Photovoltaïque et transports

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Le pétrole reste l’énergie primaire la plus consommée dans le monde et le secteur du transport apparaît clairement comme le secteur d’activité principal en matière d’utilisation de produits pétroliers. Dans un contexte où les ressources en énergies primaires s’amenuisent il est primordial de trouver des moyens afin de réduire cette consommation. De plus, pour le secteur des transports, très important émetteur de gaz à effet de serre, c’est un véritable défi de réduire les émissions lorsqu’on sait que les transports au cours des prochaines années vont croître considérablement.

Une des solutions, autrement que d’avoir recours aux biocarburants, est la mise en place de cellules photovoltaïques, qui permet d’assurer une certaine autonomie et de réduire la consommation de carburant. Cela permet également d’avoir un impact sur l’environnement, en ayant recours à des énergies renouvelables propres, et donc réduire les émissions de CO2.

Mais quels sont les différents types de panneaux solaires adaptés aux transports, comment les intégrer, et dans quelles mesures peut-on avoir un impact suffisant sur l’environnement et la réduction de la consommation ?

Nous allons, au travers de notre étude, présenter un projet issu des diverses formes de transport.

  • Pour le transport aérien, nous verrons le projet SolarImpulse, un avion monoplace alimenté uniquement par l'énergie solaire, qui peut voler de nuit comme de jour, sans carburant ni émissions polluantes.
  • En ce qui concerne le domaine maritime, nous étudierons le PlanetSolar, un catamaran qui a pour but de réaliser le premier tour du monde par le seul apport de l'énergie solaire.
  • Nous prendrons le TER solaire dans le cadre du transport ferroviaire en détaillant le type de cellules utilisées. Il s’agit ici pour ce projet de faire supporter aux panneaux l'éclairage et la climatisation des rames.
  • Pour le secteur automobile, après une introduction sur le mode de fonctionnement des voitures solaires et électriques, nous verrons dans un premier temps comment intégrer le photovoltaïque sur une voiture au travers d’exemples de voitures solaires conçues pour des courses uniques et nous verrons ensuite l’intégration du PV dans les voitures classiques. Enfin, nous verrons quelle forme de stockage est la plus adaptée à l’automobile.

Pour chaque projet étudié, nous regarderons en détail le type de panneaux et cellules photovoltaïque utilisées, ce qui justifie ces choix-là, les caractéristiques détaillées des panneaux mis en place (Poids, rendement, etc…), l’étude de l’autonomie énergétique, la forme de stockage, les délais de réalisation, l’aspect financier des projets ainsi qu’une comparaison par rapport à un transport classique.

Sommaire

L’énergie dans les transports : un véritable défi

L’énergie et les transports au cœur du développement

L'énergie et les transports sont indispensables au développement et à la croissance économique, mais leurs évolutions respectives engendrent l'épuisement des ressources naturelles non renouvelables et favorisent la dégradation de l'environnement.

Part du transport en % des émissions de CO2

Le secteur du transport est tout sauf un secteur très énergivore : On estime que le secteur des transports représente 25 % de la consommation mondiale d'énergie, et utilise environ 50% du pétrole produit dans le monde. La part d’émissions de CO2 provenant de la combustion des carburants s’élève à 30%[1].

L'approvisionnement énergétique de la planète repose à 90% sur les énergies fossiles : le pétrole comptait au début du millénaire pour plus de 40 % de la consommation d'énergie primaire mondiale, par comparaison les productions d'électricité alternatives (géothermique, solaire, éolien, etc..) représentaient environ 0,7 %.

 

Les transports : un impact majeur sur l’environnement

De plus, le secteur du transport, responsable de 30% des 26 Gt/an de CO2 actuellement émis, participe au réchauffement climatique. En effet, les transports couvrent leurs besoins énergétiques à 95% par le pétrole.

L'énergie et les transports sont, mis à part les pollutions atmosphériques liées à la combustion de l'énergie, à l'origine de nombreuses dégradations de l'environnement. La production et la distribution de l'énergie ont des impacts environnementaux significatifs : impacts écologiques des infrastructures hydroélectriques (exemple des barrages), impacts paysagers (des réseaux de distribution), impacts des déchets des centrales nucléaires, etc...

De même, le secteur des transports est à l'origine d'émissions gazeuses responsables de diverses pollutions (particules, plomb, oxydes d'azote et de souffre, etc....) dont les effets sont néfastes pour l'environnement et la santé.

La demande mondiale d'énergie primaire est principalement assurée par des énergies qui ont un effet significatif sur l’environnement : 75 % par le pétrole, 18 % par l'énergie nucléaire contre seulement 6 % par des énergies renouvelables.

On estime qu’environ 97 % des transports dépendent des produits pétroliers. La mondialisation du commerce engendre un important développement du secteur des transports. Les transports représentent actuellement 50 % de la consommation de pétrole mais cette proportion devrait passer à 60% d'ici 2030.

Cela signifie que la consommation de pétrole pour le secteur des transports devrait augmenter d'environ 35% d'ici 2030.

Le pétrole est utilisé dans tous les domaines énergétiques, mais c’est dans les transports que sa domination est la plus importante.

La consommation de pétrole, selon les prévisions, pourrait doubler d'ici 2050 avec l'augmentation de la population mondiale et la croissance économique.

La consommation du pétrole dans le monde et la part relative au transport

Pour quantifier la consommation de pétrole, on utilise le volume. L'unité de volume la plus utilisée est le baril valant 158.984 litres. Une tonne de pétrole brut est équivalente, en moyenne, à 7.33 barils.

Evolution de la consommation mondiale en pétrole au fil dans années Source : bpsolar.com

Le graphique de gauche montre l’évolution de la consommation mondiale de pétrole de 1965 à 2003. On remarque que la consommation n'a cessé de croître régulièrement, elle a doublé en environ 30 ans, excepté deux mauvais passages en 1974 et 1980, correspondants aux chocs pétroliers.

 
Carte de la consommation de prétrole par pays et par an Source : bpsolar.com

Cette carte représente elle la consommation de pétrole par pays et par an dans chaque pays. Le continent Nord-américain, l'Arabie Saoudite, et dans une moindre mesure l'Europe, ou l'Australie ont les consommations de pétrole les plus élevés par habitants.

Concernant l'évolution de la consommation mondiale par secteur depuis 1970, le secteur des transports est en grande expansion, principalement à cause de la mondialisation et de l’augmentation d’hommes et de marchandises qui voyagent dans tout le monde.

Consommation mondiale de produits raffinés par secteurs

Si l’on examine en détail répartition de la consommation mondiale pour le secteur des transports, le transport terrestre représente logiquement 41% de la consommation mondiale de pétrole, loin devant le reste. Les transports maritimes ou aériens ne représentent pas la part la plus importante.

Répartition de la consommation mondiale de pétrole dans le monde en 1999

Outre le problème écologique que comporte l’utilisation quasi exclusive du pétrole et des énergies fossiles en général, se pose le problème de l’épuisement des ressources énergétiques fossiles. En effet, ces sources d’énergies s’épuisent très rapidement au vue de leur utilisation intensive. Les réserves actuelles de gaz seront épuisées dans 60 ans, le pétrole dans 40 ans, l’uranium dans 70 ans. Même en doublant le volume possible de ces réserves par l’hypothèse de la découverte de nouveaux gisements, l’échéance ultime serait repoussée d’à peine 60 ans pour le pétrole. De plus, au vue de la difficulté croissante de l’extraction de l’or noir, le prix ne fera que croitre, ce qui poussera aussi à chercher de nouvelles sources d’énergie.

