Les progrès de la science des matériaux font des routes électroniques une réalité

Il a été démontré que le secteur des transports contribue de manière significative au changement climatique mondial et aux émissions de CO2 [1]. Les véhicules électriques (VE) sont considérés comme d'une importance stratégique dans la transition vers une planète à énergie propre [2].

L'adoption des véhicules électriques promet d'apporter de nombreux avantages environnementaux, sociétaux et économiques tels que la minimisation des polluants atmosphériques, un air urbain plus propre, moins d'émissions sonores et une relance de l'économie [3]. Les véhicules électriques peuvent réduire considérablement la consommation d'énergie et les émissions de gaz à effet de serre, en particulier lorsque la source d'énergie est déplacée vers des sources d'énergie propres comme les énergies éolienne et solaire [4][5].

Les avantages d'une large adoption des VE semblent remarquables, mais les défis à l'acceptation générale restent importants. Bien que les véhicules électriques aient récemment été considérablement développés en termes de performances et d'autonomie, ils souffrent toujours de limitations telles que le poids, la taille et le coût des batteries, les réseaux d'infrastructure de charge petits ou inexistants, la longue durée de charge et leur coût relativement élevé. par rapport aux véhicules traditionnels [3].

La part de marché des véhicules entièrement électriques est encore faible dans de nombreux pays. www.openchargemap.org

Le développement des infrastructures des VE est un problème crucial à affronter pour parvenir à une large adoption des VE. Dans ce contexte, les routes électrifiées jouent un rôle important qui pourrait permettre de dépasser les limites de la diffusion des VE.

Limites des batteries des véhicules électriques

Afin de résoudre les limitations cruciales des VE, pousser plus loin le développement et l'optimisation des batteries VE semble être parmi les solutions évidentes. Mais supposons que les améliorations de la technologie des batteries réussissent, il reste encore d'autres défis liés au climat, à l'environnement ou à l'accès aux ressources qui doivent encore être dépassés.

Les préoccupations en matière de durabilité concernant les batteries des véhicules électriques doivent encore être entièrement résolues. Fondamentalement, il est important de comprendre si le lithium, le cobalt et le nickel, les métaux clés nécessaires aux batteries de traction Li-ion, peuvent être extraits de manière durable sans contredire l'hypothèse fondamentale selon laquelle les véhicules électriques sont un moyen de durabilité [6].

Par exemple, l'extraction du cobalt est principalement concentrée dans l'un des pays les moins avancés du monde, la République démocratique du Congo. Ce pays a une transparence limitée dans la chaîne de valeur du cobalt, au-delà des preuves solides de violations des droits de l'homme, de conditions de travail dangereuses, de travail forcé et de travail des enfants [7][8]. Les fournisseurs de lithium doivent tenir compte des considérations d'approvisionnement éthique. En outre, il n'est pas garanti que la demande de la batterie lithium-ion soit toujours couverte [9][10].

Technologies de recharge des véhicules électriques

Les améliorations technologiques concernent même les technologies de recharge des véhicules électriques. Les technologies actuelles de recharge des véhicules électriques pourraient être classées comme plug-in, conductrices et inductives.

La recharge enfichable peut charger presque tous les véhicules électriques existants, mais le véhicule électrique doit être garé et physiquement branché à une source d'énergie. D'autre part, avec la technologie de charge conductrice, le VE serait en contact avec les lignes électriques via un pantographe pendant qu'il se déplace, ce qui permet un transfert d'énergie élevé en peu de temps.

Dans la technologie inductive la plus récente, également connue sous le nom de transfert de puissance sans fil (WPT) , la puissance est transférée sans fil au VE via un couplage inductif pendant le trajet ou pendant les arrêts courts [2][11].
En bref, la technologie WPT pourrait être décrite comme suit :

• L'électricité du réseau envoie du courant à travers la bobine émettrice ;
• Le courant génère un champ magnétique ;
• Le champ magnétique induit un courant dans la bobine réceptrice, qui est accordée à la même fréquence ;

Bien qu'il ne s'agisse pas encore d'une technologie mature, le WPT pourrait surmonter de nombreuses limitations qui ont entravé la diffusion des véhicules électriques [12].

Chargement sans fil des véhicules électriques (adapté de Roberts et Zarracina, 2017)

La technologie inductive peut offrir de nombreux avantages, tels que [13] :

• Une autonomie accrue de la batterie, ce qui implique une anxiété d'autonomie réduite ;
• Des batteries plus petites et une charge plus rapide, ce qui implique une mobilité accrue ;
• Les conducteurs n'ont pas à s'occuper de câbles sales et potentiellement dangereux (pluie, câble, vandalisme, etc.) et le processus de charge est plus facile.

