%. Nous verrons plus tard dans l exposé que les prestations des systèmes VALEO, se rapprochent de celles de véhicules plus hybridés très complexes, lorsqu on considère les conditions réelles d utilisation en ville. Le bien fondé de l approche proposée par VALEO d introduire l hybridation des véhicules pas à pas en partant de systèmes simples, repose sur l équation surcoût des fonctions/prestations très fortement favorable aux micro et micro-mild-hybride (StARS et StARS+X de VALEO). En effet, si nous considérons que le surcoût d un système StARS est de 1 (pour 6% de réduction de consommation en cycle MVEG, 20 à 25% de réduction en circulation ville réelle), il faudra compter 14 comme surcoût d un véhicule full-hybrid (pour 25% de réduction de consommation sur cycle MVEG, 40% de réduction de consommation en ville réelle, beaucoup moins en vie réelle, cycle mixte). Alors que les coûts de développement et l investissement industriel nécessaires à l intégration de StARS sont limités, les coûts de développement d un véhicule hybride, tel que TOYOTA Prius sont énormes (15 ans d étude chez TOYOTA), sans compter les coûts d investissement eux-mêmes très élevés. C est la raison pour laquelle nous proposons au marché nos systèmes StARS (alternodémarreurs à entraînement par courroies) issus de nos gammes standards d alternateurs (nous en fabriquons 14 millions par an) en 2 générations successives : StARS GEN 1 avec boîtier électronique (de technologie conventionnelle) séparé. Cette architecture n est pas optimisée en coût mais offre une grande flexibilité d intégration dans tous les véhicules. i-stars, la deuxième génération disponible dès 2008 à coût optimisé grâce à une technologie très innovante d intégration sur la machine de son électronique de puissance. Ces générations de produit peuvent être configurées en StARS+X ajoutant la fonction de récupération d énergie au freinage. En résumé : StARS apporte : une réduction de consommation importante, surtout en cycle d utilisation réelle en ville pour un surcoût véhicule beaucoup plus compétitif que les versions mild et full-hybrid ; plus de confort : absence de bruit à l arrêt, contribution importante à la pollution sonore en ville; une image citoyenne et technique. La vocation de cette gamme de produit est d être appliquée en grande série par applications successives sur tous les véhicules du marché. La CITROEN C2 et C3 en sont déjà équipées. Tous les constructeurs Européens disposent de démonstrateurs et trois d entre eux sont en phase de décision pour une application série. A nouveau, insistons sur les gains de consommation apportés par StARS. Si les mesures officielles constructeurs oscillent entre 4% (Diesel) et 6% (Essence) sur cycle MVEG, nous avons prouvé lors d essais comparatifs effectués en situation réelle de conduite à Paris (Octobre 2005, essais Gif-sur-Yvette, le 26 juin

29 comparatifs attestés par huissier) que les gains étaient supérieurs à 20% de consommation de carburant entre le véhicule de série et celui équipé de StARS (Modus 23,8%, C3 proche de 28%). Bien que les frais de R&D et les investissements soient raisonnables, l introduction de ces systèmes souffre de l effort financier nécessaire aux premières applications. Certains règlements ont changé pour inciter le montage de cette fonction sur les flottes (administrations, grandes entreprises). Un avantage fiscal octroyé pour tout acheteur d un véhicule équipé de «StARS» accélèrerait l introduction en grande série du système, et amorcerait la pompe de toute la stratégie d hybridation proposée par VALEO. IV. En résumé, les solutions VALEO à l hybridation Nous décrivons ici, soit de solutions en série (StARS GEN 1), soit de solutions qui seront disponibles à court terme ( ). 1. Le stop-start : StARS GEN 1 et i-stars StARS GEN 1 est constitué d une machine tournante similaire aux alternateurs de grande série. Son boîtier de pilotage (pilotage dit «pleine onde») en mode moteur pour le démarrage, en mode alternateur de redressement synchrone en mode alternateur de haut rendement) est séparé : il permet une grande flexibilité d intégration sur toute première application des constructeurs (intégration physique, intégration des softwares système du constructeur). Il abrite ainsi la stratégie de stop/start développé par VALEO ou le constructeur selon l image marketing visée sur le véhicule. En contre partie de sa grande flexibilité de montage, cette architecture StARS GEN 1 avec boîtier séparé n est pas optimisée en coût et est limitée en terme d environnement acceptable (température). C est la raison pour laquelle VALEO développe la seconde génération de produit avec électronique de puissance intégrée originale et innovante : i-stars sera doté d une électronique très intégré, «IML» (pour «Insulated moulded Lead Frame), où le silicium actif est reporté directement sur les traces des modules de puissance intégrés à la machine. Cette technologie est déterminante pour réduire les coûts, donc donner accès à la grande série aux générations futures d hybrides. Ce produit sera accessible en série dès fin Le freinage récupératif et l assistance de couple : Architecture StARS+X de VALEO Il est composé principalement d un système StARS GEN 1, (machine et boîtier de commande) d un convertisseur DC/DC, et d une batterie d ultra capacités. Le réseau électrique est organisé en 2 réseaux «isolés» par le convertisseur DC /DC. 1 réseau local à la machine permet d assurer le démarrage (démarrage rapide de moteur de forte cylindrée) et la génération électrique (puissance élevée de freinage récupératif) à une tension supérieure à 14V, typiquement entre 15/17V et 24/30V en contrôlant la charge et la décharge des ultra capacités ; le réseau normal de 14V sur batterie au plomb traditionnel. Gif-sur-Yvette, le 26 juin

