L’avenir de l’automobile

Joel Danroc

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

1896 Invention « Tricycle Benz »

Moteur gaz

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

- moteurs électriques, 67 CV

- batteries Fulmen,

- Carroserie aluminium

Après 1900 « Ere Pétrole »

L‟avant pétrole : une courte période

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

Une rupture technologique majeure

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

voyageurs » Michelin

Rencontre

Pétrole/Moteur combustion interne

Quelques éléments marquants

Succès de l‟automobile :

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

1974 Premier Choc pétrolier

1990 Début des 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 : les voitures du futur des années 50 / 60

CADILLAC « Cyclone »1959

« Etoile Filante » Renault à turbine 314 km/h

FORD « nucléon »1958

Salon de l‟auto 1960

SIMCA « Fulgur »

Une anticipation SIMCA

La voiture du futur

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

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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 ?

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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,

pb de sécurisation d‟apprivisonnement

- Population :

- va passer de 6 milliards à 9 milliards

en 2050

- devient à 80 %urbaine

- 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

Part de la production énergétique mondiale

par source - 2003

Pétrole 41 %

Gaz 21 %

Charbon 21 %

Nucléaire 7 %

Hydraulique 3 %

Traditionnelle 6 %

Energ

ies

non

ren

ouvela

ble

s 9

0 %

Biomasse 0,4%

Eolienne 0,04%Géothermique 0,12%

Solaire 0,009%

Quantités et réserves d‟énergie

Une réserve infinie de croissance pour le solaire

SOLAIRE

Les bio carburants : Manger ou se

déplacer ?

Réchauffement climatique :

1 Kg de Veau 220 Km en voiture

Elevage, Transport, Découpe

Chaîne du froid, Aliments

Méthane (digestion animale)

Culture pour alimentation

ou carburant ?

CO2

Biomasse 3 Génération

3 Génération

Déchets

Bois déchets bois

Cultures énergie

Déchets agricoles

Cultures sucres

Cultures oléagineux

µ-algues (3G)

2 Génération

1 Génération

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

19

Trainée, puissance, énergie

30 km/h la puissance nécessaire 5 kW

60 km/h 12 kW 120 km/h 35 kW 180 km/h 82 kW Evolution non linéaire !

Moteur thermique -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

Meilleur rendement

197 g/kWh = 40 %

110 km/h stabilisé (18 kW) :

260 g/kwh = 30 %

200 kg

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

- Boites de vitesse automatiques 8 rapports

- Augmentation des performances :

Puissance spécifique : 1975 50 cv/ litre de cylindrée

2010 130 cv/ litre F1:800cv/litre)

- Diminution de la consommation

- Diminution de la pollution

Les grandes lignes de recherche

- Diminuer la masse des voitures : 2CV 600kg (1975) Clio

1100 kg (2011)

2012 :diminution de 100 kg (208) à 400 kg par véhicule (ex

Range rover). Matériaux aluminium, composites

Sécurité :

- Passive : structures carrosserie, airbag

- Active : suspension ESP

- Connection : sécurité informations accidents traffic…

- Diminuer la consommation et la pollution : gestion moteurs choix

d‟activation d‟un nombre de cylindres (VW 2 cylindres sur 4)

- pot catalytique (complexes et chers)

- hybridation électrique

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 20 % de la valeur du véhicule)

Nanotechnologies pour l’électronique dans les véhicules

Average Semiconductor/Vehicle

0

50

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400

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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

26

Less energy consumption:

what contributes how much ?

10 % reduce weight

2 % lower suspension,

Complete, smooth

underbody coverage

1 % tires with low

rolling resistance

5 % automatic gear-

box; 8 stages; start-

stop

3 % thermo-

management

Less losses through

optimised control 1 % manual gear-box

Greater ratio; low

friction bearings

2 % better cw-value;

less front area

10 % motor technology,

variable valve control,

direct injection, less

friction losses

20 % downsizing;

smaller motors; turbo;

electric boost;

5 % leight weight

materials

High resistance steel <1 % rear axle

gear boxes with

lower friction and

greater ratio

Source: AutoMotorSport 9/2010

Improvements with electronics contribution

20 to 30 % de reduction d’énergie (nanotechnologies /électronique)

Vers l’électrification progressive des véhicules

Hybride classique 4 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

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

Stockage d‟énergie

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 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

Rendement d‟un moteur électrique

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

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

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

CO2 pour fabriquer l’électricité !

« Vehicle-to-grid »

10 kWh pour 60 km

Eolien en 2011 :

Energie produite : 480 TWh

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

Puissance installée : 240 GW

= recharge de 6 % du parc automobile mondial.