Tableau comparatif des trois technologies de charge communes aux VE

e-Roads pour la recharge sans fil

Les routes électriques (e-Roads) peuvent sembler n'être qu'une vision de science-fiction, mais elles se concrétisent plus rapidement que nous ne le pensons. Les e-Roads permettent, en théorie, de recharger sans fil un nombre illimité de véhicules électriques en mouvement, évitant ainsi les goulots d'étranglement sur les bornes de recharge [6].

Revêtements intelligents, récupération d'énergie, capteurs et autres supports. Concept et design par Studio Roosegaarde et les ingénieurs de Heijmans

La technologie WPT en champ proche mise en œuvre dans e-Roads peut fournir de l'électricité par induction à un dispositif récepteur, avec une puissance élevée mais une distance d'entrefer limitée. Des progrès significatifs en termes de puissance de charge, de distance de transfert, d'efficacité et de sécurité des systèmes WPT ont été réalisés au cours de la dernière décennie, faisant considérablement avancer sa mise en œuvre pratique [14]. De plus, le câblage des routes pour la recharge dynamique, à grande échelle, pourrait être plus durable que l'utilisation de grosses batteries dans une multitude de véhicules électriques [13].

Les technologies de construction de routes électriques sont en cours de développement, soit dans des installations in situ, soit dans des installations préfabriquées, et elles sont classées comme [15] :

• Voie en tranchée (construction sur couche souterraine ou à fleur de surface) ;
• Chemin de micro-tranchée (excavation en sous-surface uniquement) ;
• Remplacement complet de la voie (construction sur toute la largeur de la voie sur une couche souterraine ou affleurante) ;
• Largeur de voie pleine préfabriquée (couche souterraine ou affleurement en surface).

Les avantages potentiels des options de construction à base de tranchées et de micro-tranchées comprennent des périodes d'installation plus courtes (par rapport à la construction sur toute la largeur de la voie), un volume inférieur de déchets excavés et une facilité d'accès aux systèmes e-Road pour l'entretien [16 ].

Matériaux facilitateurs pour e-Roads

Les routes électriques deviennent une réalité grâce aux propriétés magnétiques de matériaux spécifiques qui permettent l'adoption du WPT comme système de recharge des véhicules électriques. L'utilisation de matériaux magnétisables, béton et asphalte, ouvre de nombreuses opportunités dans le secteur des transports [16].

La solution «Talga» et «Betotech» pour rendre le béton conducteur est possible en utilisant du ciment standard de l'industrie avec des ajouts de graphène vierge, de graphite et du sous-produit riche en silice du traitement du minerai [17]. Ce béton renforcé au graphène est hautement conducteur avec une faible résistivité électrique de 0,05 ohm-cm. À siccité similaire, le mortier de ciment a une résistivité générale étonnamment élevée d'environ 1 000 000 ohm-cm.

Images SEM de graphène (Mag =500x et 10 000x) (avec l'aimable autorisation de i.lab Italcementi)

Une alternative intéressante au graphène est la solution proposée par "Magment", qui consiste en des matériaux en béton magnétisables, à base de ciment ou d'asphalte, développés en utilisant des particules de ferrite magnétiques comme agrégats, qui acquièrent des propriétés magnétiques lorsqu'un courant électrique à haute fréquence est induit. Il s'agit d'une technologie brevetée qui maintient les propriétés mécaniques du béton conventionnel afin d'être entièrement compatible avec les pratiques de construction routière conventionnelles.

Le WPT a besoin de différentes couches magnétiques pour contrôler le champ magnétique, à la fois pour diriger le champ dans la direction du récepteur et pour le restreindre vers le sol.

En utilisant des métamatériaux techniques (MM), il est possible d'obtenir une efficacité supérieure de la bobine émettrice en manipulant les ondes électromagnétiques.

Classification des matériaux magnétiques (avec l'aimable autorisation de Magment.de)

Dans le cas particulier de la technologie de Magment, une couche de métamatériau diamagnétique (DM) est placée sous un substrat de béton magnétisable et une couche de focalisation de champ (FF) au-dessus de la bobine [17].

Efficacité par rapport à la distance entre l'émetteur et la bobine de détection pour différents véhicules électriques (avec l'aimable autorisation de Magment.de)

Ce béton est constitué à près de 87 % d'agrégats magnétisables qui sont des déchets issus de la fabrication des ferrites céramiques et du recyclage des déchets électroniques. Les ferrites sont des matériaux céramiques composés d'oxydes de fer de divers éléments métalliques très présents dans la nature tels que le manganèse, le zinc, le calcium et l'aluminium. Le côté positif remarquable est que les particules de ferrite sont principalement obtenues à partir de matériaux recyclés provenant de l'industrie de la ferrite et de la quantité croissante de déchets électroniques, bien que leurs propriétés électromagnétiques puissent être inconnues [18].