30 Entre ces deux réseaux l énergie électrique est transférée grâce à un convertisseur DC/DC bidirectionnel. Cette architecture (breveté en grande partie par VALEO) a les avantages suivants : une aptitude à démarrer tous les moteurs du marché, offrant une fonction stop/start rapide et transparente pour l utilisateur ; une fonction de récupération d énergie au freinage importante, aujourd hui de 5/6 kw, demain jusqu à 10 kw selon les caractéristiques de la machine et l évolution des caractéristiques des ultra capacités ; une fonction d assistance au couple moteur, certes plus limitée que sur des systèmes dit à pilotage PWM, mais efficace et de technologie simple évitant un traitement de compatibilité électromagnétique complexe. L intelligence de ce système réside en une gestion optimisée de la charge des éléments de stockage (batterie 14V et ultra capacités) et de l assistance en couple du moteur thermique par la machine électrique. Chez VALEO nous pensons que cette architecture est très compétitive par rapport aux systèmes mild-hybrid, tel que celui proposé sur HONDA Civic V. CONCLUSION Nos développements ont été plébiscités par la presse spécialisée et notre système StARS a reçu de nombreuses récompenses nationales et internationales : prix de l Ingénieur de l année 2004 (conjointement avec PSA), prix EPCOS SIA 2005, Pace Award Nous déplorons cependant que le succès commercial se fasse attendre : premières applications appréciées par les utilisateurs sur C2 et C3, mais limitées en volumes. Dans un contexte où tout acheteur d une Prius TOYOTA (véhicule fabriqué au Japon) bénéficie d une incitation fiscale de 1500 à l achat, nous oeuvrons pour que les Pouvoirs Publics aident au lancement de notre offre en grande série. Cette impulsion est nécessaire pour amortir les surcoûts de ces systèmes aux investissements grèvant les premières applications. Gif-sur-Yvette, le 26 juin

31 Les hybrides sont-ils une solution d avenir pour les transports en commun? Retour d expérience de la RATP Sylvestre COSTA RATP Je fais partie du département matériel roulant bus de la RATP, dont la mission est de gérer notre parc de véhicules : nous nous chargeons de l achat de véhicules neufs, de la réforme des anciens, et du maintien des véhicules pour le département exploitation. L ingénierie autobus travaille sur l amélioration des bus, par la technologie hybride, la réduction de la consommation, le passage à la climatisation, etc. I. Le contexte dans lequel la RATP s intéresse aux véhicules hybrides La RATP est un acteur majeur des transports d Ile-de-France. Elle parcourt 150 millions de kilomètres par an. Très concernée par les problématiques environnementales, elle a mis en place au début des années 90 le programme «bus écologiques» dont l objectif était d évaluer les différentes technologies disponibles pour réduire les émissions polluantes des autobus. Après une phase expérimentale en 1994, le déploiement a été opérationnel en 1998, ce qui incluait l ensemble des technologies propres disponibles à l époque. II. Nos actions Aujourd hui, tous nos véhicules Diesel roulent au gazole désulfuré (50 ppm) véhicules sont équipés de filtres à particules. 310 véhicules roulent à l aquazole et 72 au Diester. A partir de 2001 les bus neufs répondent aux normes Euro 3. Nous avons également développé les énergies alternatives : notre flotte compte 12 bus électriques circulant à Montmartre. Ils parcourent 70 kilomètres par jour avec une charge rapide de 5 minutes à chaque tour et une charge lente toute la nuit. Nous exploitons également 90 bus au GNV et 53 au GPL. Au final, 98 % de notre flotte ont été traités. Nous nous intéressons en outre aux nouvelles technologies, comme l hybride ou les piles à combustible. III. La solution de l hybride Les véhicules diesel sont équipés de chaînes de traction classiques (moteur thermique, boîte de vitesse, transmission). Ce système n est pas optimal pour l autobus, qui connaît des démarrages et des arrêts fréquents, et de nombreux embouteillages. Il dépense donc beaucoup d énergie pour démarrer, cette énergie étant perdue au freinage. Or des véhicules de 12 mètres fonctionnant complètement à l électricité n existent pas. L hybride apparaît donc comme un compromis entre véhicule électrique à faible autonomie et véhicule diesel trop consommateur. Gif-sur-Yvette, le 26 juin

