– Pile à combustible et hydrogène, des alternatives énergétiques en puissance
– À la rencontre de deux énergies
– Nouveaux moyens de transport et absence de mobilité
Dans un paysage énergétique à redessiner entièrement, dont la couleur pétrole sera définitivement absente, tirer la meilleure efficacité possible de l’énergie constitue une priorité pour les années à venir. Cette réflexion doit jeter les bases de mentalités nouvelles, indissociables d’une société à l’aube d’une complète mutation. Dans ce contexte, apprendre à utiliser toutes les ressources possibles, dans une optique d’exploitation durable, s’impose comme un autre précepte de la future donne énergétique.
La première voiture à franchir le cap des 100 km/h était électrique. Française, la « jamais contente » établit ce record en… 1899 ! Devant l’impossibilité de stocker l’électricité dont elle avait besoin pour fonctionner, la voiture électrique fut abandonnée au profit des moteurs à essence pour tout le siècle suivant. Ressource éphémère, le pétrole part peu à peu en fumée, laissant les stigmates pollués de son bref passage dans l’histoire de l’énergie, et remet les compteurs à zéro.
Si la voiture électrique est plus que jamais d’actualité, le problème du stockage de l’électricité reste crucial. Des solutions cependant semblent pouvoir y remédier, comme le recours à une pile à combustible (PAC) alimentée par des réservoirs d’hydrogène, générant l’électricité nécessaire au moteur de traction directement sur le véhicule au lieu de la stocker. La PAC pourrait pallier l’insuffisance la plus handicapante de la voiture électrique, à savoir sa faible autonomie. La mise au point par HONDA de la FCX Clarity, commercialisée à petite échelle et en leasing en Californie depuis 2008, est une très belle preuve de réalisme puisqu’elle affiche une autonomie de 500 km. Allier les avantages de la voiture électrique — absence de pollution, de bruit, confort de conduite — à une autonomie comparable à celle des moteurs à essence n’est donc pas un rêve inaccessible.
Le Nord Franche-Comté s’inscrit dans les programmes de recherche sur la PAC dès lors qu’ils sont relancés en France en 1999, notamment par le biais de la plateforme technologique FC Lab installée à Belfort, exclusivement réservée aux travaux sur la mise au point des systèmes PAC pour les transports. Le pays accuse alors un sérieux retard par rapport aux USA et au Japon, ou encore à l’Allemagne. En dix ans, les collaborations avec de grands groupes comme AIR LIQUIDE, AREVA ou PSA donnent un véritable coup d’accélérateur et, en matière de transports, permettent d’atteindre un niveau de recherche et de développement comparable aux références internationales. PSA a d’ailleurs fait rouler ces derniers mois une 307cc équipée d’une PAC entièrement réalisée grâce à sa propre technologie, que le constructeur a exposée au salon des nouvelles mobilités MOBILIS.
Aujourd’hui, les programmes de recherche financés par l’ANR — Agence nationale de la recherche — s’essoufflent alors même que les produits des industriels commencent à voir le jour. « Il nous faut les fiabiliser, maîtriser et développer leur durée de vie, tout en réduisant leur coût » explique Florent Petit, directeur du FC Lab. Des objectifs ambitieux et décisifs pour l’avenir, dont il faudra démontrer la pertinence pour continuer à fédérer et mobiliser les acteurs concernés.
La pile à combustible et ses systèmes connexes sont au cœur des travaux menés par le FC Lab. Spécifiquement dédiée aux transports terrestres, cette plateforme de technologie unique en France produit des tests grandeur nature, dans des conditions réelles d’usage. Comparés à des essais « de terrain », les tests sont moins coûteux et présentent l’avantage d’être reproductibles.
Démarrages, accélérations, contraintes de température, d’humidité…, la plateforme analyse tout ce qui se passe quand les systèmes sont mis en situation réelle de fonctionnement, et fait varier les paramètres pour repérer les plus déterminants. « À la création de la plateforme en 2002, les industriels avaient tendance à vouloir l’utiliser comme un prestataire de services, pour des tests qui n’étaient pas réalisables dans leur entreprise, raconte Florent Petit. Ils ont ensuite compris que les compétences de nos chercheurs et ingénieurs, ajoutées à la capacité expérimentale de la plateforme pouvaient leur apporter beaucoup plus ». Depuis, le FC Lab développe les produits dont l’entreprise a besoin et procède à des analyses clés pour guider les choix industriels.
