L’avenir de l’automobile

« Transports et nouvelles mobilités,

nouveaux usages » Joel Danroc

H2

La voiture du futur

- Pourquoi ne peut on pas continuer ainsi? Les stratégies

0 50

100 150 200 250 300 350 400

1900 2000 2100 2200 2300

World Energy Needs

Fossil Energies

Billions

- Les évolutions de l’automobile

- Les nouveaux modèles de mobilité

-La voiture électrique à batterie et à pile à Hydrogène

- mais que fait le CEA ? La recherche, les démonstrateurs et

les transferts de technologie

1896 Invention « Tricycle Benz »

Moteur gaz

1899 : « Voitures électrique » « Jamais contente » +100Km/h

- moteurs électriques, 67 CV

- batteries Fulmen,

- Carroserie aluminium

+ Hybrides Porsche !

Après 1900 « Ere Pétrole »

Endormissement de l‟électrique

L’avant pétrole : une courte période

« On n’invente pas le téléphone à partir des pigeons

voyageurs ! » Michelin

« Le passage de la calèche à l’automobile actuelle »

Une rupture technologique majeure

Rencontre

Pétrole/Moteur combustion interne

Pétrole

Voitures

L‟histoire de l‟automobile ponctuée par quelques éléments

marquants dans les domaines «sociétal, économique, technique»

Succès de l‟automobile :

« Quatre roues, un volant, du plaisir et du rêve »

1974 Premier Choc pétrolier

1990 Début de l‟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!

« Motorway » 1956

« RETOUR VERS LE FUTUR »

1900 : tout avait été imaginé du point de vue mécanique !

1950 / 1960 on se « reprojette » sur :

- de nouvelles motorisations

- la conduite sans conducteurs : repris par Toyota, VW et Nissan

en 2013 et par Induct

Ford Nucléon « atomique » Etoile Filante Renault «turbine »

La voiture du futur

- Pourquoi ne peut on pas continuer ainsi? Le modèle actuel

0 50

100 150 200 250 300 350 400

1900 2000 2100 2200 2300

World Energy Needs

Fossil Energies

Billions

- Les évolutions de l‟automobile

- Les nouveaux modèles de mobilité

-La voiture électrique à batterie et à pile à Hydrogène

- mais que fait le CEA ? La recherche et les démonstrateurs

En 2012 : pourquoi est ce vraiment différent ?

0 50

100 150 200 250 300 350 400

190

0

2000 2100 2200 2300

World Energy Needs

Fossil Energies

Billions Barrel of Oil Equivalent / year

New Energy

Technologies

- Pétrole : « courbe peak oil » validée ?

hors spéculation le prix est indexé sur le

prix d‟extraction moyen qui ne peut qu‟augmenter

- Population :

- va passer de 6 milliards à 9 milliards

en 2050

- devient à 80 %urbaine : pollution

- Effet de serre avec les problèmes climatiques

- Congestion des villes

- Problèmes de santé

Consommation annuelle mondiale

Pétrole

Gaz

Uranium

Charbon

Hydraulique

Eolienne

Photosynthèse

En

erg

ieso

lair

e

an

nu

ell

e

Resso

urc

es

én

érg

éti

qu

es

tota

les

La vraie question :

« Quel mix énergétique pour le futur ? »

Pétrole limité : « Forte menace sur les transports »

Prévisions 2005

2013 : Bouleversement total dans les évaluations !

« Sera t-on noyé sous le pétrole? »

- Découverte de nouveaux gisements

- Nouveaux dangers de pollution

- Des prévisions d‟évolution du prix du baril fausses !

Prix du baril /prévisions

Santé : une espèrance vie impactée

“quelques mesures européennes”

Source: IIASA (2000)

Loss in life expectancy attributable to exposure

to fine particulate matter (PM) • Clean Air for

Europe (CAFE)

• European

Commission

Transport White

Paper

• TEN-T

• CIVITAS

Polluants : • Particulate Matter (PM 10 &

PM 2.5)

• Ozone

• NOx

• SOx

• Polycyclic aromatic

hydrocarbon

• CO

Mois

Puissance nécessaire

Crr = coefficient de résistance au roulement, entre 0,8 et 1,2 %

= densité de l‟air = 1,3 g / dm2

= 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

Les fondamentaux pour les véhicules

Pour les usages classiques, la masse est l‟élément le plus

important. La puissance croît au cube de la vitesse !