32 1. Définition Nous distinguons deux grandes familles. a. Les hybrides parallèles Cette catégorie intègre deux sous-familles : les hybrides parallèles à addition de couple (comme chez Peugeot), le moteur électrique étant placé sur l arbre moteur entre le moteur thermique et la boîte de vitesses; les hybrides parallèles à addition de vitesse (de type Prius). L hybride parallèle conserve une liaison mécanique entre le moteur et les roues du véhicule. b. Les hybrides séries Les hybrides série sont équipés d un moteur diesel, sur lequel est monté un alternateur qui alimente le moteur électrique de traction. 2. Les projets de véhicules hybrides a. Des appels d offre infructueux Nous avons lancé dès 2000 un appel d offres pour l acquisition de bus hybrides de 12 mètres, pour une ligne complète. La réponse ne convenait pas en termes de prix et de disponibilité. L appel d offre a donc été rendu infructueux. Les constructeurs se sont ensuite recentrés sur des véhicules plus petits. U nouvel appel d offres a été lancé pour l acquisition d un midibus à titre expérimental. Les deux propositions reçues présentaient un coût prohibitif, et un gain de consommation médiocre. Cet appel d offre a également été rendu infructueux, dans l attente de nouveaux développements. b. Des midibus Un midibus a été testé à Montmartre, avec des batteries Ni-Cd. Il garantissait une certaine autonomie en électrique, mais sans gain de consommation flagrant. Un véhicule avec batteries Zebra et à gestion manuelle de l hybridation a été abandonné rapidement. Un autre véhicule équipé d une turbine à gaz a été testé sans succès d un point de vue de la consommation. En Avignon, 9 midibus hybrides série sont exploités et roulent en électrique pur en centre ville. c. Des bus de 12 mètres En 2005, un bus 12 hybride série avec batteries plomb a été testé à Paris. Si la fonction stop and start et le démarrage en électrique sont appréciables, le gain de consommation annoncé de 20% n a pas été constaté. De nouveaux essais seront réalisés avec des batteries NiMH. Gif-sur-Yvette, le 26 juin

33 Il existe un modèle hybride parallèle proposé par Allison, qui roule aux Etats-Unis. Ce système est intéressant mais très complexe. En outre, il est vendu euros pièce, ce qui correspond au prix d un bus neuf. Ce système équipera les véhicule Philéas (tramway sur pneus avec système de guidage immatériel) de la ville de Douai. Volvo a sorti un véhicule hybride parallèle à addition de couple. La RATP a exprimé son souhait de tester ce véhicule. En conclusion, l hybridation apparaît intéressante pour réduire la consommation des bus mais nécessite encore des développements. A elle seule la fonction stop and start permet un gain théorique de consommation de 10% en exploitation type Paris. La récupération de freinage ouvre également des perspectives intéressantes. L hybridation constitue aussi une alternative au manque d autonomie des véhicules électriques. Enfin, un bus moins bruyant bénéficierait d une amélioration de son image. Cependant, la technologie doit encore progresser, en efficacité comme en coût. Nous sommes ouverts pour tester les véhicules qui arrivent sur le marché, ce qui s avère profitable pour nous comme pour les constructeurs. Cependant, peu de propositions sont émises, et le marché demeure assez restreint. Nous gardons bon espoir pour les progrès de ce marché à l avenir, tout comme nous travaillons activement sur des projets de piles à combustible. De la salle L hybride ne semble pas présenter un avantage considérable par rapport au trolley. Sylvestre COSTA, RATP Je partage votre avis. Malheureusement, beaucoup de gens n aiment pas les lignes aériennes, considérées parfois comme de la pollution visuelle. Un trolley coûte en outre plus cher qu un bus. Le cas du tramway bordelais est assez novateur. Il bénéficie d une alimentation par le sol et fonctionne parfaitement. Jean-Claude VANNIER, département énergie à Supélec Vous avez émis l espoir d un gain de consommation des bus, qui s arrêtent et démarrent constamment. Vous avez testé plusieurs solutions, et vous n avez pourtant observé aucun gain de consommation. Quelle analyse en faites-vous? Sylvestre COSTA, RATP A ce jour nous n avons testé que des technologies hybrides séries qui sont d un point de vue rendement de la chaîne moins performantes qu une technologie hybride parallèle. Ensuite, se pose le problème des batteries qui conditionnent les performances d un véhicule hybride. A titre d exemple, Gif-sur-Yvette, le 26 juin

34 sur nos véhicules électriques, la récupération de l énergie de freinage est limitée par les batteries et le confort voyageurs Daniel RICHARD, Valeo L électrique entraîne des progrès de rendement. Un problème demeure sur le volume du stockage et sur son coût. Il convient donc de trouver un bon compromis technique de coût. Sur un bus, l énergie électrique se stocke difficilement en énergie ou coûte trop cher. Or il n existe pas de moyen potentiel de stockage électrique. Les systèmes de récupération inertielle se sont avérés dangereux. Sylvestre COSTA, RATP Il existe en effet des prototypes sur lesquels ont été installés des volants d inertie. En autre pour des problèmes de sécurité, ces véhicules sont restés au stade de prototype. Daniel RICHARD, Valeo L énergie stockée au freinage doit être utilisée tout de suite. Or cette gestion est tellement complexe qu elle masque souvent une partie des résultats. En effet, la récupération n est qu un premier pas : il faut ensuite savoir utiliser cette énergie. Sylvestre COSTA, RATP En outre, il faut que l usage des véhicules soit optimal : sur une même ligne, des variations importantes s observeront selon la période, creuse ou pleine. De la salle En ce qui concerne les éléments de stockage, un choix doit être fait entre Li-ion et des équilibres ultracap-plomb. Or les financement font défaut en France pour de tels projets. Un industriel ne peut pas les prendre en charge, car le marché est trop petit. De la salle La RATP a-t-elle étudié le cas de la ville autrichienne de Graz, où les bus roulent avec l huile de récupération de la restauration rapide? Cette solution présente comme avantage de ne pas nécessiter de nouvelles plantations agricoles. Sylvestre COSTA, RATP Nous savons que certaines villes ont opté pour une solution de ce genre, mais de par notre statut particulier, nous préférons ne pas dévier des conceptions de l Etat. Gif-sur-Yvette, le 26 juin

