L avenir de l automobile Joel Danroc
La voiture du futur - Les évolutions de l automobile - Pourquoi ne peut on pas continuer ainsi? Les stratégies -La voiture électrique à batterie et à pile à Hydrogène Billions 400 World Energy Needs 350 300 250 200 150 Fossil Energies 100 50 0 1900 2000 2100 2200 2300 - Les nouveaux modèles de mobilité - mais que fait le CEA? La recherche et les démonstrateurs
L avant pétrole : une courte période 1896 Invention «Tricycle Benz» Moteur gaz 1899 : «Voitures électrique» «Jamais contente» +100Km/h - moteurs électriques, 67 CV - batteries Fulmen, - Carroserie aluminium Après 1900 «Ere Pétrole»
«Le passage de la calèche à l automobile actuelle» Une rupture technologique majeure «On n invente pas le téléphone à partir de pigeons voyageurs» Michelin Rencontre Pétrole/Moteur combustion interne
Quelques éléments marquants Succès de l automobile : «Quatre roues, un volant, du plaisir et du rêve» 1974 Premier Choc pétrolier 1990 Début des expériences hors pétrole ( Voiture électrique, PAC ) 2012 : 80 millions de voitures produites par an La Chine est le premier marché mondial Arrivée des générations Y connectées!
Retour vers le futur : les voitures du futur des années 50 / 60 «Motorway» 1956
CADILLAC «Cyclone»1959
«Etoile Filante» Renault à turbine 314 km/h
FORD «nucléon»1958
Salon de l auto 1960 SIMCA «Fulgur»
Une anticipation SIMCA
La voiture du futur - Les évolutions de l automobile - Pourquoi ne peut on pas continuer ainsi? Le modèle actuel -La voiture électrique à batterie et à pile à Hydrogène Billions 400 World Energy Needs 350 300 250 200 150 Fossil Energies 100 50 0 1900 2000 2100 2200 2300 - Les nouveaux modèles de mobilité - mais que fait le CEA? La recherche et les démonstrateurs
En 2012 : pourquoi est ce vraiment différent? - Pétrole : «courbe peak oil»validée, pb de sécurisation d apprivisonnement - Population : - va passer de 6 milliards à 9 milliards en 2050 - devient à 80 %urbaine - Effet de serre avec les problèmes climatiques - Congestion des villes - Problèmes de santé Billions Barrel of Oil Equivalent / year World Energy Needs 400 350 300 250 200 150 100 50 0 190 0 New Energy Technologies Fossil Energies 2000 2100 2200 2300
Energies non renouvelables 90 % Energie solaire annuelle Ressources énérgétiques totales Quantités et réserves d énergie Part de la production énergétique mondiale par source - 2003 Solaire 0,009% Eolienne 0,04% Géothermique 0,12% Biomasse 0,4% Consommation annuelle mondiale Pétrole Gaz Traditionnelle 6 % Hydraulique 3 % Nucléaire 7 % Uranium Charbon Charbon 21 % Eolienne Hydraulique Gaz 21 % Pétrole 41 % Photosynthèse Une réserve infinie de croissance pour le solaire
SOLAIRE
Les bio carburants : Manger ou se déplacer? Culture pour alimentation ou carburant? Réchauffement climatique : CO2 1 Kg de Veau 220 Km en voiture Elevage, Transport, Découpe Chaîne du froid, Aliments Méthane (digestion animale)
Biomasse 3 Génération µ-algues 3 (3G) Génération Déchets 2 Génération Bois déchets bois Cultures énergie Déchets agricoles 1 Génération Cultures sucres Cultures oléagineux
Puissance nécessaire Cr r = coefficient de résistance au roulement, entre 0,8 et 1,2 % = densité de l air = 1,3 g / dm 2 = pente de montée m : nécessité de réduire la masse à vide Sf.Cx : nécessité de réduire la traînée aérodynamique V 3 : nécessité de limiter la vitesse maxi
Trainée, puissance, énergie 30 km/h la puissance nécessaire 5 kw 60 km/h 12 kw 120 km/h 35 kw 180 km/h 82 kw Evolution non linéaire! 19
Moteur thermique -Plage d utilisation très réduite -Nécessité d un embrayage et d une boite de vitesse -Rendement faible en conditions urbaines -Polluants NOx HCx PM et GES CO2 Meilleur rendement 197 g/kwh = 40 % 200 kg 10 km/h stabilisé (18 kw) : 260 g/kwh = 30 %