 

Les solutions et alternatives possibles

En 2008, 96 % des transports mondiaux dépendaient du pétrole : le transport maritime, aérien, fluvial, routier, utilise généralement des moteurs brûlant des hydrocarbures ou du gaz. Le transport ferroviaire, en grande partie électrifié, dépend moins du pétrole, mais pour les autres secteurs, les alternatives sont très coûteuses, et peu développées.

Les transports terrestres peuvent se tourner vers des modes de déplacements moins dépendant de l'énergie : transports en commun, écomobilité (l’écomobilité repose sur la mise en place de modes de transports moins polluants, moins dangereux et à moindre impact en termes d‘émissions de gaz à effet de serre).

Les transports terrestre et maritime pourraient se tourner partiellement vers les biocarburants et/ou le gaz naturel, voire le charbon mais le domaine aérien reste très dépendant du kérosène et aucune alternative n’a vraiment été en mesure d’être une solution (seul le pétrole Fischer-Tropsh produit à partir de charbon, mais le procédé n'est pas intéressant, ni par son coût environnemental, ni par son bilan énergétique : la production est polluante et émettrice de beaucoup de CO2)

Le principal frein au développement d'une alternative électrique au transport terrestre vient du problème relatif au stockage de l'énergie électrique (le poids, mais aussi le prix).

Une solution pourrait venir de l’utilisation de véhicules électriques sans stockage de charge électrique (comme le métro ou le tram), mais l'apparition de batteries à meilleur rendement (Li-Ion, Li-Po, etc.) rend aussi possible le développement du véhicule électrique à charge embarquée (exemple du vélo à assistance électrique).

Avec l’épuisement des ressources, et la hausse du pétrole et du prix des carburants sur le long terme, ainsi que les difficultés géopolitiques que pose son approvisionnement, le marché de l'automobile se doit de trouver des solutions.

Chaque politique vise à réduire des gaspillages énergétiques, favoriser le développement des transports en commun, de l’écomobilité, ou encore l'utilisation d'autres sources d'énergie, telles que les énergies renouvelables.

Le transport aérien : Le projet Solar Impulse

Un projet innovant – Historique des étapes menant à la réalisation

Banniere Solar Impulse.png

Le projet Solar Impulse[2] a repoussé les limites de l’imagination : Réaliser un avion capable de décoller et de se maintenir en vol de façon autonome pendant plusieurs jours sans aucun apport de carburant, en se propulsant uniquement avec l'énergie captée par des cellules solaires disposées sur ses ailes.

L'énergie captée pendant la journée servira à propulser l'avion, mais également à recharger des batteries pour assurer le vol de nuit, ce qui représente un défi conséquent.


Photo Avion Miniature Solaire.png

L'aviation solaire a débuté avec des modèles réduits dans les années 70, lorsque des cellules solaires à prix abordables sont apparues sur le marché. En 1980 que les premiers vols humains furent réalisés. Aux États-Unis, avec le Solar Challenger, un appareil d'une puissance de pointe de 2.5 kW qui a réussi à traverser la Manche en 1981 et réaliser des distances de plusieurs centaines de kilomètres avec une autonomie de quelques heures.

 

En 1990, Eric Raymond effectua avec le Sunseeker, un moto-planeur solaire pesant 89 kg et équipé de cellules solaires en silicium amorphe, la traversée des États-Unis en 21 étapes sur une durée d'environ 2 mois.

Au milieu des années 90, plusieurs avions furent construits pour participer au concours "Berblinger". Le but était de pouvoir monter à 450m/sol à l'aide de batteries et de maintenir un vol horizontal avec une puissance d'énergie solaire de 500W/m2 au minimum, ce qui correspond à environ la moitié de la puissance délivrée par le soleil à midi sur l'équateur. Le prix fut gagné en 1996 par l’avion Icare2 (25 mètres d'envergure pour une surface de 26 m2 de cellules solaires.)

Même sans pilote à son bord, l’avion télécommandé Helios, d'une envergure de plus de 70 mètres, développé pour le compte de la NASA, a établi un record d'altitude à presque 30'000 mètres en 2001, avant d’être détruit en vol peu de temps après.

En 2005, Alan Cocconi, le fondateur d’AC Propulsion, a réussi à faire voler pendant 48 heures un avion sans pilote de 5 mètres d'envergure entièrement propulsé par l'énergie solaire. C'est la première fois qu'un avion de ce type a pu voler pendant toute une nuit grâce à l'énergie collectée par des cellules solaires montées sur l'avion et stockée dans des batteries.

Même si le Solar Impulse n'est pas le premier avion solaire imaginé, aucun des précédents projets avec un pilote à bord n’a réussi à passer une nuit en vol.

Étant donné que l'énergie captée pendant la journée servira à recharger des batteries pour assurer le vol de nuit, le pilote aura la nécessité de se retrouver chaque soir avec des batteries pleines pour tenir jusqu'au lever de soleil suivant.

Les principaux fondateurs de ce projet sont au nombre de 2 :

  • Bertrand Piccard : l’auteur du premier tour du monde en ballon sans escale, qui est l'initiateur et le président du projet.
  • André Borschberg : pilote professionnel d'avion et d'hélicoptère, qui est le directeur général.

Les différentes étapes :

  • Le projet début en 1999, période à laquelle Bertrand Picard commence à imaginer cet avion.
  • Quatre ans plus tard, en compagnie d’André Borschberg, l’étude de faisabilité est réalisée l'Ecole Polytechnique de Lausanne.

Le Projet est alors lancé.

  • De 2004 à 2008, le concept est développé, et le premier prototype nommé HB-SIA est fabriqué, un avion de 63 m d'envergure.
  • Le premier vol d'essai d’une durée de 87 min est réalisé le 7 avril 2010. Le 8 juillet, le vol dure 26 heures et 9 minutes sans aucune interruption, et ce pendant une nuit entière (à une vitesse moyenne de 23 nœuds), ce qui est une réussite historique.
  • En 2010/2011, un second prototype est construit baptisé HB-SIB.
  • Le 13 mai 2011, l’avion parcourt 630 km durant 13 heures à environ 50km/h, avec à son bord André Borschberg.
  • Le 14 juin, l’avion vole 16h05, avant d’atterrir au Bourget.
  • Depuis 2012, plusieurs vols sont effectués, dont la traversée de l’Atlantique.
  • Le tour du monde sera le futur objectif. Un survol de la terre dans l'hémisphère Nord, en plusieurs étapes. En effet, cinq escales sont prévues pour changer de pilote et présenter l'appareil au public. Chaque tronçon du vol durera environ 3 à 4 jours, correspondant au temps considéré comme le maximum supportable pour un pilote seul.

Lorsque l'efficacité des batteries permettra d'en réduire le poids, l'avion pourra alors embarquer deux pilotes pour des vols de plus longues durées et le tour du monde sans escale deviendra alors envisageable.

Caractéristiques techniques et structure des matériaux

Fiche technique

Comparaison entre le Solar Impulse et l'Airbus A380
  • Envergure: 63,40 m
  • Longueur: 21,85 m
  • Hauteur: 6,40 m
  • Poids: 1 600 Kg
  • Vitesse moyenne: 70 km/h
  • Altitude maximale: 8 500 m
 

- L’avion a une envergure de 61 mètres (comparable à un Airbus A340), afin de minimiser la trainée induite et d’offrir une surface maximale aux cellules solaires. - Seul un appareil d’une envergure très démesurée par rapport à sa légèreté pourra voler assez lentement pour se contenter de l’énergie à disposition. La surface des ailes comptabilisent environ 200 m2 - Il est en revanche environ 280 fois moins lourd qu’un avion de type A380.