Solaire PV

150 m2

12 places

135 000 km/an

36

Offre actuelle • Renault Fluence 21 300 € + 79 €/mois 185 km

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

• Kangoo Z.E. 15.000 € HT + 72 € 170 km

• ZOE 15.700 € + 79 € 200 km

• Peugeot iOn, Citroën C-Zéro, Mitsubishi i-MiEV 30.350 € 150 km

• Nissan Leaf 30.990 € 160 km

• Smart Fortwo ED 30.000 € 135 km

• Tesla Roadster 95.000 € 400 km

Homologation quadricycles lourds

• Mia electric 15.920 € 90 km

• Microcar M.Go electric 21.350 € 140 km

• Mega lithium 20.760 € 100 km

• REVA i 10.900 € 80 km

• SimplyCity SC4P 12.990 € 80 km

• Tazzari Zero 21.900 € 140 km

Bonus écologique de 5000 € déduit

Distribution de H2

H2

Fatal

Biogaz Hydro

L’hydrogène : vecteur énergétique du

futur ?

H2 produit sans CO2

Production H2 sans CO2

Bateau ZERO CO2 H2

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 limitants :

- Nécessite réseau H2

- Nécessité de lancer la fabrication

en série pour diminuer les coûts

- Disponibilité des véhicules encore réduite

Stations Hydrogène

http://www.h2stations.org/

France isolée du nuage H2?

Hambourg projet Vattenfall

750 kg H2 (obtenu par

solaire et éolien) par jour

20 bus + voitures

Programme allemand H2 mobilité

le stations hydrogéne

Véhicules électriques à Piles à hydrogène industriels

Mercèdes Benz production industrielle 2014

Honda disponible

en Californie 600 $ /mois

Hyundai 2015

lancement industriel

SymbioFcell Prolongateur d‟autonomie

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

- 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

Nouvelles technologies pour l’information et la

communication

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

Transports multi modaux intermodaux

- Co voiturage Auto partage, 50 000 voiture en Europe 720 000 adhérents

15 millions en 2020 co voiturage

-Mise à disposition de véhicules exemple « autolib » Bolloré,

3000 voitures 1000 recharges 40 000 abonnés

-Toyota EDF

Modèle « Google » 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

Ville “intelligente et durable” systémes et capteurs

- Management Energie

Globale recharge véhicules

-Communication véhicule /

véhicules

Véhicules / communications

- 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 et les démonstrateurs

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

- 15 000 employès

- Budget: 4 milliards €

- 500 brevets / an

- 150 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

Nouvelles applications

de l’électricité

Hybride

Véhicules électriques

convergence

“transport /habitat”

Controle en direct

Stockage

Stockage

distribué

Stratégie CEA : “vers des énergies sans effet de serre”

49

25 M€ investments

150 people

40 patents

6 000 m² dedicated rooms

La ligne pilote batteries du CEA

Quelques exemples de start up CEA

Batteries Lithium Production for

various applications

On demand

Small series

Design & Assistance

Of Energy System

Development For housing &

transportation applications

Piles à H2

production

Design & integration De 5 à 300 kW

Première usine à Grenoble de

Fabrication de systèmes

PAC H2 en Europe

Mondial de l‟auto 2012

Investissement 1.3 Billions € (2010-2016)

Impact économique: 4 Mds €

10 000 chercheurs

10 000 étudiants

10 000 emplois industriels

10 000 habitants

> 5 000 publications par an

> 500 brevets par an

GIANT Key Figures

GIANT : démonstration à l’échelle 1

« mobilité innovante et durable »

Espace Mobilité durable

& Démonstration transport

SolHyvert

Space sustainable mobility and transport innovative

R&D Builing

Contact par sol

Plug In

Induction

Contact aérien

Production

d‟hydrogéne

Production

d‟électricité

Tout type de véhicules

2 roues, LV, UV, Bus, Sport

Vers une mobilité intégrée :

Une plate forme transport innovante au coeur du site

Vision du projet Giant

Un site “carbone neutre”

Energie propre

Basse consommation

Mobilité “carbone neutre”

Biodiversité

- Différentes stratégies énergie NTE ; moteur thermique ,

hybride, électrique batteries, électriques piles à H2

-Innovation croissante grâce aux NTIC :

sécurité, conduite assistée navigation, information …

- Nouveaux concepts innovants : voitures, cybercars

- Nouvelles approches de la mobilité , nouveaux acteurs

- Nouvelles zones urbaines : convergence habitat transport

Smart grid

Le futur

Le futur : compatibilité avec la

performance & le plaisir de conduite !

GREEN GT 24 h Le mans 2013

Racing car « Pile à Hydrogène » 360 KW

300km/h

Merci à Marc Béranger pour une partie des slides

Merci pour votre attention