Evolution des performances des voitures classiques à moteur thermique - Augmentation des performances : Puissance spécifique : 1975 50 cv/ litre de cylindrée 2010 130 cv/ litre F1:800cv/litre) - Diminution de la consommation - Diminution de la pollution Les tendances : - down sizing - Turbo compresseur (1 à 3 par moteur! ) - Injection directe / multi injection - Hautes pressions 2700 bars diesel - Boites de vitesse automatiques 8 rapports
Les grandes lignes de recherche - Diminuer la masse des voitures : 2CV 600kg (1975) Clio 1100 kg (2011) 2012 :diminution de 100 kg (208) à 400 kg par véhicule (ex Range rover). Matériaux aluminium, composites - Diminuer la consommation et la pollution : gestion moteurs choix d activation d un nombre de cylindres (VW 2 cylindres sur 4) - pot catalytique (complexes et chers) - hybridation électrique Sécurité : - Passive : structures carrosserie, airbag - Active : suspension ESP - Connection : sécurité informations accidents traffic
Nanotechnologies pour l électronique dans les véhicules Élément essentiel de l innovation et de la performance - Application à toutes les fonctions moteur, assistance conduite, - Augmentation rapide des performances, diminution des coûts - Argument de vente pour la gamme premium (jusqu à 20 % de la valeur du véhicule)
$ 500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0 *Excludes Sensors Average Semiconductor/Vehicle 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 Electronic Ignition Central locking Car Radio Electronique : Applications innovantes Electronic gearbox Air conditioning ASC & ABS Cellphone Seat heating Automatic Mirror N. America Europe Japan S. Korea China India ROW Source: Strategy Analytics Navigation CD changer RDS/TMC ACC Airbags Adaptive gearbox Xenon Light EPAS ACC Night vision Telematics Bluetooth Drive by wire Start Stop Hybrids ecall LED lighting Stop & Go Pedestrian detection Lane change ADAS maps Car 2 car Internet Brake by wire Steer by wire ASIL safety systems Electric vehicles saving energy saving lives 1970 1980 1990 2000 2010 Source St Micro
20 to 30 % de reduction d énergie (nanotechnologies /électronique) Less energy consumption: what contributes how much? 10 % motor technology, variable valve control, direct injection, less friction losses 2 % better cw-value; less front area 20 % downsizing; smaller motors; turbo; electric boost; 5 % leight weight materials High resistance steel Improvements with electronics contribution <1 % rear axle gear boxes with lower friction and greater ratio 3 % thermomanagement Less losses through optimised control 1 % manual gear-box Greater ratio; low friction bearings 5 % automatic gearbox; 8 stages; startstop 1 % tires with low rolling resistance 10 % reduce weight 2 % lower suspension, Complete, smooth underbody coverage 26 Source: AutoMotorSport 9/2010
Vers l électrification progressive des véhicules Hybride «plug in» Hybride classique 4 millions vendus Moteur thermique Moteur électrique Autonomie 2 Km électrique pur Prius «plug in» Thermique Electrique 20 km Chevrolet Volt Thermique Electrique 60 km
La voiture du futur - Les évolutions de l automobile - Pourquoi ne peut on pas continuer ainsi? Les stratégies -La voiture électrique à batterie et à pile à Hydrogène Billions 400 World Energy Needs 350 300 250 200 150 Fossil Energies 100 50 0 1900 2000 2100 2200 2300 - Les nouveaux modèles de mobilité - mais que fait le CEA? La recherche et les démonstrateurs
Les Nouvelles (? )Technologies pour l Energie olta 1800 Grove 1839 PAC Becquerel 1850 PV ules Vernes 1828 2
Stockage d énergie
