Matériaux révolutionnaires rendant les e-routes durables une réalité

Le secteur des transports a été montré comme contribuant significativement au changement climatique mondial et aux émissions de CO₂ [1]. Les véhicules électriques (VE) sont considérés d'importance stratégique dans la transition vers une planète à énergie propre [2].

L'adoption des VE promet d'apporter de nombreux avantages environnementaux, sociétaux et économiques tels que la minimisation des polluants atmosphériques, un air urbain plus pur, moins d'émissions sonores, et un coup de pouce à l'économie [3]. Les VE peuvent réduire significativement la consommation d'énergie et les émissions de gaz à effet de serre, surtout quand la source d'énergie est déplacée vers des sources propres comme l'éolien et le solaire [4][5].

Les avantages d'une large adoption des VE semblent remarquables, mais les défis pour une acceptation générale restent significatifs. Bien que les VE aient été récemment significativement développés en termes de performance et d'autonomie, ils souffrent encore de limitations comme le poids, la taille et le coût des batteries, les réseaux d'infrastructure de recharge petits ou inexistants, la longue durée de recharge, et leur coût relativement élevé comparé aux véhicules traditionnels [3].

Le développement de l'infrastructure des VE est un enjeu crucial à affronter pour accomplir l'adoption large des VE. Dans ce contexte, les routes électrifiées jouent un rôle important qui pourrait permettre de surmonter les limites à la diffusion des VE.

Limitations des batteries des VE

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

Les préoccupations de durabilité autour des batteries des VE ne sont pas encore pleinement résolues. Fondamentalement, il est important de comprendre si le lithium, le cobalt et le nickel, les métaux clés requis pour les batteries de traction Li-ion, peuvent être extraits durablement sans contredire l'hypothèse fondamentale des VE comme moyen de durabilité [6].

Par exemple, l'extraction du cobalt est principalement concentrée dans l'un des pays les moins développés du monde, la République Démocratique du Congo. Ce pays a une transparence limitée dans la chaîne de valeur du cobalt, au-dessus de preuves solides de violations des droits humains, conditions de travail dangereuses, travail forcé et travail des enfants [7][8]. Les fournisseurs de lithium doivent adresser les considérations d'approvisionnement éthique. De plus, il n'est pas garanti que la demande en batteries lithium-ion sera toujours couverte [9][10].

Technologies de recharge des VE

Les améliorations technologiques concernent même les technologies de recharge des VE. Les technologies de recharge actuelles des VE peuvent être classées comme par prise, conductives et inductives.

La recharge par prise peut charger presque tous les VE existants, mais le VE doit être garé et physiquement branché sur une source d'énergie. D'un autre côté, avec la technologie de recharge conductive, le VE serait en contact avec les lignes d'alimentation via un pantographe pendant qu'il est en mouvement, ce qui permet un transfert d'énergie élevé en peu de temps.

Dans la technologie inductive plus récente, aussi connue sous le nom de Transfert de Puissance Sans Fil (WPT), la puissance est transférée sans fil au VE via couplage inductif pendant le trajet ou pendant de courts arrêts [2][11].
Brièvement, la technologie WPT peut être décrite comme suit :

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

Bien que ce ne soit pas encore une technologie mature, le WPT pourrait surmonter de nombreuses limitations qui ont entravé la diffusion des VE [12].

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

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

E-routes pour recharge sans fil

Les routes électriques (e-routes) peuvent sembler une simple vision de science-fiction, mais elles arrivent plus vite qu'on ne le pense. Les e-routes permettent, théoriquement, de recharger sans fil un nombre illimité de VE en mouvement, évitant ainsi les goulots d'étranglement aux stations de recharge [6].

La technologie WPT en champ proche implémentée dans les e-routes peut livrer inductivement de l'électricité à un dispositif récepteur, avec une puissance élevée mais une distance d'entrefer limitée. Des progrès significatifs en termes de puissance de charge, distance de transfert, efficacité et sécurité des systèmes WPT ont été réalisés au cours de la dernière décennie, poussant considérablement son implémentation pratique [14]. De plus, câbler les routes pour la recharge dynamique, à pleine échelle, pourrait être plus durable que d'utiliser de grosses batteries dans une multitude de véhicules électriques [13].

Les technologies de construction d'e-routes sont en développement, soit en installation in-situ, soit en installation par préfabrication, et sont classées comme [15] :

• Méthode par tranchée (construction sur couche de fondation ou affleurante) ;
• Méthode par micro-tranchée (excavation sur sous-couche seulement) ;
• Remplacement de voie complète (construction largeur de voie complète sur sous-couche ou affleurante) ;
• Voie complète préfabriquée (sous-couche ou affleurante).