L’avion combine donc l’envergure de l’Airbus A340 avec la charge alaire (le rapport entre le poids de l’aéronef et sa surface portante (soit l'aile) en kg/m²) des parapentes et deltaplanes. A taille égale, sa structure est 8 fois plus légère que celle du meilleur planeur actuel

- Il a une vitesse moyenne de 70 km/h, ce qui reste bien inférieur à un avion classique. - La charge supportable est de 8 kg/ m2

Structures et matériaux

Illustration Solar Impulse.png

Atteindre 61 m d’envergure pour 1600 kg représente un véritable défi en termes de rigidité, de légèreté et de contrôlabilité en vol.

Le Solar Impulse est construit autour d’une sorte d’ossature en matériaux composites constitués de fibres de carbone et de nids d’abeilles assemblés en sandwich. L’aile est recouverte sur l’intérieur d’un film flexible et sur l’extérieur d’une peau composée de cellules solaires encapsulées.

 

Mode de fonctionnement – Système de propulsion & gestion énergétique

Système de propulsion

Sous les ailes sont disposés 4 nacelles contenant chacune un moteur (conçus par la société ETEL), une batterie au lithium polymère constituée de 70 accumulateurs et d’un système de gestion contrôlant la charge/décharge et la température. L’isolation thermique est conçue pour conserver la chaleur dégagée par les batteries et leur permettre ainsi de fonctionner malgré les -40 °C rencontrés à 8500 mètres, correspondant à l’altitude de vol maximale. Chaque moteur a une puissance de 10 CV et est muni d’un réducteur limitant à 200-400 tours /minute la rotation d’une hélice (bipale) de 3,5 mètre de diamètre.

La question énergétique

A midi, chaque m2 de surface reçoit en moyenne l’équivalent de 1000 Watts. Cela équivaut à 1.3 CV de puissance lumineuse. Sur 24 heures, l’énergie du soleil fournit donc une moyenne de 250 W/m2. Avec 200 m2 de cellules photovoltaïques et 12 % de rendement total de la chaîne de propulsion, la puissance moyenne produite par les moteurs de l’avion n’atteint que 8 CV ou 6 kW.

Le projet nécessite donc l’optimisation dans la conversion des nombreuses formes d’énergies mises en jeu :

Solar Impulse Photo.png
  • L’énergie lumineuse dans le rayonnement solaire
  • L’énergie électrique au niveau des cellules photovoltaïques, des batteries et des moteurs
  • L’énergie mécanique via le système de propulsion
  • L’énergie thermique pour toutes les pertes (frottements, échauffement…)
  • L’énergie chimique dans les batteries
  • L’énergie cinétique lorsque l’avion prend de la vitesse
  • L’énergie potentielle quand l’avion prend de l’altitude
 

Le Solar Impulse gagnera de l'altitude pendant la journée et redescendra ensuite pendant la nuit, afin d’économiser une quantité importante de l'énergie de ses batteries.

A bord du monoplace est présent un système informatique qui permet de récolter et d’analyser des centaines de paramètres, et ainsi donner au pilote et à l’équipe des informations sur le vol. Il fournit également aux moteurs la puissance optimale compte tenu de la configuration de vol et de l’état de charge/décharge des batteries. L’avion devient alors capable de corriger et donc de minimiser par lui-même sa consommation d’énergie.

Les cellules solaires (détaillées plus bas) doivent être en mesure de couvrir les besoins en électricité de l'avion en vol mais aussi de recharger les batteries.

La sollicitation des moteurs par les pilotes est très importante. Chaque moteur du Solar Impulse consomme 9 kW à plein rendement (équivalent à 12.2 CV) au maximum pendant 5 minutes. En effet, passé ce délai, les moteurs surchauffent.

En exploitation normale, chaque moteur ne produit que 5,5 kW (équivalent à 7.5 CV)et en exploitation minimale, cette puissance ne représente plus que 2,4 kW( équivalent à 3.3 CV). Ce minimum permet à l'avion de rester en l'air mais ne lui permet pas de gagner de l'altitude. Les autres appareils embarqués à bord consomment en tout 250 watts.

Quant au système de communication ultraléger (développé par la société Swisscom), il ne consomme que 50 watts.


Les cellules solaires utilisées

Il y a précisément 11628 cellules solaires disposées sur le monoplace[3]:

  • 10 748 cellules qui recouvrent les 200 m2 des ailes
  • 880 cellules sur le stabilisateur horizontal

Les cellules solaires sont en silicium monocristallin.

Elles sont ultra-minces et intégrées dans les ailes :

  • Les cellules font 145 microns d’épaisseur
  • Elles ont un rendement de 22%.

Ces cellules ont été sélectionnées pour leur rapport optimal poids/rendement, ainsi que pour leur capacité à combiner légèreté et rendement.

Même si leur efficacité aurait pu être encore meilleure, comme pour les panneaux utilisés dans l’espace, leur poids aurait alors été beaucoup trop important, ce qui aurait été inapproprié pour le vol de nuit.

La puissance fournie par les cellules dépend de l'intensité du rayonnement solaire et de l'angle d'attaque de ce rayonnement sur les ailes.

Les cellules solaires sont fournies par l'entreprise californienne Sunpower, leaders en matière d'efficacité des cellules solaires. L’entreprise ne livre normalement que des panneaux solaires complets et équipés de cellules fixes. Cependant, pour le projet Solar Impulse, une exception a été faite. Tant donné qu’ il fallait recouvrir toute la surface de la voilure, Sunpower a fourni des cellules isolées à condition que l'utilisation et la fonction de ces cellules fassent l'objet d'un suivi précis, pour avoir la certitude qu'aucune d’elles ne soient détournée à d'autres fins.

Le stockage de l’énergie

Le vol de nuit étant la principale difficulté, la contrainte majeure du projet se situe donc au niveau des batteries.

En effet, l’un des défis majeurs pour le Solar Impulse est la problématique du stockage de l’énergie. Pour que l’avion puisse voler sans discontinuité, il doit pouvoir compter sur l’énergie emmagasinée pendant les huit heures d’ensoleillement exploitables sur les 24h. L’avion capte l’énergie nécessaire à son vol mais doit en stocker suffisamment dans ses batteries, afin de lui permettre se maintenir en vol pendant les 16 heures restantes.

Avec une densité énergétique de 200 Wh/kg, la masse d’accumulateurs nécessaires pour un vol de nuit se monte à 400 kg. Cela représente plus du ¼ de la masse totale de l’avion.

Ce paramètre oblige à réduire considérablement la masse de l’avion, à optimiser la chaîne énergétique et à maximiser le rendement aérodynamique (avec un grand allongement et un profil d’aile conçu pour les basses vitesses)

Les batteries sont en Lithium polymère.

Une amélioration de la capacité des batteries permettrait à terme d’embarquer un deuxième pilote, de diminuer l’envergure de l’avion ou d’augmenter la vitesse de vol.

Les batteries proviennent de la société sud-coréenne Kokam, l'une des plus grandes entreprises spécialisées dans les batteries pour voitures électriques: un marché en pleine expansion (Voir IV).

Les batteries Lithium-polymère du Solar Impulse présentent une meilleure longévité que les accumulateurs lithium-ion traditionnels, ainsi qu'une capacité supérieure. Les quatre batteries d'une capacité totale de 80 000 W ont déjà été remplacées par de nouvelles batteries allégées de 5 kilos par pièce, pour une capacité identique. L'avion est ainsi allégé de 20 kilos, ce qui n'est pas négligeable puisque sur Solar Impulse, comme vu précédemment, chaque kilo compte.