L énergie embarquée de la Nissan Leaf : Quels équivalents Plomb : 800 kg! courte durée de vie, prix bas, recyclable Lithium : 100 à 200 kg Prix des batteries élevé : 300 à 800 / kwh soit 8400 à 20 000 le pack Pour 1000 cycles : 5,6 à 12,8 / 100 km soit proche de prix de l essence. Il faut ajouter le prix de l énergie électrique (1,60 / 100 km tarif de nuit) Essence : 2 kg pour 24 kwh de chaleur 6 kg pour 22 kwh à la roue, soit 4,7 l/100 km Hydrogène : 0,73 kg + 10 kg de bouteille pour 24 kwh de chaleur ENVIA annonce 125 US$/kWh et 400wh/kg Baisser coût des batteries, augmenter durée de vie, densité d énergie
Rendement d un moteur électrique Rendement excellent sur une très grande plage de fonctionnement Fort couple à basse vitesse et vitesse maxi élevée (sans bruit ni vibration) Contrôle du frein-moteur et récupération au freinage Pas besoin d embrayage ni de boîte à vitesses Véhicules électriques
Moteur - roue Michelin Active Wheel Suspension active intégrée dans la roue Puissance permanente 30 kw, masse 5 kg Masse non suspendue: 30 kg General Motors Puissance : 16 kw, 25 kw maxi Rendement : 80 à 87 % Masse : 30 kg
Bilan CO2 «du puits à la roue» : ne pas oublier le CO2 pour fabriquer l électricité! Fabrication du véhicule 6 tonnes de CO 2 Rendement des centrales électriques Réacteurs EPR : 36 % Centrales fuel ou charbon : 40 % Distribution : 92 %
«Vehicle-to-grid» Eolien en 2011 : Energie produite : 480 TWh = 10 000 km/an pour 20 % du parc automobile mondial. Puissance installée : 240 GW = recharge de 6 % du parc automobile mondial. Solaire PV 150 m 2 12 places 135 000 km/an 10 kwh pour 60 km
Offre actuelle Renault Fluence 21 300 + 79 /mois 185 km Renault Twizy Z.E 5.400 + 45 115 km Kangoo Z.E. 15.000 HT + 72 170 km ZOE 15.700 + 79 200 km Peugeot ion, Citroën C-Zéro, Mitsubishi i-miev 30.350 150 km Nissan Leaf 30.990 160 km Smart Fortwo ED 30.000 135 km Tesla Roadster 95.000 400 km Homologation quadricycles lourds Mia electric 15.920 90 km Microcar M.Go electric 21.350 140 km Mega lithium 20.760 100 km REVA i 10.900 80 km SimplyCity SC4P 12.990 80 km Tazzari Zero 21.900 140 km Bonus écologique de 5000 déduit
H2 produit sans CO2 Bateau ZERO CO2 H2 L hydrogène : vecteur énergétique du futur? Biogaz Hydro H2 Fatal Distribution de H2 Production H2 sans CO2
Pile à Hydrogène -Electrolyse inverse de l eau - Rendement meilleur que moteur thermique - Température 80 /100 C (chauffage possible des véhicules) - Pas de bruit, Rejet uniquement de l eau - Autonomie des véhicules : 500/ 700 km Points limitants : - Nécessite réseau H2 - Nécessité de lancer la fabrication en série pour diminuer les coûts - Disponibilité des véhicules encore réduite
Stations Hydrogène Hambourg projet Vattenfall http://www.h2stations.org/ France isolée du nuage H2? 750 kg H2 (obtenu par solaire et éolien) par jour 20 bus + voitures
Programme allemand H2 mobilité le stations hydrogéne
Véhicules électriques à Piles à hydrogène industriels Mercèdes Benz production industrielle 2014 Honda disponible en Californie 600 $ /mois SymbioFcell Prolongateur d autonomie Hyundai 2015 lancement industriel
La voiture du futur - Les évolutions de l automobile - Pourquoi ne peut on pas continuer ainsi? Les stratégies -La voiture électrique à batterie et à pile à Hydrogène Billions 400 World Energy Needs 350 300 250 200 150 Fossil Energies 100 50 0 1900 2000 2100 2200 2300 - Les nouveaux modèles de mobilité - mais que fait le CEA? La recherche et les démonstrateurs
2012 Vers la mobilité du futur - Energie propre et durable - Multimodalité& intermodalité - Véhicules et routes intelligentes - nouveaux business modéles (énergie services) Points clés Recherche et développement Transports conventionnels - Inconvénients - pétrole : approvisionnement - Congestion urbaine - Santé accidents Energie Nouvelles technologies pour l information et la communication Démonstration à l echelle 1 evaluation de usages et des technologies