Installation de recyclage des déchets électroniques du Rwanda

Aspects technologiques des e-Roads

Les e-Roads sont structurellement plus complexes que les routes traditionnelles, notamment en raison de leurs dispositifs technologiques embarqués. La durabilité et l'entretien minimal des e-Roads sont des facteurs cruciaux pour la mise en œuvre des e-Roads. La surface de la route doit offrir une résistance mécanique élevée à la flexion ou à l'orniérage. Les routes en béton, avec une durée de vie de 50 à 60 ans, peuvent satisfaire la durabilité à long terme requise. Mais e-Roads nécessitera des recherches supplémentaires pour leur optimisation.

Les composants les plus importants des systèmes e-Road basés sur WPT sont les dalles de l'unité de charge (CU) constituées d'un module en béton et d'une électronique de puissance. Ceux-ci incluent un système de charge, tel que des bobines conductrices et des ferrites magnétiques.

L'amélioration de l'intégrité structurelle des e-Roads est d'une grande importance. Cela comprend l'utilisation de revêtements de haute qualité, de membranes ou de tissus anti-stress, de matériaux de joints de bouchons aux interfaces critiques, de matériaux renforcés et de la gradation de la couche d'asphalte [15][16].

Scénarios d'application

"New Deal, Les Routes du Futur du Grand Paris", CRA-Carlo Ratti Associati

La technologie de charge inductive, statique, stationnaire et dynamique, pourrait être adoptée dans une variété de scénarios d'application.

La technologie de charge statique pourrait être adoptée dans le stationnement des voitures, le stationnement des bus dans les gares routières et les véhicules de fret lors du chargement ou du déchargement. La technologie de recharge stationnaire pourrait être adoptée dans les taxis faisant la queue dans une station de taxis, les bus s'arrêtant aux arrêts de bus et les véhicules s'arrêtant aux carrefours. La technologie de recharge dynamique pourrait être adoptée sur les autoroutes et les routes urbaines avec des voies de recharge dédiées [2].

Le WPT s'avère être une technologie valable, car son adoption est très susceptible de se produire dans un avenir proche, en particulier dans les domaines des transports publics et de la logistique.

Le coût et l'autonomie des batteries sont toujours des limitations pertinentes dans l'adoption de la flotte de bus électriques et de véhicules de transport de marchandises. Cependant, ce type de véhicules suit toujours les mêmes chemins, afin qu'ils puissent profiter pleinement de la technologie de charge dynamique WPT. De plus, on estime qu'avec cette technologie, la dimension de la batterie pourrait être réduite jusqu'à 70%. Cela réduit par conséquent le poids total du véhicule et prolonge les performances de la batterie.

La recharge par induction alimente déjà des bus à Turin, en Italie, depuis 2003 et à Utrecht, aux Pays-Bas, depuis 2010. La Corée du Sud, Israël et l'Allemagne ont également mis en place avec succès le réseau de transport pour la recharge dynamique des bus électriques publics [12][13][ 19].

Alors que la Norvège se concentre sur la mise en œuvre d'une tarification dynamique pour le transport de marchandises lourdes sur de longues distances, considérant que l'électrification de 5 % des routes norvégiennes réduira près de la moitié des émissions des véhicules lourds [6].

"New Deal, Les Routes du Futur du Grand Paris", CRA-Carlo Ratti Associati

Les taxis doivent généralement être mis en file d'attente ou garés dans des endroits stratégiques des aéroports, des gares et des hôtels, pour n'en nommer que quelques-uns. La technologie plug-in oblige les taxis à se garer pendant plusieurs heures. La technologie sans fil pourrait surmonter avec succès cette limitation cruciale.

Oslo est sur le point de devenir la première ville au monde à mettre en place un WPT dynamique, permettant la recharge des taxis électriques alors qu'ils sont dans des files d'attente lentes aux stations de taxis [22][23].

De plus, dans le secteur de la logistique, des véhicules comme les chariots élévateurs électriques et les équipements d'assistance au sol (GSE) pourraient exploiter le potentiel du WPT sur des itinéraires sélectionnés sans avoir besoin de s'arrêter pour se recharger [14][17].

Différents projets de mise en œuvre d'autoroutes électrifiées sont en cours de développement dans différentes parties du monde, comme en Suède dans le cadre de la "Smart Road Gotland ” projet, et au Royaume-Uni grâce à Highways England de travail.

"New Deal, Les Routes du Futur du Grand Paris", CRA-Carlo Ratti Associati