Comparaison avec un avion classique

Le projet a coûté environ 75 millions d’euros et a été financé par trois sponsors principaux, Solvay, Omega et Deutshe Bank.

A raison de 150 Wh/kg de batterie au lithium (0,54 MJ/kg), les 310.000 litres embarqués par un grand avion de ligne actuel nécessiteraient :

- [310000 (litres) x 0,85(Densité) x 43 MJ/kg].[0,27/0,50 (Rendement)] /0,54 MJ/kg (batteries) = 11300 tonnes de batteries au lithium, soit l’équivalent du poids d’un cargo.

A raison de 150W/m² de panneaux solaires, un grand avion de ligne actuel nécessiterait :

- 17900 (litres/heure) x 0,85 (densité) x 43 MJ/kg].[0,27/0,50 (Rendement)] /3600’’/ 150 w/m² = 654 000 m² de panneaux solaires à midi - (L’équivalent d’environ 65 hectares en croisière, et environ 220 hectares de panneaux solaires pour décoller)

Même en imaginant des progrès technologiques conséquent, il sera difficile de voir un jour un avion tout électrique décoller.

Solar Impulse Photo2.png

En conclusion, même s’il est difficile de comparer le monoplace solaire à un avion de type A380, l’avion solaire reste similaire à un avion « normal » : il ne diffère que par la technologie utilisée pour réduire au maximum les effets des facteurs perturbants pour le vol de l’avion soit le poids et la traînée, tout en permettant une poussée suffisante au vol grâce à l’aérodynamisme commun à tout avion.

Au niveau énergétique l’avion « normal » et l’avion solaire n’ont pas besoin d’un même moteur pour faire fonctionner leurs moyens de propulsion, comme les réacteurs d’un avion « normal », ou bien les hélices de l’avion solaire. Dans le cas du Solar Impulse, le moteur n’est pas alimenté de la même façon que pour un A380 par exemple.

Il existe donc une différence majeure entre les moyens pour parvenir à l’énergie mécanique créée par les moteurs les deux avions : en effet, un avion « normal » marche au kérosène, brûle la ressource fossile afin de dégager une énergie très importante mais aussi beaucoup de chaleur, de CO2 et autre produits toxiques dans l’air, chose que ne fait pas le SolarImpulse.

 

Le transport maritime : Le projet PlanetSolar

Le Tûranor PlanetSolar : Historique

Planet Solar Construction.png

Le premier bateau solaire expérimental a été réalisé en France et exposé lors du Salon nautique international de Paris de 1982 (il utilisait un nouveau type de moteur qui permettait d’avoir un couple important à bas régime)

En Europe, il existe depuis 1985 des bateaux solaires de croisière. En novembre 1990, un trajet de Bâle aux Baléares a été entrepris, soit 2 000 km, par le bateau le Basilisk. D'autres bateaux solaires ou/et à pédales de Matthias Wegmann (Basilisk 2, Voyager 780) ont accumulés 50 000 km jusqu'en 2006.

Le PlanetSolar[4] est un catamaran solaire qui doit effectuer le premier tour du monde par le seul moyen de l'énergie solaire. En plus des paramètres qui interviennent dans la navigation maritime (le vent, les courants et les vagues), l’ensoleillement fait donc son apparition et remplace les traditionnels moteurs.

L'initiateur et fondateur du projet est Raphaël Domjan, aidé par Paola Ghillani, Stefan Nowak et Pierre-Marcel Favre.

Les différents étapes[5]:

  • En 2004 Raphaël Domjan à idée du projet.
  • De 2004 à 2005, les premières études de faisabilité sont réalisées.
  • Dès mars 2006 : Premières études détaillées, recherche de partenaires financiers et technologiques, mise en place de l’équipe et annonce officielle du projet.
  • De 2008 à 2009 : Création de la société PlanetSolar SA et construction du catamaran en décembre 2008, à Kiel, en Allemagne.
  • En janvier 2010, la construction est achevée et les premiers tests réalisés.
  • Février/mars 2010 : inauguration du bateau et mise à l’eau à Kiel, le 31 mars 2010 dans le chantier naval à Kiel.
  • Le 19 novembre 2010, PlanetSolar a réalisé la traversée en bateau solaire la plus rapide de l'océan Atlantique en 26 jours 19 heures et 10 minutes, entre Las Palmas et St-Martin.
  • Le 27 septembre 2011 : départ de Monaco pour la première expédition autour du monde, jusqu'à début mai 2012. Aujourd’hui, plus de 100 personnes travaillent à travers le monde pour le projet PlanetSolar.

L’équipage du bateau comprend six personnes :

  • Le capitaine Patrick Marchesseau
  • Christian Ochsenbein (Berne, Suisse) et Daniel Stahl (Kiel, Allemagne) comme techniciens
  • Mikaela von Koskull et Jens Langwasser pour la navigation
  • Raphael Domjan, l’initiateur du projet
 

Caractéristiques techniques et structure des matériaux

Fiche technique

Illustration Planet Solar.png
  • Longueur : 31 m
  • Largeur : 15 m
  • Hauteur : 6.10 m
  • Poids : 95 tonnes
  • Équipage : 6 personnes
  • Personnes pouvant monter à bord : 40
 

Structure et matériaux

Le catamaran est entièrement construit en matériau composite : fibre de carbone et de nid d'abeille en sandwich (afin de renforcer la résistance des éléments tout en garantissant une légèreté maximale ) de diverses densités en fonction du type de structure.

Photo Planet Solar.png

Mesurant 31 mètres de long et 15 mètres de large, le catamaran en fibre de carbone, atteint une vitesse moyenne d’environ 7,5 noeuds (15 km/h).

Il pourra atteindre14 nœuds au maximum (soit 25 km/h).

Par comparaison, un bateau de croisière à une vitesse moyenne comprise entre 20 et 24 noeuds, 7.5 noeuds c’est trois fois moins qu’un cargo traditionnel.

 

Mode de fonctionnement et gestion énergétique

Les météorologistes fournissent au bateau les données d'ensoleillement pour le trajet prévu. Afin d'optimiser les données reçues et de trouver le meilleur trajet, un logiciel de routage a été développé et installé.

Celui-ci prendra en compte également le niveau de charge des batteries du bateau, l'ensoleillement actuel, et calculera la route la plus efficace jusqu'au point d'arrivée défini.

L’autonomie est assurée par la navigation solaire continue.

Gestion énergétique :

  • Puissance du moteur maximale : 120 kW
  • Le bateau comporte deux moteurs électriques de 20 et 40 kW dans chacune des deux coques pour une puissance totale de 163 CH.
  • Consommation moyenne des moteurs : 20 kW (26.8 ch)

La consommation moyenne des moteurs du PlanetSolar, qui est de 20 kW, correspond à peu près à celle d’une moto de 125 cm3.

Les cellules solaires utilisées

Panneaux Planet Solar.png
  • Le catamaran dispose d'une surface de panneaux solaires de 537 m2.
  • Il y a en tout 825 panneaux solaires (soit 38 000 cellules solaires photovoltaïques)
  • Ces panneaux solaires sont fournis par l’entreprise californienne SunPower Corporation.
  • SunPower fournit des cellules solaires 50% plus efficaces que des cellules normales
  • Le rendement des cellules est d’environ 18,8 %

La puissance PV installée est de 93.5 kW (soit 127.0 cheval vapeur)

 

Le stockage de l’énergie

Grâce à ses batteries placées dans les coques, le bateau peut naviguer de jour comme de nuit.

