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La route solaire hybride Un élément au cœur de la Route 5e Génération

Nicolas Hautière IPEF - Chercheur Sénior HDR - Directeur du projet R5G

COTITA IdF, 10 mai 2016

Contributeurs scientifiques, techniques et administratifs (par ordre alphabétique) : Sarah Asfour, Fabrice Blaineau, Frédéric Bernardin, Jean-Eric Bourée, Stéphane Bouron, Frédéric Bourquin, Sébastien Buisson, Emmanuel Chailleux, Jean Dumoulin, Jean-Philippe Gourdon, Alain Grosseau, Ferhat Hammoum, Joëlle Labarrère, Bérengère Lebental, Nicolas Le Touz, Mario Marchetti, Jean-Luc Manceau, Jean-Michel Piau, Andrea Themeli.

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Plan de la présentation

1. Défis sociétaux et problématique

2. Quelles opportunités ?

3. La route solaire hybride

4. De l’invention à l’innovation

5. Vers une R5G à Marne-la-Vallée

6. Conclusion et perpectives

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Défis sociétaux et Problématique 1

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Les grands défis sociétaux

Défis planétaires Santé Eau Energie Education Environnement Sécurité Pauvreté Alimentation

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Défis spécifiques Meilleure sécurité et sûreté Moins cher Meilleure gestion du trafic Emprunte environnementale

minime Intégrant les TIC Permettant l’essor des

nouvelles mobilités Accessible à tous Résiliente aux effets du

changement climatiques

La route doit faire face à l’ensemble de ces enjeux !

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Vers un changement de paradigme ?• 1ère génération – Le chemin

• 2ème génération – La route pavée romaine

• 3ème génération – La route revêtue

• 4ème génération – L’autoroute

• Que sera la 5ème génération ?

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Quelles opportunités ? 2

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Transition écologique

• Les progrès dans le domaine des matériaux permet de concevoir des surfaces routières :

• Modulaires • Préfabriquées• A longue durée de vie• Autonettoyantes• Auto-cicatrisantes• Silencieuses• Recyclées• Dépolluantes• Biosourcées• Thermochromes

ANR CLEANRD117 St Philbert (CG 44)75 m de EHFG + 75m de EHFR,2x2 voies à 110 km/h

IFSTTAR imagine l’ère post-pétrole à travers le projet ALGOROUTE sur les bio-bitumes.

ADEME ODSURFModélisation et construction de la

surface optimale dense et silencieuse

Chaussée à structure réservoir pour l’écrêtage des crues éclairs

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Transition numérique

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Communication V2V

Communication V2I

Centre de gestion de la mobilité

Centre de gestion de la maintenance

Centre de gestion de la sécurité

Communications I2I

UBR

Membrane intelligente

Plate-forme Pégase A10/A11 Vinci Autoroutes

Nanoasphalte

Unité Bord de Route ITS’09, Stockholm

BoitierPégase

Liaisondistante

Sectioninstrumentée

Boitier EMMA2Projet SVRAI

Réseaux de fibre optique

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Transition énergétique• Production locale d’ENR

• Smartgrids

• Electrification routière

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Film PV Transparent asphalt

classical asphalt

Route solaire photovoltaïque

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La Route solaire hybride 3

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Concept – Route à énergie positive

• Une surface de 3 100 km2 de panneaux solaires avec un rendement de 15 % est nécessaire pour couvrir les besoins français en électricité.

• En France, les sols revêtus représentent une surface de 17 000 km2 (routes et parkings), soit la surface de l’ancienne région Basse-Normandie.

• Transformer les 17 000 km2 de sols revêtus en surfaces photovoltaïques permet de produire 5 fois la consommation électrique française.

• Réciproquement, il suffirait de transformer ces sols revêtus en panneaux photovoltaïques avec un rendement 2,5 % pour couvrir les besoins français en énergie électrique.

• En transformant ces mêmes surfaces en panneaux solaires thermiques, on pourrait couvrir trois fois l’énergie nécessaire pour le chauffage résidentiel en France.

• Outre les fonctions de production de chaleur et d’électricité, ces mêmes surfaces revêtues peuvent également servir de solution de stockage d’énergie.

Source : http://www.soltis.be

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Etat de l’artRoute solaire thermique

• Du tablier de pont dégivrant

• À la route chauffante

• De la solution préfabriquée

• À la seconde peau

Route solaire photovoltaïque

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1ère innovation – Mise au point d’une couche de liaison poreuse pour la route solaire thermique

• L’innovation consiste à substituer le serpentin pour une couche d’enrobé poreux

• La pente de la chaussée permet la circulation du fluide dans la route

• Cette solution permet d’améliorer le cycle de vie des chaussées chauffantes, notamment en phase de déconstruction, donc de diminuer leur coût.