35 La technologie hybride HDI PSA Peugeot-Citroën Joseph BERETTA PSA Peugeot-Citroën Seul le full-hybrid présente un intérêt certain pour PSA. Le rendement de l hybride série pose problème, car tous les transformateurs de puissance sont en série. Il est caractérisé par l'absence de liaison mécanique entre le moteur thermique et les roues. Les transformations d'énergie mécanique en énergie électrique et vice-versa conduisent à des rendements médiocres. Nous avons fabriqué de nombreux prototypes, et nous sommes parvenus à la conclusion qu il faudrait obtenir dans ce type d hybride un rendement moyen du moteur thermique supérieur à 42 % aujourd hui pour être compétitif en terme de consommation par rapport à un moteur diesel. Ce chiffre de 42 % est irréaliste, et un tel projet d hybride a été abandonné. En outre, nous ne nous sommes pas lancés sur un hybride essence, car un tel projet ne présentait pas une réelle avancée pour le consommateur (consommation du même ordre de grandeur que le diesel) Nous avons retenu la technique d hybride parallèle à addition de couple. Le moteur électrique et le moteur thermique sont placés sur le même arbre et tournent à la même vitesse, et la puissance est le résultat de la somme des deux couples. La puissance mécanique produite par le moteur thermique est transmise directement aux roues. La puissance électrique délivrée par une batterie vient s'ajouter à celle du moteur thermique par l'intermédiaire d'un moteur électrique. Un mode de traction électrique est possible; l'embrayage permettant de désaccoupler le moteur thermique de la transmission. Ce type d'hybride privilégie le très bon rendement d'une transmission mécanique La Toyota Prius fonctionne sur le principe d hybride à addition de vitesse. la puissance mécanique produite par le moteur thermique est transmise aux roues par deux voies différentes :- Une voie mécanique et Une voie électrique. Le partage en proportion variable se fait à l'aide d'un train épicycloïdal. (En entrée le moteur thermique et deux sorties: un générateur électrique et les roues du véhicule). Un moteur électrique est nécessaire au niveau des roues pour restituer l'énergie électrique. Une batterie peut servir de tampon entre le générateur et le moteur électrique lorsque la production et la consommation électrique ne sont pas identiques. Ce type d'hybride privilégie le fonctionnement du moteur thermique sur ses meilleures plages de rendement. Il devrait donc favoriser un rendement optimal, bien que sa grande complexité le rende délicat à maîtriser. L économie de carburant réalisée, comparée au surcoût de l hybridation, montre un gain significatif en passant au full-hybrid, malgré la hausse du coût. En mode électrique, le coût est prohibitif. Dans le diagramme coût/gain de consommation de la Prius la définition actuelle permet un gain de l ordre de 31 % de la seule chaîne de traction/essence, sans tenir compte des autres gains (comme les frottements). Nous nous sommes finalement situés sur un point présentant des gains de 25% par rapport au moteur diesel, uniquement sur la partie chaîne de traction, mais dans les mêmes zones de coût. Notre architecture se situe probablement au même coût que l hybride essence de Toyota mais Gif-sur-Yvette, le 26 juin

36 avec des gains supérieurs. En outre, il existe aujourd hui un faible écart de coût entre un hybride essence et un moteur diesel. Si nous ajoutions un alterno-démarreur, l écart de consommation apparaîtrait faible. Ainsi, un diesel avec stop-start aboutit quasiment à la même consommation qu un hybride essence. Le choix de PSA s est porté sur un hybride parallèle, avec une boîte pilotée 6 rapports, un freinage récupératif, et une batterie haute tension. La raison de ces choix est purement économique. Nous souhaitions récupérer le plus de composants mécaniques existants : le moteur diesel 1,6 litre HDI, 66 kw, équipé d un filtre à particules et d un stop-start. Il est le moteur le plus fabriqué de notre gamme. La particularité de ce système réside dans son moteur électrique, sa batterie de puissance et son convertisseur électronique de puissance. Nous avons retenu le moteur 1,6 l HDI d'une puissance de 66 kw qui nous permet d'obtenir un bon compromis entre performances et consommations. Ce moteur 1,6 l HDI common rail est le plus produit des moteurs diesel du Groupe. Son utilisation dans une chaîne hybride a nécessité quelques modifications telles que l'adaptation de la face embrayage pour implanter le couple moteur électrique-embrayage dans l'espace disponible. Dans un véhicule classique la demande d'accélération du conducteur se traduit directement au niveau du calculateur moteur par une quantité de gazole à injecter. Dans une chaîne hybride cette demande est envoyée au superviseur qui l'interprète comme un besoin en couple. Il répartit alors le besoin en couple entre les organes concernés, moteurs thermique et électrique, pour satisfaire la demande. Le calculateur moteur reçoit par conséquent une consigne en couple; c'est ce que nous appelons le contrôle du moteur en couple. Le moteur diesel HDI a été optimisé en consommation dans le cadre d'un fonctionnement hybride. Nous avons développé par ailleurs une évolution du système STT équipant aujourd'hui la Citroën C3 pour les besoins de la chaîne de traction HDI. Cette nouvelle version délivre une puissance motrice de 1,7 kw augmentée de 40% par rapport à celui de la C3 afin de lui permettre de démarrer le moteur diesel 1,6 l HDI. Il est capable de supporter les sollicitations plus importantes liées à une fréquence de mise en veille et de redémarrage du moteur nettement plus importante. L'embrayage a été compacté pour permettre son implantation entre le moteur thermique et le moteur électrique. Il est piloté par le superviseur afin de désaccoupler le moteur thermique du reste de la transmission dans toutes les phases où le moteur thermique est mis en veille (arrêt véhicule ou mode électrique). La machine électrique peut fonctionner tout aussi bien comme moteur pour les besoins de la traction du véhicule qu'en générateur lors des phases de décélération et de freinage. Dans ces conditions l'énergie électrique produite est stockée dans la batterie haute tension pour un usage ultérieur. Notre choix s'est portée sur une technologie de moteur synchrone à aimants permanents développant une puissance continue de 16 kw et une puissance de crête de 23 kw sous une tension de 210 à 380 V. Ce dimensionnement réalise la bonne synthèse entre l'architecture générale de la chaîne de traction et le besoin en puissance électrique pour un roulage urbain à des vitesses inférieures à 50 km/h. Hybride HDI est équipée d'une boîte pilotée à six rapports de dernière génération. Ce choix par rapport à une boîte automatique ou un CVT, résulte du très bon rendement de ce type de boîte qui participe ainsi à l'excellente efficacité de la chaîne de traction Hybride HDI. Gif-sur-Yvette, le 26 juin