FC Lab
Université de technologie de Belfort – Montbéliard
Tél. (0033/0) 3 84 58 36 00
L’électricité est un formidable vecteur d’énergie. L’hydrogène en est un autre, et s’il se transporte moins bien, il est en revanche possible de le stocker. L’idéal serait de profiter des avantages de l’un et de l’autre, de réussir à les utiliser en les rendant complémentaires, garantissant ainsi une nouvelle donne énergétique efficace et fiable.
« Très schématiquement, explique Florent Petit, on pourrait imaginer délester le réseau central électrique en le doublant de réseaux territoriaux basés sur l’utilisation de l’hydrogène pour une consommation de proximité ». Cela sous réserve d’atteindre un niveau de production et une capacité de stockage de l’hydrogène suffisants.
Le principal reproche formulé à l’encontre de l’hydrogène est le caractère polluant de sa fabrication, pour l’instant issue essentiellement du gaz naturel, et générant l’émission de CO2. Les recherches s’orientent non seulement sur la mise au point de systèmes de capture du CO2 émis, mais aussi sur la possibilité de produire l’hydrogène à partir d’eau, un procédé garanti sans aucune pollution. Le projet européen MobyPost utilise cette technologie. Coordonné par l’IPV, labellisé par le Pôle Véhicule du Futur, il fait intervenir l’UTBM et le FC Lab dans la conception et l’expérimentation d’un véhicule tricycle professionnel équipé d’une PAC alimentée par hydrogène, et prévoit la fabrication du combustible par électrolyse de molécules d’eau (cf. en direct n° 230, mai – juin 2010). D’autres voies encore inconnues s’ouvriront sans doute à la science à l’avenir pour la production de l’hydrogène comme pour son stockage en toute sécurité, un dernier point crucial au centre de l’activité de MaHyTec, une jeune entreprise doloise issue de l’incubateur d’entreprises innovantes de Franche-Comté, dont le travail se nourrit des recherches du département mécanique de l’Institut FEMTO-ST. « Il restera à faire sauter les verrous législatifs afférents à la production d’hydrogène, souligne Michel Romand, directeur adjoint de l’IPV, en transposant tout simplement les directives européennes au droit français ».
Mini train bâti comme un grand, voitures électriques de rallye, véhicule de propreté hybride, prototypes de scooter, segway, fauteuil roulant électriques… et ascenseur ! Tous les moyens de locomotion ont leur place à la plateforme Énergie et transports terrestres de l’UTBM, dont l’équipement fait bien des envieux. Concevoir, analyser, tester, améliorer, les possibilités se conjuguent aussi bien avec les impératifs de la recherche que ceux de l’enseignement au cœur de ce dispositif. Car toutes les énergies sont disponibles pour se prêter à de nombreuses expériences. Moteur thermique, PAC, batteries lithium, supercondensateurs, hydrogène, générateur photovoltaïque, éolienne et barrage hydraulique miniatures… pas moins de soixante-quatre combinaisons énergétiques différentes sont possibles.
Le réseau électrique actuel est sujet à des fluctuations directement dépendantes de la loi de l’offre et de la demande. Une surconsommation tout comme une sous utilisation fragilisent un système par ailleurs perturbé par la fourniture d’énergie provenant de sources dont on ne contrôle pas la production, comme les installations solaires individuelles. Les smart grids reconsidèrent la gestion de l’électricité de façon nouvelle. Ces réseaux intelligents utilisent des technologies informatiques pour optimiser la distribution et mettre en relation les producteurs et les consommateurs d’électricité. Ils sont capables de répondre à la demande en énergie en allant la chercher là où elle est disponible à un moment donné. On profitera par exemple d’une période de fort ensoleillement pour recourir à l’énergie solaire plutôt qu’au nucléaire, d’une surproduction électrique pour fabriquer de l’hydrogène par électrolyse et constituer ainsi une réserve d’énergie. Les véhicules seront intégrés au système comme tampon d’énergie : l’électricité contenue dans leurs batteries ou supercondensateurs pourra être récupérée à un moment où ils sont immobilisés au garage pour alimenter un fer à repasser à la maison !…
Loin d’être des élucubrations, les smart grids font l’objet des études les plus sérieuses. Le laboratoire SeT de l’UTBM anime différents programmes en lien avec l’ADEME, des industriels, des centres de recherche du Colorado et du Canada, l’université de Grenoble et l’université de technologie de Troyes. Le SeT offre la particularité d’avoir à sa porte deux des plus grands noms mondiaux de l’énergie : ALSTOM et GENERAL ELECTRIC. À partir du travail de ses équipes en énergétique et en informatique, un réseau intégrant différentes sources d’énergie sera monté en réel dans le périmètre géographique du Technopôle de Belfort, transformé pour l’occasion en smart city, avec la collaboration des deux géants de l’énergie.