• Démonstrateur réalisé à l’automne 2014

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Démonstrateur Egletons – EATP-CEREMA-IFSTTAR

Travaux effectués en étroite collaboration avec le CEREMA (thèse de doctorat Sarah Asfour - Liban)

Couche poreuse

Pente transversale (quelques %)

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2ème innovation – Mise au point d’un revêtement semi-transparent pour la route solaire

photovoltaïque

• Formulation d’un matériau routier à partir de granulats de verre et d’un liant à base résine d’époxy (3,5 %).

• Procédé constructif analogue à une chaussée classique

• Matériau adhérent • Rendement de l’ensemble BBTM+PV

actuellement mesuré à 70 % Travaux effectués en collaboration avec le Laboratoire PICM (UMR Ecole Polytechnique et CNRS)

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Andrea Themeli (Albanie), Post-doctorant – IfsttarMartin Pires-Sablayrolles (Brésil), Stagiaire M1 Génie Civil, Université Saint-Nazaire

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Solution intégrée innovante – Route solaire hybride• Mise au point d’un modèle 2D

des échanges thermiques• Création d’un effet de serre sous le revêtement semi-transparent

• Deux conséquences :

• La circulation du fluide caloporteur permet d’optimiser le rendement des cellules PV en les refroidissant

• Le fluide est potentiellement réchauffé plus vite par concentration de chaleur sous le revêtement semi-transparent.

Nicolas Le Touz, Stagiaire M1, Ecole Centrale NantesAujourd’hui doctorant Ifsttar

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Nicolas Le Touz and Jean Dumoulin, “Numerical study of the thermal behavior of a new deicing road structure design with energy harvesting capabilities”, EGU 2015, Vienne, Autriche, 12-17 avril 2015

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Démonstrateur réalisé pour la COP 21

• Ce démonstrateur est composé d'un empilement de matériaux et différents composants remplissant chacun une fonction précise :

• La couche de roulement, composée d'un enrobé semi-transparent à base de granulats de verre, permet de recueillir le rayonnement solaire et possède une adhérence compatible avec la circulation des véhicules.

• Des capteurs solaires, placés sous la couche de roulement, permettent ensuite de produire l'énergie électrique nécessaire pour faire fonctionner la pompe d'équilibrage entre les deux bassins amont et aval. 

• Une couche de liaison poreuse, placée sous ces capteurs solaires et circulée par un fluide, permet de collecter sous forme d'énergie thermique la partie non utilisée du flux lumineux émis par la lampe solaire.

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16©MEDDE

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Gisements d’innovation (I)

Viabilité des chaussées

• Viabilité hivernale

• Viabilité estivale

Climatisation urbaine

• Lutte contre les îlots de chaleurFig. 3: les températures nocturnes en Aout 2003 et en Aout 2000 © Météo-France

Fig. 4: l’importance de la durée dans la dangerosité (image extraite de l’article de Cadot et Spira, 2006)

Fig. 5: La rue de la Buire, à Lyon, a été pourvue de buses qui vaporisent une fine lame d’eau sur la chaussée, lors des fortes chaleurs.

Fig. 1: 15 octobre 2015 : Poids-lourds bloquant l’accès au col du Galibier pourtant interdit aux plus de 19t.

Fig. 2: 3 juillet 2015 – Phénomène de ressuage de chaussées sur les routes de la Meuse, entrainant des risques de perte d’adhérence.

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Gisements d’innovation (II)

Climatisation urbaine• Alimentation des réseaux de chaleur/froid

• Vers un smartgrid électrothermique basse température ?

Electricité

• Eclairage dynamique

• Recharge de véhicule électrique

Fig. 1: Prototype de plot autonome. © Projet Européen INROADS

Fig. 2: Image issue de la simulation de conduite impliquant les plots lumineux pour alerter les conducteurs en approche de virage

Fig. 3: Piste de recharge par induction. Projet européen FABRIC. © ITE VEDECOM

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Perpectives

Recherche

• Pilotage du système

• Optimisation du stockage de l’énergie produite

• Vieillissements mécanique et optique

• Suivi de l’impact environnemental

Développement et innovation• Transfert industriel

• Optimisation du point de vue technique

• Des formulations de matériaux• Des procédés constructifs• Des rendements énergétiques si besoin

• Réassurance des gestionnaires de voirie

• Expérimentation en site contrôlé• Expérimentation en condition réelle

Besoin d’un cadre plus propice à l’innovation routière 24/01/2017 19

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De l’invention à l’innovation 4

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In-built lane and vehicle direction information and, systems to power

vehiclesIntegrated

driver/maintenance information system

Measures own Condition

Heat storage and energy harvesting

Built-in flood resistance

Pre-fabricated Carbon free construction

Instant crack repair

Recycled materials

Bolt-on lanes and road Infrastructure

Snow and ice dispersing

In-built electronic vehicle guidance systems

Carbon Capture Planting & Devices

La

FORE

VER

OPE

N

ROAD

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FOR - Une alliance internationale

• Une alliance impulsée par le TRL (UK) et le RWS (Pays-Bas)

• Une alliance forgée autour de programmes nationaux• Die Strasse im 21. Jahrhundert porté par la BAST

(Allemagne)• Ferry Free E39 porté par (Norvège)• Exploratory Advanced Research porté la FHWA