Le couple moteur thermique/pétrole :

un succès avéré mais … - 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

- Les moteurs à essence émettent aussi des particules ( microniques et plus fines

Meilleur rendement

197 g/kWh = 40 %

110 km/h stabilisé (18 kW) :

260 g/kwh = 30 %

Objectifs et nouvelles normes appliquées par le biais

d’amendes, de taxes et d’aides

3 Améliorer la sécurité :

- Passive : structures carrosserie, airbag

- Active : liaisons au sol, ESP

- Connexion : sécurité informations

accidents traffic…

- Programme CAFE : Clean Air For Europe C02 130 g 2015, 95 g 2020

- Normes Euros : 2014 euro 6 (NOx) : le début de la fin des diesels ?

- Pollution des villes : France en infraction pour l‟Europe (Particules)

- Objectifs de diminution de l‟accidentologie

1 Diminuer la consommation et la pollution :

- Gestion moteurs / diminution des frottements

- Hybridation électrique

- Pot catalytique complexe et cher

2 Diminuer la masse des voitures :

- 2CV 600kg (1975) Clio 1100 kg (2011)

- Diminution de 100 kg (208) à 400 kg par véhicule

(ex Range rover)Matériaux aluminium/composite

Evolution des performances des voitures

classiques à moteur thermique

Les tendances :

- down sizing

- Turbo compresseur (1 à 3 par moteur ! )

- Injection directe / multi injection

- Hautes pressions 2700 bars diesel

- Désactivation du nombre de cylindres (VW)

- Boites de vitesse automatiques 8 à 10 rapports

- Hybridations et électrification (clim, direction

pompes, turbo)

- Augmentation des performances :

Puissance spécifique : 1975 50 cv/ litre de cylindrée

2010 130 cv/ litre F1: 800cv/litre

- Diminution de la consommation

- Augmentation de la part « essence/diesel »

- Diminution progressive de la pollution

Cycle européen (EU) (1973) : NEDEC (New Europeen Driving Cycle). Date de 30 ans.

Inconvénients: trop court et n‟est plus représentatif des véhicules actuels (0-50km/h en

26s!!)

Cycle américain (US) (1972): FTP75 a été amendé par 3 cycles complémentaires :

Highway cycle, SC03 (cycle avec climatisation) et US06 (conduite agressive)

Nouveau cycle mondial (2015): WLTP (World Wide Duty Vehicule Test Procedure)

conduira à une émission de polluants supérieure aux cycles actuels. Ce cycle remplacera

les cycles les cycles japonais, européen et américain.

La voiture à 2l / 100km : Quel cycle de mesure ?

Quelle voiture ?

Type de

véhicule

Puissance (ch) Conso mixte

Normalisée US

l/100km

Conso mixte

Normalisée EU

l/100km

Ecart

Toyota Prius 3 136 4,7 3,9 20%

BMW 528 i 245 8,4 6,5 30%

Opel Ampera 150 6,36 1,2 430%

1L / 1000 km 2013 VW XL1 0.9 L/100 Km

2.5 l/ 100 réelle 2L /100 dans 2 ans : impossible !

Yaris hybride ?

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 40 % de la valeur du véhicule)

Nanotechnologies pour l’électronique dans les véhicules

Average Semiconductor/Vehicle

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015

$

N. America

Europe

Japan

S. Korea

China

India

ROW

*Excludes Sensors

Source: Strategy Analytics

Electronique : Applications innovantes

1970 1980 1990 2000 2010

Electronic Ignition

Central locking

Car Radio

Electronic gearbox

Air conditioning

ASC & ABS

Cellphone

Seat heating

Automatic Mirror

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

Source St Micro

Vers les véhicules sans conducteur : sécurité efficacité 2020 ?

« Platooning » guidage immatériel

Volvo

Prototype Toyota

(sans conducteur actif)

Mercedes 500 S en vente

Automatisme Total jusqu‟à 30

km/h

Homologation, responsabilité ? Sur les routes en 2020 ?