37 Nous profitons de la présence d'un moteur électrique de 16 kw pour assister les changements de rapports et améliorer ainsi la prestation de la boîte pilotée. La batterie haute tension d'hybride HDI est une batterie de technologie NI MH délivrant une tension de 288 V. La capacité d'énergie stockée a été dimensionnée pour optimiser la masse du pack batterie et maximiser la réduction de la consommation du véhicule; l'autonomie en mode électrique est de l'ordre de 5 km sur le cycle urbain. La capacité d'énergie stockée ressort ainsi à 1800 w.h. La récupération d'énergie est un des éléments fondamentaux qui caractérise le fonctionnement d'un véhicule hybride; l'énergie récupérée étant ainsi une énergie disponible devenue gratuite. Hybride HDI est ainsi équipé d'un freinage récupératif qui agit dans deux configurations: D'une part au lever de pied de l'accélérateur, phase dans la quelle le moteur électrique agit en tant que générateur et simule le frein moteur. D'autre part lors des phases de freinage le système cumule le freinage dissipatif classique avec un freinage récupératif. Pour minimiser les coûts, nous avons réutilisé au maximum l architecture de notre plateforme 2, qui équipe les 307 Peugeot ou les C4 Citroën, sans modification majeure de la structure. Nous avons travaillé sur la résistance au roulement et l aérodynamique, avec des gains significatifs dans ces domaines. Le surpoids de 100 kg obtenu est acceptable, car il ne dépasse pas le poids de la motorisation haut de gamme qui équipe ces véhicules. L'implantation du pack de batteries haute tension à la place de la roue de secours permet de conserver le volume du coffre des versions traditionnelles de la Peugeot 307 et de la Citroën C4. Cette implantation conduit à une évolution géométrique du plancher AR de la plate-forme sans incidence sur le style des véhicules. Elles sont refroidies par air, avec contrôle intégré. Un travail de synthèse, cohérent avec le concept Hybride HDI visant une faible consommation, a été effectué de manière à maximiser les baisses de consommation obtenu indépendamment de l'apport de la chaîne de traction hybride HDI. Ce travail a concerné essentiellement deux domaines que sont l'aérodynamique avec un gain significatif de 10% sur le SCx et les pneumatiques en vue d'une réduction de la résistance au roulement. Hybride HDI offre à ses utilisateurs des fonctionnalités particulières, activées par l'intermédiaire de push dédiés telles que: Un mode électrique étendu améliorant l'agrément de conduite en augmentant ponctuellement la plage d'utilisation du véhicule en mode électrique. Un mode dynamique modifiant le compromis performances consommation au profit de meilleures performances. Enfin un mode de recharge des batteries haute tension se faisant véhicule à l'arrêt, moteur tournant. Le moteur diesel HDI classique consomme 4,7 litres au 100 kilomètres, tandis que l hybride HDI n atteint que 3,4 litres, soit une économie de 28 %. Les prestations du véhicule demeurent similaires : l accélération a gagné 2 secondes de 30 à 60 Km/h, et 0,5 seconde de 80 à 120 Km/h. Gif-sur-Yvette, le 26 juin