Il est muni de 12 batteries Li-ion de 2 kg, comprenant 648 cellules, afin de stocker l'énergie électrique produite par les panneaux solaires. Ces accumulateurs sont parfaits pour faire avancer le bateau les jours de pluie ou la nuit. (Par comparaison, les batteries des ordinateurs ont 6 à 12 cellules)

Selon l’équipe, le bateau devrait avoir trois jours d'autonomie, avec une vitesse moyenne prévue d'environ 8 noeuds (15 km/h).

Objectifs

Après 6 à 7 années de travail, le plus grand bateau solaire au monde a quitté le port de Monaco le 27 septembre pour faire le tour du monde.

La construction du bateau a demandé 14 mois, et son coût total s’élève à 12.5 millions d’euros

Selon l’ONU, la quantité d’émissions de gaz à effet de serre chaque année par le seul secteur des transports maritimes s’évalue à 1.12 milliard de tonnes de CO2, et la part du transport maritime a représenté près de 4.5 % des émissions totales en 2008.

Le projet PlanetSolar peut donc avoir une grande influence : si sa technologie se propageait à tout le secteur maritime, les réductions de gaz à effet de serre seraient très importantes. De plus, le catamaran solaire utilise les technologies de pointe disponibles sur le marché.

Le projet a pour objectif principal de participer au développement des énergies renouvelables. Il vise à :


Photo2 Planet Solar.png
  • Démontrer le potentiel des énergies renouvelables et photovoltaïques et ainsi prouver que la technologie actuelle suffit à s’inscrire dans le cadre du développement durable.
  • Informer et sensibiliser le public sur l’importance des énergies renouvelables
 

Le transport ferroviaire : Le TER Solaire

Présentation

Photo TER Solaire.png

La SNCF a inauguré son premier train express régional équipé de panneaux solaires dans la région Poitou-Charentes en juillet 2010, pour une expérimentation d’une durée de 3 ans[6].

Le TER ne fonctionne pas entièrement à l'énergie solaire, mais l’énergie solaire permet de faire supporter aux panneaux l'éclairage et la climatisation des rames.

 

Mode de fonctionnement et utilisation de l’énergie solaire

Le dispositif va permettre d’avoir une autonomie énergétique au niveau de l’éclairage et aussi de recharger les batteries pendant les arrêts, cette nouvelle autonomie permettra d’éviter un certain nombre de pannes.

En plus des panneaux photovoltaïques, et pour optimiser l’utilisation de ces derniers, le TER solaire est équipé de diodes peu gourmandes en énergie pour l’éclairage (remplacement des spots halogène 20W par des spots LED 3W) afin de limiter la consommation d’énergie ainsi que de films isolants sur les vitres afin d’optimiser l’efficacité la climatisation.

De ce fait, le système est indépendant de l'alimentation traditionnelle des rames.

Dans le cas d'une panne du système et d'une immobilisation du train en pleine voie, la climatisation peut continuer de fonctionner et améliore ainsi le confort des passagers.

En cas d’arrêt soudain du TER, l’énergie solaire produite assure la ventilation et la lumière durant l’interruption.

Les cellules solaires utilisées

Sur le train sont installés 2 types de panneaux solaires :

  • des modules en CIGS de Ascent Solar
  • des modules en silicium amorphe de Flexcell

Il y a 16 modules Ascent (d’une puissance de 720Wc) et 18 modules Flexcell (d’une puissance de 486Wc) d’installés.

Les panneaux proviennent de la société Disasolar, filiale de Disatech.

Les modules en silicium amorphe

Schema Cellule Silicium Amorphe.png

Fiche technique et avantages

  • Modules solaires de type silicium amorphe en couches minces
  • Faible sensibilité aux ombres portées
  • Rendement spécifique énergétique relativement élevé en toiture plate
  • Les modules sont : léger, souple, résistant
  • Installation en simple ou double couche
  • Solution esthétique intégrée au bâtiment
 

Les modules CIGS

Dans l'alliage CIGS, la concentration d'indium et de gallium peut varier du séléniure de cuivre et d'indium pur à du séléniure de cuivre et de gallium pur.

Schema Cellule CIGS.png

L'alliage CIGS entre principalement dans la fabrication d'une cellule solaire utilisée sous forme d’une couche mince polycristalline, comme dans les cellules de première génération issues du silicium elles utilisent le principe de la jonction PN. La différence est que la structure du CIGS forme une jonction complexe constituée de matériaux de nature différentes (hétéro-jonction) de type CIGS(p)/CdS(n)/ZnO(n) dans les dispositifs a plus haut rendement.

 

La structure de base d’une cellule solaire à couche mince CIGS (Cu(In,Ga)Se2) est représentée sur l'image ci-dessus.

Il est composé de 8 éléments principaux :

  • Le substrat : Le plus utilisé est le verre sodé (dopé au silicium)
  • Un contact ohmique inférieur, en général du Molybdène
  • Une couche absorbante : dans ce cas du CIGS de type P
  • Une couche tampon : Généralement du CdS ou le ZnS de type N (L’interface CIGS/CdS forma la jonction PN)
  • Un oxyde transparent isolant : ZnO
  • Un oxyde transparent conducteur : ZnO dopé Al (ou Indium dopé étain)
  • Une couche anti-reflet : MgF2
  • Un contact ohmique supérieur (grille métallique NiAl) déposée sur la face avant pour contacter le ZnO.

La couche absorbante est constituée d’un matériau à grand coefficient d’absorption, dans le domaine du visible (1,4 – 1,5 eV). Dans le cas du CIGS, c’est un absorbeur de type P, avec une énergie de bande interdite de 1.02 eV (CuInSe2) ou de 1.65 eV (CuGaSe2). L'absorption est minimisée dans les couches supérieures, appelées fenêtre, par le choix d'énergies de bande interdite plus élevées: Eg, ZnO=3.2 eV et Eg, CdS=2.4 eV


Objectifs

Selon la société Disasolar qui a installé les panneaux, l’objectif est d’économiser de 2 500 à 3 000 kW/heures d’électricité, soit 12 tonnes d’équivalent CO2 rejetés en moins en an.

Le projet a coûté au total 400 000 euros, et a été financé à hauteur de 250 000 euros par la SNCF et de 150 000 euros par la Région Poitou-Charentes.

L’objectif est de dépenser 15% d’énergie globale en moins, par rapport à un TER classique. Le gain de rejet de CO2 entre 10 et 15 tonnes par an, pour un train de six voitures.

Le secteur automobile

Les voitures solaires conçues pour les courses

Présentation et mode de fonctionnement de la voiture solaire

Une voiture solaire est une voiture électrique qui recharge ses batteries en partie ou totalement grâce à l’énergie solaire.

Il est impossible de prévoir la quantité de soleil, qui va conditionner la quantité d’énergie. Afin d’absorber au mieux toute l’énergie solaire disponible, on place le plus de cellules solaires possible sur la surface disponible.

Il existe deux principales forces qui vont ralentir la vitesse de la voiture et qu’il est nécessaire de minimiser :

- La résistance à l'air

Pour réduire la résistance à l’air du cockpit, ce dernier a généralement la forme d’une goutte d’eau. Le revêtement extérieur des roues et les conduits de ventilation ont une forme aérodynamique.