La référence : Toyota qui a lancé les hybrides dès 1997 !

Toyota : une stratégie validée par le public et

copiée par les concurrents !

Hybride classique 5 millions vendus

Moteur thermique

Moteur électrique

Autonomie 2 Km

électrique pur

Hybride « plug in »

Chevrolet Volt

Thermique

Electrique 60 km

Prius « plug in »

Thermique

Electrique 20 km

TOYOTA : 100 % de la gamme va être

déclinée en hybride !

Vers l’hybridation généralisée :

du petit véhicule aux véhicules de sports

Genève 2013 : La Ferrari 800 HP thermique

163 HP électrique KERS

Genève 2013 : PSA 208 « hybride air »

Toyota Le Mans 2012 Moteur thermique

Super condensateur

AUDI Le Mans 2012 Moteur thermique

Volant d’inertie

La voiture du futur

- Pourquoi ne peut on pas continuer ainsi? Les stratégies

0 50

100 150 200 250 300 350 400

1900 2000 2100 2200 2300

World Energy Needs

Fossil Energies

Billions

- Les évolutions de l‟automobile

- Les nouveaux modèles de mobilité

- La voiture électrique à batterie et à pile à Hydrogène

- mais que fait le CEA ? La recherche et les démonstrateurs

Les Nouvelles (? )Technologies pour l’Energie

Volta 1800

Grove 1839 PAC

Becquerel 1850

PV

Jules Vernes 1828

H2

Piles à combustible : les voitures électriques de

seconde génération ?

Stockage d‟énergie

Hypothèses Bouteilles industrielle

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 (2.7 l) 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

L’énergie embarquée de la Nissan Leaf : quels

équivalents ?

Baisser coût des batteries , augmenter durée de vie, densité d’énergie

Véhicules électriques

Moteur électrique : des rendements élevés avec

suppression de boite de vitesse !

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

« Moteur roue »

pour de nouvelles architectures innovantes de véhicules

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

Rendement des centrales électriques

Réacteurs EPR : 36 %

Centrales fuel ou charbon : 40 %

Distribution : 92 %

Fabrication du véhicule 6 tonnes de CO2

Rejet échappement : 20 tonnes de CO2

Bilan CO2 « du puits à la roue » : ne pas oublier le

CO2 pour fabriquer l’électricité !

30

Offre actuelle: performances « constructeurs ! » ventes 7000 véhicules en 2012 Incentives 7000 euros 2013

• Renault Fluence 19 300 € + 79 €/mois 185 km

• Renault Twizy Z.E 5.400 € + 45 € 115 km

• Kangoo Z.E. 13.000 € HT + 72 € 170 km

• Peugeot iOn, Citroën C-Zéro, Mitsubishi i-MiEV 28.350 € 150 km

• Nissan Leaf 28.990 € 160 km

• Smart Fortwo ED 28000 € 135 km

• Tesla S 93.000 € 400 km

Homologation quadricycles lourds

• Mia electric 13.920 € 90 km

• Microcar M.Go electric 19350 € 140 km

• Mega lithium 18.760 € 100 km

• REVA i 8900 € 80 km

• SimplyCity SC4P 10.990 € 80 km

• Tazzari Zero 19.900 € 140 km

Blue car éà& »

ZOE 13 700 euros

Location batteries

79 euros /mois

150 km autonomie

Bolloré 12 000 euros

Location batterie

80 euros/ mois

150 km

2013

1millions de prises

électriques en 2020?…

Bilan 2013 : Voitures électriques

un bilan contrasté

Ghosn « 1.5 millions de voitures électriques en 2016 ! »

2013 : Objectifs repoussés de 5 ans !

France : VE 0.5 % du marché, double tous les ans N 1 Europe

Nissan Leaf 85 000 vendues dans le monde (voiture la plus

vendue en Norvège)

Stratégie gagnante : attaquer le marché par le haut ?

Tesla : 20 000 voitures vendues 2013 prix 60 à 80 000

euros + lancement de stations super charger

BMW i 3 ( 170 CV) (existe avec « range extender »)

2030 2010

Electrique 10 %

Hybrides rechargeables 22 % Thermique 99.9 %

Ventes véhicules Ademe

Distribution de H2

H2

Fatal

Biogaz Hydro

L’hydrogène : vecteur énergétique du

futur ?