La mobilité Transports multi modaux intermodaux - Co voiturage Auto partage, 50 000 voiture en Europe 720 000 adhérents 15 millions en 2020 co voiturage -Mise à disposition de véhicules exemple «autolib» Bolloré, 3000 voitures 1000 recharges 40 000 abonnés -Toyota EDF Modèle «Google» Objectif final : Etre opérateur de robots : véhicules sans chauffeurs (USA ) Suppression de 90 % des véhicules sous employés Suppression frontières entre véhicule individuels et collectifs Mise à jour permanente recueil des données
Ville intelligente et durable systémes et capteurs - Management Energie Globale recharge véhicules -Communication véhicule / véhicules Véhicules / communications - Relevés des datas - Sécurité - Déploiement
La voiture du futur - Les évolutions de l automobile - Pourquoi ne peut on pas continuer ainsi? Les stratégies -La voiture électrique à batterie et à pile à Hydrogène Billions 400 World Energy Needs 350 300 250 200 150 Fossil Energies 100 50 0 1900 2000 2100 2200 2300 - Les nouveaux modèles de mobilité - mais que fait le CEA? La recherche et les démonstrateurs
Quatre secteurs de recherche complémentaires Recherche fondamentale R & D pour l énergie nucléaire Recherche Technologique Pour l industrie progammes pour la défense - 15 000 employès - Budget: 4 milliards - 500 brevets / an - 150 start up créées depuis 1985 Embedded and Interactive Systems Micro-nanotechnologies for information and communication New technologies for energy and nanomaterials
Stratégie CEA : vers des énergies sans effet de serre Production d électricité Adaptation de l offre à la demande Nouvelles applications de l électricité Stockage Centralisée - Nucléaire Electrolyse HT H2 Biofuel 2G Hybride Stockage distribué Batteries Véhicules électriques Distribuée -photovoltaique -thermodynamique Controle en direct Smart grids convergence transport /habitat
La ligne pilote batteries du CEA 150 people 25 M investments 40 patents 6 000 m² dedicated rooms 49
Mondial de l auto 2012 Quelques exemples de start up CEA Batteries Lithium Production for various applications On demand Small series Design & Assistance Of Energy System Development For housing & transportation applications Piles à H2 production Design & integration De 5 à 300 kw Première usine à Grenoble de Fabrication de systèmes PAC H2 en Europe
GIANT : démonstration à l échelle 1 «mobilité innovante et durable GIANT» Key Figures Investissement 1.3 Billions (2010-2016) Impact économique: 4 Mds 10 000 chercheurs 10 000 étudiants 10 000 emplois industriels 10 000 habitants > 5 000 publications par an > 500 brevets par an
Vers une mobilité intégrée : Une plate forme transport innovante au coeur du site Tout type de véhicules 2 roues, LV, UV, Bus, Sport Espace Space sustainable Mobilité durable mobility & and Démonstration transport innovative transport Production d hydrogéne R&D SolHyvert Builing Production d électricité Contact aérien Contact par sol Plug In Induction
Vision du projet Giant Un site carbone neutre Energie propre Basse consommation Mobilité carbone neutre Biodiversité
Le futur - Différentes stratégies énergie NTE ; moteur thermique, hybride, électrique batteries, électriques piles à H2 -Innovation croissante grâce aux NTIC : sécurité, conduite assistée navigation, information - Nouveaux concepts innovants : voitures, cybercars - Nouvelles approches de la mobilité, nouveaux acteurs - Nouvelles zones urbaines : convergence habitat transport Smart grid
Le futur : compatibilité avec la performance & le plaisir de conduite! GREEN GT 24 h Le mans 2013 Racing car «Pile à Hydrogène» 360 KW 300km/h
Merci pour votre attention Merci à Marc Béranger pour une partie des slides