- La résistance au roulement

La voiture solaire roule en général sur trois roues. Par rapport à une voiture ordinaire, cela permet de réduire la résistance au roulement. La roue avant est suspendue à une fourche avant comparable à celle d’une moto. Elle est directrice et motrice, et supporte une charge plus importante que les deux roues arrière.

Caractéristiques d’une voiture solaire :

La puissance actuelle des voitures est limitée par le rendement des cellules et par la capacité des batteries à stocker une grande quantité d'énergie dans un espace réduit.

Les voitures solaires essaient donc de réduire leur besoin énergétique en réduisant leur poids, en utilisant des matériaux légers et en adoptant le meilleur aérodynamisme possible.

Le cadre de la voiture se compose de tubes en aluminium ultralégers. Il pèse à peine 22 kilos et supporte le poids du pilote, les instruments et les panneaux solaires. La carrosserie est faite de carbone composite. Les pneus sont bien plus étroits que ceux d’une voiture classique et sont en caoutchouc.

La voiture solaire a plus de 60 panneaux solaires montés en parallèle. Chaque panneau compte environ 40 cellules solaires montées en série, qui produisent un courant de 96 volts. Les panneaux fournissent l’électricité à un MPPT (Maximum Power Point Tracker).

Le MPPT est un convertisseur de tension, qui permet d’exploiter la puissance maximale de chaque panneau avant le chargement des batteries. Les 26 éléments de batteries fournissent une quantité d’énergie de 5 kWh. Les voitures nécessitent des batteries pour stocker l'énergie qui leur est nécessaire lorsqu'il y a moins de lumière ou même pour pouvoir accélérer lorsque l'apport direct d'énergie solaire n'est pas suffisant.

Les batteries pèsent 30 kg et sont faits en polymère de lithium.

Le moteur de la voiture solaire est un moteur électrique qui produit une puissance maximum de 10 kW et qui est intégré dans la roue avant. Le moteur reçoit son énergie des batteries (et non pas des panneaux solaires directement). Étant donné qu’il est intégré dans la roue avant, il est limité en poids, mais son rendement est conséquent.

Il est également possible de freiner sur le moteur afin de ralentir la voiture. L’énergie qui se dégage du frein moteur est alors à nouveau stockée dans la batterie. Il n’y a donc aucunes pertes.

Exemples et historique des courses solaires :

  • Depuis 1985 : Le "Tour de sol" en Suisse.
  • Depuis 1987 : Le "World Solar Challenge" en Australie.
  • Depuis 1989 : Le "American Tour de Sol" aux États-Unis.
  • Depuis 1990 : Le "Sunrayce USA", devenu le "North American Solar Challenge".
  • Depuis 1992 : La "Grand Solar Challenge" au Japon.
  • La "Dream Cup Suzuka" au Japon.
  • Le "Dell-Winston School Solar Car Challenge", USA.
  • En 2004 : Le "Phaethon 2004", pour les Jeux olympiques d'Athènes en Grèce.
  • Le "World Solar Rally in Taiwan 2006"

La " Spirit of Canberra

Spirit of Canberra.png

La voiture solaire de l'université de Melbourne en Australie a participé à plusieurs courses solaires entre 1998 et 2002.

 

La voiture mesure 6m de long, 2m de large et 1m de haut. Son poids est de 170kg sans les batteries (sans pilote).

Elle peut atteindre les 140km/h avec batteries et 90km/h uniquement avec le soleil.

Elle est équipée de 800 cellules solaires recouvrant une superficie de 8m2, ce qui génère une puissance maximale de 1200 Watts.

Les roues sont surmontées de coupe-vent pour améliorer l'aérodynamique de la voiture et ainsi diminuer la consommation d'énergie. La roue avant, qui pèse 14.5 Kg contient le moteur qui délivre un rendement de 98%. Comme une voiture ordinaire, la voiture possède ceintures de sécurité, clignotants, des feux-stop, des freins (avec récupérateur d'énergie évoqué plus-haut) et un klaxon.

Spirit of Canberra Batteries.png

- Les batteries sont de types Lithium-Ion et pèsent 36kg au total. Elles sont composées de 2 blocs de 16 modules chacun. La puissance totale disponible est ainsi de 5kWh.

 

La « Power of One »

Power of One.png

La "Power of One" est une voiture solaire ayant réalisé un record de distance en 2008[7].

Avec ses 5 mètres de longueur, ses 80 mètres de longueur et sa petite hauteur (0.90mètres), elle a déjà parcourue plus de 15 000 kilomètres. Elle pèse 300 kg, avec le pilote à l’intérieur.

Grâce aux 8 mètres carrés de cellules solaires disposées sur le toit du véhicule (similaire à la voiture précédente), elle est capable de parcourir 200 km sur ses batteries sans soleil, ou 500 km en plein jour. L’engin peut atteindre une vitesse de 120 km/h et passe de 0 à 85 km/h en 6 secondes.

 

Les panneaux solaires sont composés de cellules de Si-monocristallin (de la société Shell Solar) à 15% de rendement. Ces cellules fournissent une puissance maximale de 900 W, l’énergie est ensuite stockée par une batterie polymère Li-Ion

« Nuna »

Conçue pour la course, la voiture solaire Nuna[8] a gagné la 8ème "World Solar Challenge" le 5 octobre 2005. Le véhicule a parcouru 3010km avec une vitesse moyenne de 102,75 km/h.

La voiture Nuna 3 a gagné le World Solar Challenge en 2006 avec une vitesse de 90 km/h en moyenne, pour une traversée effectuée en 4 jours.

La vitesse moyenne de Nuna 4 lors de l’édition 2007 a été inférieure à celle de Nuna 3 en 2005, à cause de la réduction de la surface de capteurs solaires (limitée à 6 m²) de 25%, et du fait que le conducteur devait être assis et pas couché (contraintes imposées par les organisateurs de la course afin de ressembler progressivement à des voitures classiques)

 

Conclusion sur la voiture solaire

  • Le prix d'une voiture solaire varie de quelques milliers à plusieurs millions de Dollars/Euros, et ce sont des modèles uniques.
  • Vitesse maximum sur le WSC (« World Solar Challenge »): 140km/h.
  • Vitesse moyenne maximum : 100km/h sur les 3000km du WSC.

Avantages :

  • Pas d’émission de gaz et de particules nocive.
  • Pas de carburant

Inconvénients :

  • Faible autonomie.
  • La voiture doit être très légère, les charges supplémentaires réduisent les performances.
  • Coût élevé.

Les courses ont permis plusieurs développements d'applications concrètes, parmi lesquelles :

Le développement de véhicules électriques suite au WSC (comme Général Motors). Avec la hausse du carburant actuellement et le développement de la technologie, ces véhicules sont de plus en plus nombreux.

L'aérodynamique des voitures apparaît un peu plus dans le monde automobile, afin de réduire la consommation des voitures, et les cellules solaires développées apparaissent dans bon nombre de véhicules électriques et hybrides en complément d'apport d'énergie.

Des pneus permettant d’améliorer les économies de carburant ont aussi été développés par plusieurs fabricants.

Les moteurs intégrés aux roues, utilisés dans les courses, s’étendent rapidement aux véhicules électriques puisque cela permet d’éviter les pertes énergétiques dans la transmission.