Production H2 sans CO2

Bateau ZERO CO2 H2

L’ avenir de la voiture électrique : 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 limitant :

- Nécessite réseau H2 (pour un usage grand public)

- Nécessité de lancer la fabrication

en série pour diminuer les coûts

- Disponibilité des véhicules encore réduite

Stations Hydrogène

http://www.h2stations.org/

400 stations H2 Allemagne 2023

Hambourg projet

Vattenfall

750 kg H2 (obtenu par

solaire et éolien) par jour

20 bus + voitures

Véhicules électriques à Piles à hydrogène industriels

Mercédes Benz production industrielle 2017

Honda disponible

en Californie 600 $ /mois

Hyundai iX 35 H2 2013

lancement industriel

2 à Grenoble depuis décembre

SymbioFcell Prolongateur

d‟autonomie

En production

2013 accord industriel Toyota Nissan-Renault Daimler et BMW

Pour développer industriellement les Piles à H2

Toyota production

industrielle 2017

Very sensible to energy price (Oil & kWhe). Hypothesis from IEA/WEO (2

Convergence rapide des TCO ( coûts de possession) dès 2020

pour : les moteurs thermiques, les piles a combustibles,

les Véhicules électriques et les hybrides « plug in »

La voiture du futur

- Pourquoi ne peut on pas continuer ainsi ? Les stratégies

0 50

100 150 200 250 300 350 400

1900 2000 2100 2200 2300

World Energy Needs

Fossil Energies

Billions

- Les évolutions de l‟automobile

- Les nouveaux modèles de mobilité

-La voiture électrique à batterie et à pile à Hydrogène

- mais que fait le CEA ? La recherche et les démonstrateurs

Transports conventionnels

- Pétrole : approvisionnement

- Congestion urbaine

- Santé accidents

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 Energie +Economie circulaire

NTIC : Nouvelles technologies pour l’information

et la communication

Démonstration à l’échelle 1 evaluation de usages et des technologies

Transition énergétique et Transports

urbains interurbains

Futur :

Transport Propre Sûr

Intermodal Interopérable

2012 :

Connecté

Les transports dans le « mix énergétique à l’horizon 2030

Interconnection des Réseaux / importance du stockage »

Infrastructure de charge : un point clé pour le

déploiement des véhicules électriques

Recharge rapide : un réel challenge

- haut niveau de puissance nécessaire, coût

- connection imprévisible sur le réseau !

- France : 95% des trajets journaliers font moins de 35 km ,

Excepté « le week end »

90 % des recharges se font « au domicile»

Une batterie de 15 kWh est chargée

- 2 heures (7.5 kW)

- 30 mn (30 KW)

- 7.5 mn (120 kW)

90kW Essence « plein » 1 mn 20 MW !!

France : 7000 bornes 2013

L‟Europe choisit le

standard allemand !

L’avenir :

Recharge par induction en statique

et dans certains cas en dynamique !

Les bornes de recharge : la guerre des standards!

CHAdeMO standard de charge rapide

10 milliards d‟euros pour l‟Europe 100 000 bornes par pays

Vers des prises « multiples

dans le monde » ….

Impact des VE: Scenario Grid / VE en France (75 % nucléaire)

VE 2020 1% de la consommation totale (2 millions véhicules)

consommation

nationale

Demande de puissance en fonction de l‟heure de la journée

Consommation locale

Difficile à gérer !

Quelques exemples « Vehicle-to-grid »

Une opportunité de lisser le réseau

10 kWh pour 60 km

Eolien mondial en 2012 : Energie produite : 550 TWh

= 10 000 km/an pour 20 % du parc automobile mondial.

Puissance installée : 326 GW

= recharge de 6 % du parc automobile mondial.