38 Le passage au moteur thermique se réalise sans à-coup et sans bruit. Hybride HDI bénéficie du leadership historique de PSA Peugeot Citroën dans les véhicules électriques et de la maîtrise des chaînes de traction associées, ainsi que du retour d'expérience du Groupe dans les moteurs diesel common rail dont il est un leader incontestable avec une production cumulée de plus de 8 millions de moteur HDI. Hybride HDI est une nouvelle génération de voiture et de technologie proposant une véritable rupture en consommation susceptible d'apporter une réponse au double défit de la croissance des coûts des carburants fossiles et de la maîtrise des émissions anthropiques de gaz à effet de serre. Ainsi, nous avons démontré qu un tel hybride était réaliste vis-à-vis des performances pour le marché européen. Je vous remercie de votre attention. De la salle Pourquoi n est-il pas prévu de recharger la batterie sur le réseau? Joseph BERETTA Il s agit d un véhicule polyvalent, très comparable aux véhicules d aujourd'hui. Ensuite, la capacité de sa batterie demeure faible, car elle n assure qu une autonomie de 5 kilomètres, L option de recharge n est donc pas utile. En effet, le coût supplémentaire inhérent à la pose d un chargeur serait conséquent. Il ne s agit aucunement d un problème technique. Certes, un gain de coût s observerait en cas de présence d un tel accessoire, car la charge grâce au diesel revient plus chère que la charge via le réseau électrique. Il s agit cependant d une part d énergie très faible, de 1,8 kwh, minime par rapport à l autonomie du véhicule. Il faudrait qu une plus grosse batterie équipe le véhicule pour qu une recharge sur le réseau soit intéressante. De la salle Quand et à quel coût cette technologie sera-t-elle disponible? Joseph BERETTA Le coût de commercialisation est difficile à évaluer. Aujourd hui nous avons déposé un programme à l AII pour? économiquement cet? (la réduction du coût de la batterie, de l électronique et de la machine électrique). Nous espérons commercialiser les véhicules vers la fin 2009, certes pas tout de suite au coût escompté, ce qui devrait avoir lieu pour la seconde génération. Notre architecture fait apparaître deux moteurs électriques, et non un seul, afin d assurer un confort optimal. Le start-stop pouvait effectivement être obtenu par le moteur traction, mais la rupture et la baisse de couple étaient trop désagréables. Il aurait fallu prévoir un surdimensionnement pour Gif-sur-Yvette, le 26 juin

39 absorber la demande. Nous avons préféré reprendre une communauté d organes existante, dans laquelle s inscrit le stop-start. De la salle S agit-il d une boîte pilotée? Joseph BERETTA Il s agit d une boîte mécanique classique, qui fait le lien électroniquement entre le levier et les fourchettes qui passent les vitesses. Cela permet au système de prendre la main et d entrer en mode automatique. L utilisateur bénéfice alors de l avantage de la boîte automatique, sans la surconsommation des divers systèmes. Jean-Claude VANNIER, département énergie à Supélec Le moteur électrique se situe-t-il après l embrayage? Joseph BERETTA Oui. Il est raccordé directement aux roues à travers? et n entraîne donc pas le moteur thermique. Gif-sur-Yvette, le 26 juin

40 Les véhicules de demain : sur quelles technologies seront-ils basés? Table ronde Jean-Claude VANNIER, département énergie à Supélec Gilles LE MAROIS, CEA Joseph BERETTA, PSA Daniel RICHARD, Valeo Jean-Claude VANNIER Nous avons abordé les solutions des véhicules fonctionnant en 100 % hydrogène, en 100 % batterie, en micro-hybride, en mild-hybrid ou en full-hybrid. De ces différentes technologies dépendent différents horizons de réalisation. Ainsi, l hydrogène ne devrait pas être employé communément avant une vingtaine d années. En outre, la situation diffèrera selon l utilisation prévue, qu il s agisse de transport individuel ou de transport en commun. La question des véhicules 100 % électrique pourrait même être relancée, grâce au renouveau des batteries Li-ion. Gilles LE MAROIS Les progrès réalisés sur les batteries devraient d abord bénéficiés aux véhicules hybrides, cela à relativement court terme, à échéance de 4 ou 5 ans. Les progrès des nanotechnologies devraient permettre de multiplier par dix ou vingt leurs capacités, à un horizon à moyen terme et permettre une utilisation tout électrique. Joseph BERETTA Il convient de se pencher sur l usage d un véhicule électrique. Deux facteurs entrent en jeu : l autonomie et le temps de recharge. Les véhicules de notre offre électrique lancée en 1995 étaient destinés à un usage urbain et périurbain, sur des distances réduites, comme les véhicules de livraison. Les progrès apparaissent difficiles, notamment en termes de poids des véhicules. Gilles LE MAROIS La recherche technologique pose toujours le problème de l adéquation des moyens techniques dont nous disposons et du temps de développement nécessaire. Si les pouvoirs publics y participaient davantage, il serait possible de réduire la période de recherche et développement. Gif-sur-Yvette, le 26 juin

41 Daniel RICHARD Le véhicule électrique est une solution indéniable à la pollution en ville liée aux transports. Cependant le bilan énergétique du véhicule électrique du «Puits aux roues» est incertain et donc son impact sur l effet de sure discutable (sauf dans le cas d une production d énergie électrique NUCLEAIRE). Par ailleurs, les hydrocarbures sont des sources d énergie de très forte puissance massique d une grande flexibilité d utilisation : il est plus simple de remplir son réservoir d essence que de mettre en charge pendant une nuit les batteries d un véhicule électrique. De la salle Le problème majeur de la pollution liée aux transports concerne le CO2. Or les Indiens ou les Chinois, qui doublent la demande mondiale de véhicules, ne se tourneront probablement pas vers l électrique. Daniel RICHARD La diversité des solutions doit être recherchée. Augmenter le rendement des moteurs thermiques par une hybridation électrique fait partie des voies principales à exploiter. Gilles LE MAROIS Je précise que la batterie du futur se chargera en quelques minutes, et non en une nuit. De la salle Qu en est-il de l impact environnemental des batteries, de leur fabrication à leur recyclage? Joseph BERETTA Une directive européenne impose à tout constructeur d assurer le recyclage des batteries. Or les filières de recyclage existent. Elles se chargent de récupérer par combustion les métaux nobles contenus dans les batteries. Ces systèmes de récupération sont économiquement viables si plus de 5 % de métaux nobles sont recueillis, car ils permettent alors de fabriquer de nouvelles batteries. Le fonctionnement est identique pour les batteries classiques, avec le plomb et l acide. De la salle Un problème avec la batterie d un véhicule hybride n entraînera-t-il pas une surconsommation de carburant? Gif-sur-Yvette, le 26 juin