L’intégration du photovoltaïques dans les voitures classiques

La Prius solaire

Prius Solaire1.png

Idée initiale :

L'entreprise californienne Solar Electrical Vehicles[9] commercialise une Toyota Prius avec un capteur photovoltaïque sur le toit du véhicule. Le dispositif permet de parcourir jusqu’à 13 km grâce à l’énergie solaire accumulée dans une journée. Le système photovoltaïque (d’une puissance de 215 Wc) capte l’énergie solaire et l’emmagasine dans une batterie additionnelle au plomb. Un convertisseur augmente le voltage et achemine ensuite l’énergie vers le bloc de batteries original de la Prius (batteries de type NiMH - Nickel-Métal-Hydride). La Prius 3 pourra recevoir sur son toit des cellules solaires polycristallines fabriquées par la firme japonaise Kyocera.

 
Prius Solaire2.png

Réalisation :

Le toit solaire est composé au total de 36 cellules photovoltaïques. Les cellules ont une taille de 15*15 cm, ce qui correspond à la moitié d’une taille standard, avec un taux de rendement de 16,5 %. (Source : Kyocera[10]) La production maximale d'électricité pourra atteindre les 50 watts. Cette électricité doit servir pour alimenter le système de climatisation. En effet, Toyota pensait se servir de l’électricité pour alimenter la batterie, mais l’idée a été abandonnée car les chargements/déchargements à répétition détériorent rapidement la batterie.

 

Le toit solaire en option coûtera 1500 euros.

Toyota désire commercialiser tous les mois environ 10 000 Prius au Japon à un prix de départ estimé à 2,05 millions de yens (environ 15 700 euros), soit une baisse de 12 % par rapport à l'actuel modèle le moins cher de la marque.

Les objectifs de de la société Fiat

Le constructeur Fiat désire rajouter des panneaux solaires photovoltaïques à ses voitures.

Pour Fiat, les avantages sont indéniables : design, écologie, économie d'énergie, rechargement des batteries. Pour ce faire, Fiat s'est associé avec un fabricant de technologies solaires Irlandais, la société SolarPrint, afin d’intégrer des panneaux photovoltaïque sur les toits de ses nouveaux modèles.

Les panneaux solaires seront une technologie à film fin, directement imprimé et conçue pour le toit des véhicules. Les panneaux à film fins sont sombres, discrets et performants, et donc adaptés pour l’automobile.

Les panneaux photovoltaïques sur le toit permettront d’alimenter de nombreux éléments :

• La Climatisation : grâce au toit solaire, on pourrait réduire de 15% la consommation en énergie. La climatisation est effective lorsque le soleil brille, le panneau solaire sera donc utile, et permettra à la climatisation d'utiliser moins d'énergie.

• Le rechargement de la batterie avec les panneaux photovoltaïques : mêmes si la voiture est à l’arrêt, les panneaux solaires continueront de recharger de la batterie. Une voiture garée en plein air n'aura aussi plus de problème de batterie qui se décharge. Les panneaux photovoltaïques seront directement branchés à la batterie.

• Utiliser les fonctionnalités de la voiture à l'arrêt : les panneaux solaires suffisent pour alimenter une radio, et une grande partie des appareils branchés sur l'allume cigare.

Les cellules produisent moins d’énergie et le coût est plus élevé que des cellules photovoltaïques conventionnelles à silicium, mais elles permettent de produire avec beaucoup moins de lumière, dans n’importe quelle situation.

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Fiat, en collaboration avec l’école Polytechnique de Turin, a récemment développé un concept de voiture électrique appelé « Phylla » La voiture dispose d'une propulsion électrique et de batteries qui lui assurent une autonomie de 145 à 220 km (le temps de recharge est de 5 heures maxi).

Son toit est équipé de panneaux solaires photovoltaïques, lui apportant une autonomie de 12 à 18 km. Elle met 6 secondes pour passer de 0 à 50 km/h, avec une vitesse de pointe de 130 km/h. Elle n'émet aucun rejet polluant et est entièrement recyclable.

 

La Venturi Eclectic

Venturi Electric.png

La Venturi Eclectic est la première voiture urbaine autonome fonctionnant à l’énergie solaire créée[11].


Elle est encore à l’état de prototype ou de très petite série. Une version limitée de 200 exemplaires a été lancée en juin 2007.

 

La Venturi est équipée de batteries qui se rechargent de façon autonome grâce aux énergies renouvelables (solaire, éolien) ou si nécessaire grâce à l’électricité délivrée par le réseau.

L’autonomie peut aller jusqu’à 50 km pour une vitesse de 50 km/h.

  • La production solaire (2.5 m² de cellules photovoltaïques) en une journée d’exposition permet de parcourir 7 km, à une vitesse maximale de 50km/h.
  • La recharge totale du véhicule (sur secteur) prend 5 heures et permet de parcourir 50km.
  • La production d’une ou plusieurs éoliennes qu’il est possible d’installer sur le toit pendant le stationnement (en option) en une journée (de bon vent) permet de parcourir 15km.

Le prix total est d’environ 15 000 €.

Venturi Electric2.png

Fiche technique

La Venturi Eclectic est un véhicule électro-solaire à 3 places

- Puissance moteur : nominale 4 kW; 9 kW - Panneaux solaire : 0,8 m2 (rendement de 14%) 72 W - Batteries : Trojan 48 V – 145 Ah (option Lithium 48 V - 240 Ah) - Masse à vide de 390 kg

 

Le type de stockage le plus adapté pour l’automobile.

La batterie est l’élément principal des voitures électriques. Elle conditionne les performances et surtout l’autonomie du véhicule. Aujourd’hui, ce sont les batteries lithium qui permettent d’améliorer les caractéristiques techniques des véhicules électriques et de rendre leur utilisation possible.

Les caractéristiques les plus importantes d’un stockage photovoltaïque sont le prix du kWh stocké, le rendement, et la durée de vie.

Il existe différentes batteries :

  • Les batteries au plomb permettent de délivrer une tension de 2.1V mais ne stockent que 30-35 Wh/Kg
  • Les batteries alcalines se déchargent trop rapidement.
  • Les batteries nickel-cadmium ont une bonne capacité de stockage (40-50 Wh/Kg) mais sont toxiques
  • Les batteries nickel hydrures métalliques peuvent stocker 70Wh/Kg, mais sont relativement onéreuses
  • Les batteries au lithium : le lithium est un métal très léger avec une grande capacité à stocker l'électricité. Ces batteries sont utilisées principalement pour les objets portables (ordinateurs, téléphones, consoles ...). Les recherches effectuées sont axées sur le lithium - ion et polymère. Par rapport aux autres batteries, elles sont plus légères et ont une plus grande capacité de stockage.

Le lithium permet en effet de stocker énormément de charges électriques sous forme d’ions sur les électrodes. Le principe de fonctionnement est basé sur la circulation des électrons pour générer un courant électrique, comme pour toute autre batterie : les ions lithium, sur l’électrode négative en graphite, traversent l’électrolyte (correspondant à la paroi centrale de la batterie), pour se fixer sur l’électrode positive en dioxyde de cobalt.

La densité énergétique

L’important pour une batterie est d’embarquer un maximum d’énergie pour une place minimale. En brulant 1 kg d’essence, il est possible de générer 1000 Wh d’énergie. La densité énergétique est définie par le rapport poids/puissance et détermine les performances d’autonomie de la voiture électrique.

Les batteries lithium-ion ont une densité énergétique de 150 Wh/kg, six fois plus que les batteries traditionnelles au plomb. Mais cela reste 5 fois moins que les carburants liquides. Les chercheurs travaillent sur de nouveaux types d’électrodes capables de stocker plus d’ions, comme l’oxyde de manganèse (LiMnO2) ou l’oxyde de nickel (LiNiO2), ce qui permettrait d’avoir une densité énergétique des batteries capable d’atteindre 500 Wh/kg. Mais pour le moment, les chercheurs rencontrent des problèmes, l’électrode positive se dissolvant dans l’électrolyte après quelques cycles de charge.