(USA)• Route 5e Génération porté par l’IFSTTAR (France)

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Une inscription au sein de l’agenda de recherche Européen et International

• ERTRAC SRA 2010• Infrastructure for green vehicles• Climate change resilient transport• Long distance freight transport

• FP7• HORIZON 2020 Smart, green and integrated

transport • CEDR transnational research programme• EN+ INFRAVATION

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Une inscription au sein de l’agenda de recherche National

• Stratégie scientifique et COP IFSTTAR • Accord-cadre IFSTTAR avec le monde

économique• Projet stratégique des pôles de

compétitivité• MOV’EO• ADVANCITY• LUTB• iTRANS

• Inscription indirecte au sein du PIA• ITE VEDECOM et EFFICACITY• IRT Railenium et SystemX• Equipex SENSE-CITY• ADEME MOV’EO TREVE

• Inscription directe au sein du PIA2• ANR ISITE FUTURE porté par UPE

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Une inscription institutionnelle en 2015

• Stratégie nationale de transition écologique vers un développement durable 2015-2020

• Mesures 31c et 31d de la Feuille de route 2015 issue des trois tables rondes de la conférence environnementale

• Projet de loi de transition énergétique pour une croissance verte

• Convention d'engagement sur les réseaux routiers innovants pour la transition énergétique du 20 avril 2015 signée entre le Ministère de l'écologie, la FNTP, l'Usirf et l'Idrrim

• Appel à projet Route du futur publié par l’Ademe en juillet 2015.

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Vers des démonstrateurs phares ? • Réaliser des démonstrateurs à l’échelle 1 pour démontrer la synergie entre

composants et proposer une route acceptable.

• Passer d’une approche sectorielle de RDI à une approche intégrée.

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La Route 5e Génération dans les

territoires – Seine-et-Marne 524/01/2017

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Régénération de l’A199 à Marne-la-Vallée – Projet Eco-cité• Enjeux liés au territoire :

• L’A199 est une autoroute française de 5,3 km ouverte en 1974 mais jamais terminée

• Elle est très largement sous-utilisée mais impacte néanmoins négativement les riverains

• Elle a été reclassée en route départementale en 2006 et pourrait devenir d’ici quelques un boulevard urbain

• Les travaux d’aménagement sont inscrits dans le SDRIF Île-de-France 2030 et pourraient inclure la réalisation d’un TCSP entre Noisy-le-Grand et Torcy

• Objet du projet : développement d’un démonstrateur de Route 5ème Génération permettant de progresser par « l’innovation servicielle » sur l’acceptabilité

économique, environnementale et sociale des infrastructures linéaires de transport.

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Source : Atelier Lion associés

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Régénération de l’A199 à Marne-la-Vallée - Projet Eco-cité Vue d’ensemble

Réseaux intégrésDéchetsEaux uséesRéseau de froidRéseau de chaleurEau potableEaux valorisées

Dalles piézoélectriques

Piste cyclable solaire

Panneaux solaires organiques

Unité de bord de voie

BHNS en site proprerechargé par l’infrastructure

Recharge statique sans contact + stockage

d’énergie

Télécommunications sans fil

Echanges thermiquesréversibles

Couche de roulement poreuse,

silencieuse et dépolluante,

potentiellement issue de la biomasse

Réseaux intégrésRéseau de froidRéseau de chaleurEaux valoriséesEnergie électriqueFibre optique

Corps de chaussée à structure réservoir

Structure modulaire décarbonée et préfabriquée

Signalisation horizontale dynamique

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Conclusion et perspectives 6

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Conclusion

• La route fait face à de nombreux défis, dont ceux des transitions énergétiques et écologiques

• Les centres de recherche regorgent d’inventions pour y faire face

• La route solaire fait partie de ce panorama de solutions

• L’Ifsttar et ses partenaires ont développé une route solaire hybride capable de produire de l’électricité et de la chaleur.

• L’écosystème permettant de transformer cette invention en innovation est en train de se constituer tant au plan national qu’au plan international

• La problématique est désormais inscrite au plan institutionnel, suite à l’appel à projets géré par l’Ademe sur la route du futur et financé par le programme des investissements d’avenir

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Perspectives

• Pour pouvoir circuler sur une route solaire hybride, il faut réussir à lever différents verrous scientifiques

• Formulation des matériaux• Procédé industrialisable de construction• Vérification du vieillissement mécanique

et optique

• Sur ce sujet, l’Ifsttar et ses partenaires• continuent d’investir sur fonds propres,• ont initié un projet de transfert industriel• envisagent la création d’un réseau de

formation initiale au plan européen.

• En parallèle, l’Ifsttar dialogue avec différents maîtres d’ouvrage pour tenter l’aventure de l’expérimentation grandeur réelle.

• C’est notamment le cas du territoire innovant de Marne-la-Vallée, où le projet d’Eco-Cité intègre la réalisation d’un démonstrateur R5G sur une portion de l’ancienne autoroute A199.

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