42 Gilles LE MAROIS Notre système fournit un état de charge et un état de santé de la batterie, avec la meilleure précision possible. Daniel RICHARD La gestion du véhicule est automatique et garantit le niveau de charge et la santé des batteries. Avec les constructeurs nous développons des systèmes de surveillance de ces batteries qui avertiront l utilisateur d un problème à venir. Joseph BERETTA Nous considérons qu une batterie est en fin de vie quand elle perd de 20 à 30 % de sa puissance. En outre, nos spécifications techniques requièrent 10 ans de vie calendaire et kilomètres. De la salle Comment intégrez-vous le confort climatique? Joseph BERETTA Nous travaillons sur des systèmes de climatisation à meilleur rendement. Or l électrique pur entraîne la nécessité d un système de chauffage additionnel, d où un rendement inférieur en hiver. Jean-Claude VANNIER Quel est l avenir du véhicule hybride, alors qu il semble davantage à la portée du consommateur moyen, par rapport à la motorisation actuelle? Quel est l équilibrage entre l économie de consommation et le surcoût? Joseph BERETTA Des véhicules hybrides sont déjà commercialisés, pour un surcoût d environ euros, que les aides étatiques contribuent à diminuer. La problématique majeure demeure le développement massif et en série des véhicules hybrides, en fonction de l évolution des motorisations classiques. La rencontre entre ces deux courbes, qui ne dépendent pas seulement de la technologie mais aussi des réglementations et du coût de l énergie, pourra changer les comportements individuels. Pour anticiper une éventuelle rupture, nous travaillons sur les véhicules hybrides et les piles à combustible. Gif-sur-Yvette, le 26 juin

43 Daniel RICHARD L avenir de l hybride dépend des industriels comme des citoyens. Nous devrons commencer la convergence de la pression accrue du coût des hydrocarbures et la réduction drastique des surcoûts technologies hybrides déclencheront la décision d achats des utilisateurs. De la salle Existe-t-il des niches intéressantes pour l hybride? Daniel RICHARD Les flottes des collectivités semblent en constituer, de même que certaines utilisations urbaines spécifiques : taxis, livraison, véhicules de police, bennes à ordure, etc. Le stop-start particulièrement adapté à ces applications. De la salle Qu en est-il de l adaptation de ces technologies à d autres véhicules, comme les camions, les bus ou les utilitaires, ou dans le cas du transport de marchandises? Joseph BERETTA Les camions circulant sur autoroute resteront au diesel. L adaptabilité électrique concerne principalement la livraison urbaine. Jean-Claude VANNIER Vous affichez un surcoût de 250 euros pour la micro-hybride, alors que le surcoût prévisionnel était bien supérieur. Daniel RICHARD Il s agit d une problématique industrielle : le surcoût annoncé en concession est bien inférieur à la réalité. Le système doit progressivement trouver sa justification en grande série. Les systèmes microhybrides et hybrides devraient y parvenir. De la salle L équation entre un surcoût de quelques centaines d euros avec une consommation moyenne d 1 litre au cent kilomètre trouve son sens. Le consommateur peut appliquer le même raisonnement que celui qui le poussait auparavant à l achat d une motorisation diesel. Gif-sur-Yvette, le 26 juin

44 Daniel RICHARD En effet, mais un effet de masse doit être lancé, ce qui passe par des changements de mentalités. Cela requiert également un effort de vente et de conviction. Cependant, une fois testé, il apparaît difficile de se passer des fonctionnalités hybrides. De la salle Ne pensez-vous pas que la crainte du consommateur se situe sur la fiabilité d un véhicule aussi complexe, et sur la crainte d un service après vente incompétent? Daniel RICHARD Malgré la présence d une électronique, (que nous avons voulu simple), ces véhicules équipés d un système micro-mild-hybride StARS de Valeo auront la fiabilité des alternateurs classiques actuels entraînés par courroie dont ils sont issus. Joseph BERETTA Le fonctionnement fonctionne toujours sur du 14 volts, qui ne demande pas d habilitation particulière. L intervention est réalisée par un mécanicien traditionnel. Daniel RICHARD L intérêt économique existe, mais une communication doit être engagée pour créer le marché. Joseph BERETTA En outre, quand d autres constructeurs proposeront ces technologies, leurs coûts baisseront. De la salle L approche de Toyota pour les hybrides est différente : ils proposent un gros 4x4 à deux moteurs, l un électrique et l autre hybride, avec l argument d une consommation réduite pour des véhicules toujours plus gros et plus lourds. Joseph BERETTA Cette solution semble adaptée à des véhicules de ce genre. Notre politique est différente : nous souhaitons donner accès à tous à la technologie. Or les véhicules mentionnés dépassent le seuil de 140 grammes de CO2 émis au kilomètre. Au final, il est préférable d équiper 20 millions de véhicules avec du stop-start que en full-hybrid. Notre problématique est complexe : nous devons proposer des véhicules qui plaisent, qui se vendent et qui consomment de moins en moins. Gif-sur-Yvette, le 26 juin