Contact : Abderrafiâa Koukam
Laboratoire Systèmes et transports
Université de technologie de Belfort – Montbéliard
Tél. (0033/0) 3 84 58 30 81
D’autres solutions se profilent et se combinent selon différents modes technologiques, une vocation pour le département ENISYS de l’Institut FEMTO-ST, qui concentre la majorité des chercheurs du FC Lab. Phébus, Archybald, Trax… ENISYS est une grande famille abritant dans son giron pas moins d’une quarantaine de projets, presque tous nés de contrats avec l’industrie. La plus petite de l’équipe s’appelle Phébus, une voiture hybride sans permis, mise au point pour le constructeur AIXAM dans un projet financé par l’ANR. Équipée d’un moteur diesel à l’avant, plus petit que sur la version traditionnelle, Phébus cache dans ses roues arrière des moteurs électriques alimentés par des batteries placées sous les sièges. À 50 km / h, avec une autonomie de 20 à 30 km, ces deux moteurs seront l’idéal pour une circulation urbaine sans pollution. Le moteur thermique, dont les performances sont optimisées, prend le relais sur la route et assure une autonomie de 100 km. Le prototype, en cours de réalisation, donnera lieu à des premiers essais début 2011.
Phébus
D’un tout autre gabarit, ECCE est un camion monté dans les années 1990 avec le constructeur PANHARD, financé par la DGA. Véritable banc d’essai, il permet d’évaluer tous les composants d’une chaîne de traction électrique.
ECCE2
La naissance de son petit frère, ECCE2, permet d’optimiser le comportement énergétique du véhicule en l’équipant notamment d’une PAC, de batteries et de moteurs électriques intégrés dans ses quatre roues, lui conférant une extraordinaire mobilité. Actuellement, ECCE2 est le plus gros véhicule équipé d’une PAC, par ailleurs la plus puissante jamais mise au point en France, grâce aux travaux des chercheurs de l’Institut FEMTO-ST.
Plus de 1 000 entreprises, 105 000 salariés et 1 300 chercheurs du domaine public sont concernés par le Pôle Véhicule du Futur sur les régions Alsace et Franche-Comté. Du scooter au train, sa mission est de détecter et de mettre en relation les compétences autour des transports terrestres, pour mieux servir l’innovation dans ce domaine aux enjeux considérables. « Il s’agit de mettre au point les véhicules de demain mais pas seulement, explique Philippe Chican, directeur de programmes du Pôle. L’intérêt est aussi de les placer dans un contexte futur, où la mobilité sera connectée et interactive ».
Au carrefour de toutes les initiatives issues de la recherche comme de l’industrie, le Pôle devient peu à peu le passage obligé de tous les projets. Cette logique permet de favoriser l’innovation des entreprises, d’améliorer leur compétitivité, de faire le lien entre les différentes recherches, et, grâce à la collaboration de tous les acteurs, d’optimiser la mise au point des produits. F-City est, à ce titre, un exemple type, presque un cas d’école. Mis à la disposition des citadins pour des trajets urbains, ce véhicule électrique à quatre roues, d’une autonomie de 100 km, est passé au stade de la production début 2010 après deux années seulement de recherche et de mise au point ! Le Pôle Véhicule du Futur est né en 2005, à l’instar de soixante-dix autres pôles de compétitivité concernant tous les domaines en France, de la volonté de l’État de rassembler les forces vives d’un territoire autour de projets d’avenir.
Contact : Philippe Chican
Pôle Véhicule du Futur
Tél. (0033/0) 3 89 32 76 44
Consomme-t-on la même énergie si l’on vit au centre ou en périphérie d’une ville ? Les chercheurs du laboratoire ThéMA de l’université de Franche-Comté ont mis au point un logiciel spécifique capable d’appliquer des étiquettes énergétiques pour une zone, à partir de la mobilité présumée des habitants.
Le sujet de référence de l’étude adopte un comportement normé. Actif, il se rend à son travail cinq jours sur sept, achète son pain quotidien à la boulangerie du quartier, et fait des courses une fois par semaine en hypermarché. Selon l’endroit où il vit, il aura besoin ou non de prendre sa voiture pour effectuer ses déplacements. À partir de ces postulats, le logiciel détermine la consommation moyenne d’énergie dans une zone, permettant d’établir son étiquette énergétique, à la façon de celles que l’on trouve sur un frigo ou un lave-vaisselle.