Comparaison des différentes technologies de batteries pour les transports

Ce schéma[12] permet de montrer que les batteries au plomb et au nickel disponibles sur le marché ont relativement peu de capacité de stockage et le coût du kWh est élevé. En revanche, les découvertes comme le lithium ou des matériaux nano structurés, en développement ou même encore en recherche permettront d’avoir une grande autonomie, avec un coût du kWh raisonnable.

 

Les batteries au lithium polymère

- Elles sont constituées d'un bobinage d'un film de 150 µm. - Elles fonctionnent à une température d’environ 90°C. - Leur capacité de stockage est de plus de 200 km pour un temps de charge relativement court. - Elles sont très stables et ont une longue durée de vie (10 ans ou 150 000 km). - Elles ont une densité d'énergie de 150 Wh/Kg (deux fois plus que les batteries au nickel et six fois plus que les batteries au plomb).

Le temps de charge

Le temps de charge d’une batterie d’une voiture électrique est d’environ 8 h avec une prise domestique de 16 A. Il passe à 5 h avec la prise prévue à cet effet. Plus l’intensité de charge (et donc le nombre d’électrons transitoire élevé) est importante et moins la charge est longue.

Cependant, une charge rapide endommage la batterie. Lorsque la puissance est trop importante, les ions lithium n’ont pas le temps de reprendre leur forme originale sur l’électrode de graphite, à la surface de laquelle se forme une couche de lithium métallique. Il existe donc une intensité à ne pas dépasser dans la batterie. Une solution serait de changer l’électrode de graphite par une feuille d’oxyde de titane (qui permet une intégration des ions lithium plus rapide). La charge complète de la batterie devient alors bien plus rapide (quelques minutes) mais la densité énergétique est alors en baisse (environ 130 Wh/kg).

Le prix d’une batterie

Le budget consacré à la batterie par les constructeurs automobiles est d’environ 200€/kWh, alors que le coût des batteries lithium est de l’ordre de 500 €/kWh.

Il est possible de diminuer le coût de l’électrode en cobalt par d’autres matières tout aussi stables (remplacement par électrode en phosphate de fer, plus stable et moins chère que le cobalt, mais toujours avec une densité d’énergie moindre).

Les ressources en lithium

Les batteries d’une voiture électrique comptent environ 15 kg de lithium. En 2008, il y avait environ 60 millions de véhicules électriques, soit 1 million de tonnes de lithium nécessaire pour les batteries.

En 2008, la production mondiale était de 30 000 tonnes, même si les réserves mondiales sont estimées à 11 millions de tonnes (présence au Canada, en Afrique, en Bolivie et au Tibet).

On estime qu’il y a sur Terre les ressources capables de tenir environ 5000 ans et même des millions d'années avec le lithium contenu dans les océans. En effet, le lithium est présent dans les océans, en faible concentration (0,2 g/m3).

Cependant certains endroits où est présent le lithium sont des sites remarquables et les gisements sont donc limités et très réglementés.

Une solution pour l’approvisionnement en lithium pourrait donc être de recycler les batteries une fois utilisées. Afin de récupérer les matériaux de la batterie, il existe des solutions chimiques ou thermiques, encore peu développées.

Si le lithium venait à manquer, d’autres perspectives restent possibles (batteries fonctionnant au magnésium, très abondant, ou encore l’utilisation d’enzymes de la biomasse afin de produire des molécules chargées électro-chimiquement.).

Une autre alternative à la batterie pourrait être les super condensateurs, qui utilisent le principe de l’électricité statique afin d’accumuler des charges d’électrons entre deux plaques de métal. Ceux-ci ont une durée de vie quasiment illimitée, les matériaux utilisés sont simples et bon marchés. En revanche, la densité énergétique est relativement faible pour qu’ils soient appliqués seuls aux véhicules électriques.

Conclusion

Les panneaux photovoltaïques font l'objet de nombreuses études et sont un espoir pour l'avenir. Les chercheurs essayent de les intégrer dans notre quotidien et de les développer, comme dans le secteur du transport.

Par rapport à l'utilisation des ressources fossiles, l'énergie solaire a l'avantage d'être inépuisable, gratuite et non-polluante. Malgré tout, elle n’est pas encore utilisée pour les transports aériens.

En effet, les cellules photovoltaïques sont fragiles, difficiles à mettre en oeuvre sur une aile et ont un coût élevé. De plus, avec un rendement maximum situé entre 15 et 25%, une surface très importante est nécessaire pour obtenir une puissance suffisante, comme dans le cas du Solar Impulse. Il existe des cellules solaires ayant un rendement atteignant presque 40%, par exemple celles de technologie dite "AsGa", que l'on utilise dans le domaine spatial, mais hélas, ce ne sont pas des cellules souples et leur prix est bien trop élevé.

Des prouesses techniques ont été réalisées sur le Planet Solar, un catamaran solaire qui fonctionne entièrement à l’énergie solaire, prouvant que la navigation en mer peut se passer d’énergie fossile, et ainsi réduire les émissions totales de CO2 (1,4 milliards de tonnes de CO2 ont été rejeté en 2008 par le secteur maritime)

Les démarches du Planet Solar et du Solar Impulse sont similaires : faire la promotion des énergies renouvelables, espérant que leur technologie utilisée puisse s’étendre dans leur domaines respectifs.

Au niveau ferroviaire, qui est en grande partie électrifié, Le TER solaire inauguré en Poitou-Charentes ne fonctionne pas entièrement à l'énergie solaire, mais l’énergie solaire permet de faire supporter aux panneaux l'éclairage et la climatisation des rames. Ici aussi, il s’agit de promouvoir les énergies renouvelables tout en diminuant les rejets de CO2.

Petit à petit, les voitures solaires, hybrides ou électriques se développent, que cela soit pour réaliser des courses automobiles ou bien pour l’usage quotidien.

Les fabricants se penchent sur de nouveaux types de panneaux photovoltaïques et de nouveaux types de batteries (telles que les batteries Lithium-Ion Polymères) afin d’augmenter la vitesse possible, la puissance, le rendement, l’autonomie ou encore la densité énergétique tout en trouvant des solutions pour intégrer ses éléments de manière optimale et la plus esthétique possible dans les automobiles.

La voiture électrique, même si elle n'a pas sa place comme voiture classique pour des longs trajets en raison des difficultés rencontrées pour stocker l’énergie, peut facilement s'imposer pour des moyens trajets ou devenir la futur voiture 100% solaire et urbaine ce qui pourrait réduire énormément la pollution des grandes villes.

Notes et références

  1. IFP Innovation Energie Environnement - Les émissions de gaz à effet de serre des transports :[1]
  2. Solar Impulse - Site web officiel :[2]
  3. Altran, magazine Altitude - Solar Impulse déploie ses ailes :[3]
  4. PlanetSolar - Site web officiel :[4]
  5. Heig-vd - Routage optimal du bateau solaire PlanetSolar :[5]
  6. Green Univers - Un train solaire pour la SNCF, oui mais pour alimenter l’éclairage :[6]
  7. Power of One - Site web officiel :[7]
  8. Nuon Solar Team - Nuna :[8]
  9. Solar Electrical Vehicles - Prius White Paper :[9]
  10. Kyocera - KYOCERA Supplies Solar Modules for New Toyota Prius :[10]
  11. Venturi - Eclectic 2.0 :[11]
  12. Assemblée Nationale - La voiture du futur : moins polluante et plus économe :[12]