Les avantages potentiels des options de construction par tranchée et micro-tranchée incluent des périodes d'installation plus courtes (comparées à la construction largeur de voie complète), un volume inférieur de matériaux excavés, et un accès facile aux systèmes d'e-routes pour la maintenance [16].

Matériaux habilitants pour les e-routes

Les e-routes deviennent une réalité grâce aux propriétés magnétiques de matériaux spécifiques qui permettent l'adoption du WPT comme système de recharge des VE. L'utilisation de matériaux magnétisables, de béton et d'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 avec des ajouts de graphène pur, de graphite et du sous-produit riche en silice du traitement du minerai [17]. Ce béton enrichi en graphène est hautement conducteur avec une résistivité électrique faible 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.

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

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

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

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].

Ce béton consiste en presque 87 pour cent d'agrégats magnétisables qui sont des déchets de la fabrication de ferrites céramiques et du recyclage de déchets électroniques. Les ferrites sont des matériaux céramiques composés d'oxydes de fer de divers éléments métalliques très présents dans la nature comme le manganèse, le zinc, le calcium et l'aluminium. Le côté remarquablement positif est que les particules de ferrite sont principalement obtenues par du matériau recyclé de l'industrie de la ferrite et de la quantité rapidement croissante de déchets électroniques, bien que leurs propriétés électromagnétiques puissent être inconnues [18].

Aspects technologiques des e-routes

Les e-routes sont structurellement plus complexes que les routes traditionnelles, surtout à cause de leurs dispositifs technologiques embarqués. La durabilité et la maintenance minimale des e-routes sont des facteurs cruciaux pour l'implémentation des e-routes. La surface de la route doit fournir une haute résistance mécanique à la déflexion ou à l'orniérage. Les routes en béton, avec une durée de vie de performance de 50-60 ans, peuvent satisfaire la durabilité à long terme requise. Mais les e-routes nécessiteront des recherches supplémentaires pour leur optimisation.

Les composants les plus importants dans les systèmes d'e-routes basés sur WPT sont les dalles d'unité de charge (CU) faites d'un module de béton et d'électronique de puissance. Celles-ci incluent un système de charge, comme des bobines conductrices et des ferrites magnétiques.

L'amélioration de l'intégrité structurelle des e-routes est d'une grande importance. Cela inclut l'utilisation de revêtements de haute qualité, de membranes ou tissus de soulagement de contrainte, de matériaux de joint à bouchon aux interfaces critiques, de matériaux renforcés, et de la gradation de la couche de roulement en asphalte [15][16].

Scénarios d'application

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

La technologie de recharge statique pourrait être adoptée dans les parkings, les parkings de bus aux stations, et les véhicules de fret pendant le chargement ou déchargement. La technologie de recharge stationnaire pourrait être adoptée dans les taxis faisant la queue à une station de taxis, les bus s'arrêtant aux arrêts de bus, et les véhicules s'arrêtant aux intersections. La technologie de recharge dynamique pourrait être adoptée dans les autoroutes et routes urbaines avec des voies de recharge dédiées [2].

Le WPT démontre être une technologie valide, car son adoption est la plus susceptible de se produire dans un avenir proche, surtout dans les domaines du transport public et de la logistique.

Le coût et l'autonomie des batteries sont encore des limitations pertinentes dans l'adoption de la flotte de bus électriques et de véhicules de fret. Cependant, ce type de véhicules suit toujours les mêmes parcours, donc ils peuvent tirer pleinement parti de la technologie de recharge 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 global du véhicule et prolonge la performance de la batterie.

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

Alors que la Norvège se concentre sur l'implémentation de la recharge dynamique pour le transport de marchandises lourdes sur de longues distances, considérant que l'électrification de 5 % des routes norvégiennes réduira presque de moitié les émissions des véhicules lourds [6].

Les taxis ont généralement besoin de faire la queue ou de se garer dans des endroits stratégiques des aéroports, gares et hôtels, pour n'en nommer que quelques-uns. La technologie par prise force les taxis à rester bloqués en stationnement 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 implémenter un WPT dynamique, permettant la recharge de taxis électriques pendant qu'ils sont dans des files d'attente lentes aux stations de taxis [22][23].

De plus, dans le secteur logistique, des véhicules comme les chariots élévateurs électriques et les équipements de soutien au sol (GSE) pourraient tirer parti du potentiel du WPT via des routes sélectionnées sans avoir besoin de s'arrêter pour charger [14][17].

Différents projets d'implémentation pour l'électrification des autoroutes sont en développement dans différentes parties du monde, comme en Suède dans le contexte du projet « Smart Road Gotland », et au Royaume-Uni en résultat du travail de Highways England.