« Bien sûr, l’étude a ses limites, puisqu’on part d’une conduite type qu’on multiplie un peu artificiellement par le nombre d’habitants d’un secteur », reconnaît Jean-Philippe Antoni, du laboratoire ThéMA. Mais elle a le mérite de produire les premiers résultats du genre et de cartographier une région pour mieux la connaître et envisager pour elle des scénarios de développement. Faut-il voir dans les équipements particuliers d’un quartier pourtant éloigné de la ville la raison lui permettant d’être relativement peu gourmand en énergie ? L’installation de commerces de proximité ou la construction d’une route changent-elles la donne ?
Inclure la mobilité des personnes à des fins statistiques est une originalité de la recherche, qui souffre en revanche de l’absence de données intrinsèques aux constructions pour compléter le tour d’horizon énergétique d’une zone. « Il faudra des années avant que nous puissions intégrer le diagnostic de performance énergétique des bâtiments à nos travaux, car pour l’instant, il n’est obligatoire qu’en cas de vente » précise Jean-Philippe Antoni.
Voilà un an et demi que cette étude a été reprise par le laboratoire ThéMA, missionné par l’ADEME et le ministère du Développement durable pour succéder à un bureau parisien dans cette tâche. Elle parvient aujourd’hui à maturation et pourra intéresser les communes, et de manière générale, tous les acteurs concernés par l’aménagement du territoire en lien avec le développement durable.
Contact : Jean-Philippe Antoni
Laboratoire ThéMA
Université de Franche-Comté
Tél. (0033/0) 3 81 66 55 11
Concevoir des moteurs plus compacts est un enjeu souvent récurrent des programmes de recherche. Ainsi, Archybald, du nom de code d’un véhicule militaire réalisé pour NEXTER et financé par l’ANR, est équipé de moteurs électrique et thermique dont la conception se veut la plus compacte possible pour limiter les coûts. Même combat pour Trax, qui, développé avec la société PHENIX INTERNATIONAL à Gray (70), se prête aux analyses conjuguées des électriciens et thermiciens d’ENISYS, une double et remarquable compétence du laboratoire.
« Lorsqu’on réduit le volume d’un moteur, il chauffe davantage, ce qui provoque des pannes et une usure prématurée, explique Christophe Espanet, responsable de l’équipe Conception à ENISYS. L’amélioration du refroidissement d’un moteur compact est un axe de recherche primordial ». Labellisé par le Pôle Véhicule du Futur, Trax est un projet soutenu localement par la Ville de Belfort, la Communauté d’agglomération belfortaine, le Conseil général du Territoire de Belfort et la Région Franche-Comté, tout comme le programme 3F, imaginant la locomotive hybride de demain.
Dans son genre et malgré son relatif grand âge, le moteur Stirling fera sans aucun doute parler de lui dans les prochaines années. Mis au point en 1816, le principe de ce moteur à apport de chaleur externe consiste à chauffer un côté du moteur dans lequel se trouve du gaz et à refroidir l’autre côté. Le gaz de travail enfermé sous pression dans le cylindre de la machine subit alors des cycles successifs de détentes et de compressions. Le moteur Stirling convertit l’énergie thermique en énergie mécanique qui peut être utilisée pour faire avancer un véhicule et / ou produire de l’électricité, par couplage entre le moteur thermique et un générateur électrique. Les travaux menés sur ces véhicules hybrides à moteur Stirling couplés à des piles à combustible constituent des recherches d’avant-garde au sein du département ENISYS.
Archybald
Changer les modes et les habitudes de conduite sont des leviers sur lesquels il est possible d’agir et les systèmes d’aide à la conduite se développent dans cette direction.
