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L’IFP Energies nouvelles dit tout sur les nouvelles énergies

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Lors des Rencontres de la Filière VI la semaine dernière à Lyon, Stéphane Raux, Chef du département Synthèse Technologies Moteurs à l’IFP Energies nouvelles, a établi un état des lieux des solutions « non fossiles » disponibles actuellement. Avec un constat simple : la solution unique n’existe pas. C’est la première fois qu’un organisme s’exprime sur les nouvelles énergies et de manière indépendante.

Après un rappel sur les missions et les effectifs de l’IFP Energies Nouvelles (1200 ingénieurs pour un effectif total de 1600 personnes), Stéphane Raux a rappelé les approches multiples (expérimentation, modélisation et simulation) de l’institut ainsi que le travail qu’il effectue scientifiquement autour de l’analyse des cycles de vie (énergétiques, émissions de gaz à effet de serre, prix de revient). Il s’intéresse à tous les convertisseurs d’énergie (machines tournantes électriques, électro-chimiques avec les piles à combustible, chimique et mécaniques avec les moteurs à combustion interne) ainsi qu’au stockage de l’électricité, à l’électronique de puissance et aux systèmes de contrôle-commande.

Stéphane Raux, Chef du département Synthèse Technologies Moteurs à l’IFP Energies nouvelles

Stéphane Raux a ainsi évoqué Euro VII et ses nouvelles classifications chimiques, les nouveaux seuils d’émissions et de nouvelles procédures de tests. « L’exigence des émissions de gaz à effet de serre plaide pour des carburants à faible impact environnemental » comme les biogazoles issus de procédés n’entrant pas en concurrence avec les usages alimentaires et les e-fuels. Le GNV offre un gain direct d’émissions de CO2 de 25% grâce à sa composition chimique plus pauvre en carbone. Le bioGNV offrant quant à lui un gain considérable si on prend en compte le CO2 absorbé par les végétaux méthanisés. Dans le cadre du programme Long Run, l’IFPEN travaille sur la combustion optimisée, dans un moteur de poids-lourd, du GNV via le concept SwumbleTM, des rapports volumétriques accrus, l’optimisation du temps de levée des soupapes et de l’EGR et un cycle Miller plus agressif côté admission.

L’hydrogène offre une densité énergétique (stocké à 350 bar) 9 fois plus dense (en massique) que les batteries lithium-ion actuelles. Avantage partiellement absorbé par le moindre rendement des piles à combustible. Il a évoqué un fait rarement évoqué : l’avantage des temps de ravitaillement est à nuancer en fonction des températures ambiantes : plus elles sont élevées, plus le temps d’avitaillement augmente. Stéphane Raux a mis en parallèle les piles à combustible et les moteurs à combustion hydrogène. Ce dernier est compétitif en coût, peu sensible à la qualité du dihydrogène, plus rustique et offre l’avantage d’utiliser un outil industriel connu et maîtrisé. Il doit toutefois améliorer ses émissions d’oxydes d’azote et son rendement tout en ayant une durabilité équivalente aux moteurs Diesel. Les piles à combustibles ont un domaine de pertinence dans le transport lourd lorsque l’autonomie et le temps de recharge posent problème avec les batteries conventionnelles. Mais, selon l’ingénieur, la pile à combustible doit relever plusieurs défis : son refroidissement (qui conditionne son rendement et sa longévité) et la durée de vie.

Poids Lourd routier – émission de gaz à effet de serre – IFP Energies nouvelles

Les défis pour les batteries

Stéphane Raux a étudié ensuite l’électrique à batteries, rappelant que la batterie, à elle seule représente 34% de la valeur d’un véhicule électrique. Et que 45% de cette valeur est liée à l’ensemble moteur, batterie et son électronique de puissance. Celle-ci, dépend beaucoup de l’étranger (cuivre, terres rares, lithium, nickel, manganèse, colbalt, etc) ou de la Chine (en particulier les anodes et cathodes en graphite). Elle doit progresser en densité énergétique massique et volumique, en durabilité (réduire les pertes de performance dans le temps), améliorer ses temps de recharge, sa stabilité thermique et chimique, réduire son empreinte environnementale (en analyse de cycle de vie, avec le recyclage en fin de vie) sans oublier… son coût ! Les moteurs à aimants permanents, privilégiés pour les puissance et couple sont aussi ceux qui sont les plus gourmands en terres rares. Les matériaux critiques pèsent ici moins de 10% de la masse mais 50% du coût de ces moteurs. L’IFP Energies Nouvelles envisage le passage au 800V, ce qui améliorerait le rendement du moteur et de l’onduleur, la puissance et la vitesse de charge, l’apparition de chaînes de traction mono-moteur supérieures à 175kW tout en réduisant les besoins en métaux (comme le cuivre et les aimants). Mais ce passage implique des précautions supplémentaires au niveau de la compatibilité électromagnétique, de l’isolement, de l’équilibrage des cellules.

L’analyse du cycle de vie conduite par l’IFP-Energies Nouvelles et ADEME dans l’étude E4T révèle qu’un poids-lourd à batteries (avec une électricité dont la teneur carbone est équivalente à la moyenne européenne de 2020) « n’est pas pertinent au regard des émissions de gaz à effet de serre sur le cycle de vie ». Mais « qu’en 2040, avec la projection des mix électriques, le poids lourd routier à batteries devient intéressant ». Le poids-lourd « à pile à combustible entraîne des émissions de gaz à effet de serre plus faibles que les motorisations thermiques aux horizons 2020 et 2040 ».

Le potentiel de l’hydrogène évalué

Dans le cas du programme TRANPLHYN, l’IFP Energies Nouvelles a calculé que « les solutions hydrogène réduisaient d’un facteur 2 à 5,5 les émissions de gaz à effet de serre par rapport au gazole. Dans l’hypothèse « bas carbone », la production de l’hydrogène représente la part prépondérante des émissions sur l’ensemble de cycle de vie. Dans l’hypothèse d’une énergie renouvelable, il y a peu d’écart entre les solutions pile à combustible et moteur à combustion interne H2. L’hydrogène consommé par le poids-lourd représente environ la moitié des émissions de gaz à effet de serre de l’ensemble du cycle de vie. La fabrication du véhicule représentant l’autre moitié. Les réservoirs, la pile et la batterie de traction y prenant un rôle prépondérant ».

Et de conclure : « il n’existe pas une solution unique mais de nombreuses alternatives ».

Re-voir en vidéo l’intégralité de l’intervention de Stéphane Raux, Chef du département Synthèse Technologies Moteurs à l’IFP Energies nouvelles

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