Solaire PV 150 m2

12 places

135 000 km/an

Projet Audi

Prévisions Mix 2050 : surplus de 15% de la

production d’électricité à gérer. Une solution P2G

« power to gas » Interconnection électricité gaz

modélisations, la production

d’hydrogène ou de méthane

synthèse pourrait atteindre 20

TWh/an, soit près de 7% des

consommations de gaz

naturel en France.

source : GRTgaz – E-Cube

Favoriser l’économie circulaire : la sécurisation des ressources

l’exemple du lithium pour les batteries

Salar d'Atacama - Chili : Chemetall

(2nd producteur mondial )

2030 : 10% du parc VE = 20%

production mondiale de lithium

* Source : Critical metals in the Path towards the Decarbonisation of the EU Energy sector, JRC, 2013

L’après vie automobile :

- 2eme vie : stockage stationnaire

- Recyclage si :

- réglementation (ex VHU)

- « Business modèle » rentables

Attention risques pour certains éléments :

Si Pb Criticité ou règlementation « Reach »

Début de la rupture culturelle : Développement progressif

des services, transports collectifs, modes doux

Longue distance Urbain

2010 2010 2030 2030

55 %

75 % 68 %

30 % 25 %

12 %

54 %

Référence ADEME Covoiturage auto partage

- Co voiturage Auto partage, 100 000 voiture en Europe

15 millions en 2020 co voiturage

- Mise à disposition de véhicules exemple « Autolib » Bolloré, Paris,

Lyon, Bordeaux, US Indianapolis, Asie

- Toyota EDF CEA Grenoble…

La mobilité du futur

- 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

La mobilité du futur

Modèle « Google » : 20??

Ville “intelligente et durable” systémes et capteurs

- Management Energie

globale recharge véhicules

- Communication :

véhicule / véhicules

véhicules /grid

- Relevés des datas

- Sécurité

- Déploiement

La voiture du futur

- Pourquoi ne peut on pas continuer ainsi? Les stratégies

0 50

100 150 200 250 300 350 400

1900 2000 2100 2200 2300

World Energy Needs

Fossil Energies

Billions

- Les évolutions de l‟automobile

- Les nouveaux modèles de mobilité

-La voiture électrique à batterie et à pile à Hydrogène

- mais que fait le CEA ? La recherche, les démonstrateurs

et les transferts de technologie

Transports conventionnels

- Inconvénients

- Pétrole : approvisionnement

- Congestion urbaine

- Santé accidents

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 Energie / Economie circulaire

NTIC : Nouvelles technologies pour l’information

et la communication

Démonstration à l’échelle 1 evaluation de usages et des technologies

R & D pour

l’énergie nucléaire

Recherche

fondamentale

progammes pour la défense

Recherche Technologique

Pour l’industrie

Micro-nanotechnologies

for information and

communication New technologies for energy

and nanomaterials

Embedded and

Interactive Systems

- 16 000 employés

- Budget: 4.2 milliards €

- 700 brevets / an

- 190 start up créées depuis 1985

Quatre secteurs de recherche complémentaires

Production d’électricité

Centralisée

- Nucléaire

Distribuée

-photovoltaique

-thermodynamique

Adaptation de

l’offre à la demande

Smart grids

Batteries

Electrolyse HT

H2

Biofuel 2G. 3G

Nouvelles applications

de l’électricité

Hybride

Véhicules électriques

convergence

“transport /habitat”

Contrôle en

direct

Stockage

Stockage

distribué

CEA “Définir la stratégie pour aller vers des énergies propres”

GIANT : démonstration à l’échelle 1

« mobilité innovante et durable »

40 000 personnes

Un site “carbone neutre”

Basse consommation

Mobilité “carbone neutre”

Les « usages »

Les décisions stratégiques actuelles auront un impact considérable

sur l‟avenir et la compétitivité des différents pays :

1 La politique énergétique tournée vers le nucléaire et ENR implique

l‟électrification du parc automobile. 2 éléments majeurs :

- batteries ( Corée, Japon, Chine sont leaders )

- Pile à combustible /H2 :Japon, Corée, Allemagne, US France ???

2 La santé publique : on n‟a plus vraiment le choix

3 Des sociétés comme Google se placent en leaders des opérateurs

de la mobilité du futur qui vont générer les nouveaux concepts

et générer des bénéfices énormes. Quid des acteurs français ?

Mobilité « un point crucial du développement

de la planète »

Le futur : compatibilité avec la

performance & le plaisir de conduite !

GREEN GT 300km/h

« Pile à Hydrogène » 360 KW

Merci pour votre attention