À partir du réseau électronique d’une voiture, on peut obtenir des informations sur sa consommation, l’émission de gaz à effet de serre…, simplement en connectant son téléphone portable au tableau de bord. Récupérer ce type d’informations est techniquement un problème résolu, il reste à assurer la centralisation des données et leur restitution auprès des usagers. Des travaux au cœur des préoccupations du Laboratoire d’informatique de l’université de Franche-Comté (LIFC). Les chercheurs de l’équipe OMNI — optimization, mobility, networking —, installée au Pôle Numérica de Montbéliard, mettent au point des solutions logicielles complexes et innovantes dans le domaine de l’économie d’énergie comme dans celui de la sécurité. « Grâce à des bornes wifi intégrées au véhicule, il sera possible de transmettre des informations d’une voiture à une autre, au moment où elles se croisent sur la route », raconte Pascal Chatonnay. Soit deux à trois secondes pour être connectés et avoir des informations sur l’état d’une route, la survenue d’un accident…
La collecte et la centralisation d’informations s’envisagent aussi pour optimiser les itinéraires en rationnalisant l’organisation sociale. Le covoiturage n’est qu’un maillon d’une mutualisation qui pourra faire intervenir différents modes de locomotion. Vous devez vous rendre à Carcassonne ? Depuis une borne interactive ou à partir d’un téléphone mobile, vous apprendrez que le jour de votre départ, en fonction des conditions de trafic prévues, la solution optimale est de vous rendre à la gare avec le bus de 8 h 41 passant en bas de votre appartement, puis de prendre le train de 9 h 05 pour Toulouse qui sera relayé à votre arrivée en gare, après cinq minutes d’attente, par une voiture vous amenant à bon port en compagnie de trois autres personnes. Le tout vendu dans un seul billet électronique, condition indispensable d’un voyage organisé en toute simplicité. D’ici là, il faudra du temps aux informaticiens pour bâtir des réseaux de géolocalisation et des connexions sécurisées, et aux usagers pour faire évoluer les mentalités vers le partage de la mobilité.
Grégory Chippeaux s’intéresse de près au transport alternatif (covoiturage, transport à la demande…) Un stage au LIFC le conduit à créer sa propre entreprise dès la fin de ses études, sous la houlette de Philippe Canalda, chercheur au laboratoire. Le logiciel de solutions de mobilité multimodale, mis au point par la toute jeune société SHARE AND MOVE SOLUTIONS, s’adresse aux entreprises et aux collectivités locales. L’idée est, à terme, de mettre en place un système global géré à l’échelle d’une région, à l’intérieur duquel pourraient se greffer des demandes privées et spécifiques, comme la gestion de parkings, de flottes de véhicules ou encore de mobilité des salariés d’une entreprise.
Récemment sortie de l’Incubateur d’entreprises innovantes de Franche-Comté, SHARE AND MOVE SOLUTIONS a remporté le trophée Innovia et le concours Numerica en 2009. Elle est une expression du dynamisme des travaux de recherche menés sur le Nord Franche-Comté, qui, selon Philippe Canalda, « est bien intégré à un réseau de partenaires à l’échelle européenne et participe à des projets de recherche d’envergure sur le sujet ».
Contact : Pascal Chatonnay – Philippe Canalda
LIFC
Université de Franche-Comté
Tél. (0033/0) 3 81 99 47 74
SHARE AND MOVE SOLUTIONS
Tél. (0033/0) 3 81 31 28 01
Toutes les énergies se fédèrent pour dessiner un nouveau paysage dans lequel nous devrons nous inscrire d’ici quelques décennies à peine, et dont nous n’avons pas même encore une esquisse. Nouveaux potentiels énergétiques et futurs moyens de transport suffiront-ils à se substituer aux ressources actuelles pour assurer la pérennité du fonctionnement de nos sociétés ? Rien n’est moins sûr. Aux inévitables changements auxquels nous aurons à nous adapter en matière de transports et d’énergie, une mutation plus grande encore laisse à penser qu’il faudra envisager une société à la mobilité ralentie et entièrement repensée. Selon Michel Romand, « la mobilité sera probablement différente de celle que l’on connaît aujourd’hui. Il faudra rationaliser nos habitudes de déplacements, développer le télétravail, redonner la priorité aux productions locales et arrêter de faire voyager les marchandises d’un bout à l’autre de la planète ! Nous arrivons à une phase de transition, qui, en attendant que les nouvelles solutions soient matures et suffisantes pour envisager conserver nos modes de vie, nous entraînera à faire plus efficient ». Une remise en question imposée mais peut-être salutaire pour un meilleur et indispensable respect de l’environnement.
Contact : Florent Petit
FC Lab
Université de technologie de Belfort – Montbéliard
Tél. (0033/0) 3 84 58 36 00
Institut Pierre Vernier
Tél. (0033/0) 6 89 61 99 96
Christophe Espanet – Daniel Hissel – François Lanzetta
Département ENISYS
Institut FEMTO-ST
Université de Franche-Comté / UTBM / ENSMM / CNRS
Tél. (0033/0) 3 84 58 36 14 /58 36 21 / 57 82 24