45 Daniel RICHARD Une certitude apparaît : nous avons raison de proposer du stop-start ou du freinage récupératif, qui restent économiquement viables. Il apparaît ensuite un problème de convergence des coûts. Gif-sur-Yvette, le 26 juin

46 Conclusion Guy BOURGEOIS Directeur Général de l INRETS Je clôturerai cette table ronde par quelques informations sur Moveo et sur l organisation des pôles de compétitivité, dont celui de l énergie. Moveo est le résultat de la fusion de deux pôles de compétitivité, Normandie Motor Valley et Vestapolis. Vestapolis a établi le constat de la disponibilité des pistes d essai gérées par GIAT industries. Il a émis l idée que ces pistes pouvaient être reconverties en direction de l industrie automobile, d autant que l installation géographique apparaissait optimale. A ses débuts, ce projet était très orienté vers la sécurité routière. Nous y avons ajouté la problématique de l énergie. Il existait en effet un potentiel en Ile-de-France, qui s est d ailleurs concrétisé par la création de Speelab. Il était devenu nécessaire que les compétences en matière d énergie en Ile-de-France soient renforcées, rendues plus lisibles et mieux organisées. Lorsque le gouvernement nous a demandé d agir sur la fusion Vestapolis et Normandie Motor Valley, nous avons réfléchi à la création d un pôle de compétitivité à dimension mondial, sachant qu aucun des sept pôles français de l automobile ne pouvait prétendre à une dimension internationale. Normandie Motor Valley s était orienté vers l amélioration du potentiel des moteurs classiques, avec un partenariat avec l IFP. Au fil du débat de fusion, nous avons décidé que la dimension évoquée devait se circonscrire à l Ile-de-France, avec une volonté soutenue de placer les technologies hybrides au centre de nos préoccupations. Or les incertitudes générales de l énergie et du prix du pétrole nous placent dans une concurrence mondiale, dans laquelle l ensemble des constructeurs ont pris conscience que la maîtrise de l énergie constituerait leur compétitivité. C est le cas dans toutes les industries de transport. Notre objectif demeure la maîtrise de ces technologies par les industriels français, pour qu ils puissent les placer rapidement sur le marché. Désormais, Moveo affirme sa maîtrise des carburants classiques, diesel et essence, tout en développant une dimension hybride. Il est apparu récemment une distinction entre les véhicules urbains lourds. A ce titre, Volvo a fait le choix stratégique de différencier ses recherches sur les véhicules longue distance et sur les véhicules urbains. Nous avons déterminé que si les hybrides devaient percer sur le marché, cette avancée commencerait par les flottes captives en milieu urbain. En effet, les acteurs publics sont prêts à payer des surcoûts, et l utilisation en milieu urbain apparaît adaptée à ces problématiques, du fait des démarrages et arrêts incessants. L équation semble ensuite totalement différente dans le cas du transport longue distance par autoroute. Il convient de souligner la montée importante de Poitiers, qui affiche sa volonté de travailler sur les chaînes de traction hybrides. Dans notre démarche des pôles de compétitivité, nous sommes parvenus à un double décloisonnement : Gif-sur-Yvette, le 26 juin

47 un décloisonnement de la recherche publique en elle-même, puis de la recherche privée, traditionnellement plus cloisonnée ; tout en multipliant les champs d échange entre recherche publique et privée. La création de Speelab est une réussite pour l Ile-de-France, d autant que Valeo a entamé des partenariats avec les transports en commun. Ce rapprochement permettra de porter à maturité des technologies de manière bien plus efficace que dans le cas de projets liés à de simples acheteurs individuels. Il existe un premier enjeu fort pour Supélec, l INRETS ou les partenaires Speelab, dans le maintien d une compétence forte en Ile-de-France. Nous soulignons un second enjeu collectif, partagé entre les industriels et les laboratoires publics de recherche, dans l organisation de travaux de recherche et d échange dans le cadre de communautés scientifiques, quel que soit le statut des personnes qui y travaillent. Ces communautés permettront à la France d atteindre un niveau scientifique d excellence. Jean-Claude VANNIER Y a-t-il beaucoup de projets initialisés? Guy BOURGEOIS Normandie Motor Valley et Vestapolis ont engagé une vague de projets. Certains ont été labellisés dès 2005, d autres sont arrivés à maturité dans les appels d offre 2006, dont les réponses sont attendues à la fin du mois de juin. En 2005, 6 millions d euros d aides publiques de l ANR ont été versés sur l ensemble des projets labellisés, ce qui plaçait le pôle en cinquième ou sixième position parmi les pôles de compétitivité. La dimension mondiale de ce pôle s en trouve renforcée. Il est toutefois encore tôt pour établir un bilan. Au final, Moveo constitue bien plus que la simple juxtaposition de Normandie Motor Valley et Vestapolis. Certaines thématiques, notamment la mécatronique ou certaines technologies hybrides, arriveront à maturité très prochainement. Dès lors, nous observerons une forte présence de Moveo dans les appels d offre, d ici la fin de l année 2006 et le début Gif-sur-Yvette, le 26 juin