L’avenir de l’automobile

Joel Danroc La voiture du futur

- Les évolutions de l’automobile

Billions 400World Energy Needs 350 - Pourquoi ne peut on pas continuer ainsi? Les stratégies 300 250 200 150 Fossil Energies 100 50 -La voiture électrique à batterie et à pile à Hydrogène 0 19002000 2100 2200 2300

- Les nouveaux modèles de mobilité

- mais que fait le CEA ? La recherche et les démonstrateurs L‟avant pétrole : une courte période

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 » « Le passage de la calèche à l’automobile actuelle» Une rupture technologique majeure

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

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! Retour vers le futur : les voitures du futur des années 50 / 60

« Motorway » 1956 CADILLAC « Cyclone »1959

« Etoile Filante » à turbine 314 km/h FORD « nucléon »1958 Salon de l‟auto 1960 « Fulgur » Une anticipation SIMCA La voiture du futur

- Les évolutions de l‟automobile

Billions 400World Energy Needs 350 - Pourquoi ne peut on pas continuer ainsi? Le modèle actuel 300 250 200 150 Fossil Energies 100 50 -La voiture électrique à batterie et à pile à Hydrogène 0 19002000 2100 2200 2300

- Les nouveaux modèles de mobilité

- mais que fait le CEA ? La recherche et les démonstrateurs En 2012 : pourquoi est ce vraiment différent ?

Billions Barrel of Oil Equivalent / year 400 World Energy Needs 350 300 New Energy - Pétrole : « courbe peak oil »validée, 250 Technologies 200 pb de sécurisation d‟apprivisonnement 150 Fossil Energies 100 50 0 - Population : 190 2000 2100 2200 2300 0 - 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

Quantités et réserves d‟énergie

Part de la production énergétique mondiale par source - 2003 Consommation annuelle mondiale Solaire 0,009% Pétrole Eolienne 0,04% Géothermique 0,12% Biomasse 0,4% Gaz

Uranium Traditionnelle 6 % Hydraulique 3 %

Charbon

énérgétiques totales Nucléaire 7 % Ressources

Eolienne Charbon 21 %

Hydraulique

Gaz 21 %

solaire solaire nonrenouvelables 90 %

Pétrole 41 %

Energie annuelle Energies Photosynthèse

Une réserve infinie de croissance pour le solaire SOLAIRE Les bio carburants : Manger ou se déplacer ? Culture pour alimentation ou carburant ?

Réchauffement climatique : CO2 1 Kg de Veau 220 Km en voiture

Elevage, Transport, Découpe Chaîne du froid, Aliments Méthane (digestion animale)

Biomasse 3 Génération µ-algues Déchets 3 (3G)Génération

2 Génération

Bois Cultures Déchets déchets bois énergie agricoles

1 Génération

Cultures Cultures sucres oléagineux 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 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 !

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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 %

200 kg

110 km/h stabilisé (18 kW) : 260 g/kwh = 30 %

Evolution des performances des voitures classiques à moteur thermique

- 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 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

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

- 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

Sécurité : - Passive : structures carrosserie, airbag - Active : suspension ESP - Connection : sécurité informations accidents traffic… Nanotechnologies pour l’électronique dans les véhicules

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)

AverageElectronique Semiconductor/Vehicle : Applications innovantes Stop & Go 500 *Excludes Sensors Pedestrian detection 450 Lane change 400 N. America ADAS maps 350 Europe Car 2 car

300 Japan Internet

$ 250 S. Korea Brake by wire 200 China India ACC Steer by wire 150 ROW Night vision ASIL safety systems 100 Telematics Electric vehicles 50 Bluetooth 0 Drive by wire 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 Source: Strategy Analytics Start Stop Navigation Hybrids CD changer eCall Electronic gearbox RDS/TMC LED lighting Air conditioning ACC saving saving energy ASC & ABS Airbags lives Electronic Ignition Cellphone Adaptive gearbox Central locking Seat heating Xenon Light Car Radio Automatic Mirror EPAS

1970 1980 1990 2000 2010 Source St Micro 20 to 30 % de reduction d’énergie (nanotechnologies /électronique)

Improvements with electronics contribution Less energy consumption: what contributes how much ? 5 % leight weight materials <1 % rear axle 20 % downsizing; High resistance steel gear boxes with smaller motors; turbo; lower friction and electric boost; greater ratio 10 % motor technology, variable valve control, direct injection, less friction losses

2 % better cw-value; less front area

10 % reduce weight 3 % thermo- 1 % tires with low management rolling resistance Less losses through 1 % manual gear-box 2 % lower suspension, 5 % automatic gear- optimised control Greater ratio; low Complete, smooth box; 8 stages; start- friction bearings underbody coverage stop

Source: AutoMotorSport 9/2010 26 Vers l’électrification progressive des véhicules

Hybride classique 4 millions vendus Moteur thermique Moteur électrique Autonomie 2 Km électrique pur

Hybride « plug in »

Prius « plug in » Chevrolet Volt Thermique Thermique Electrique 20 km Electrique 60 km La voiture du futur

- Les évolutions de l‟automobile

Billions 400World Energy Needs 350 - Pourquoi ne peut on pas continuer ainsi? Les stratégies 300 250 200 150 Fossil Energies 100 50 -La voiture électrique à batterie et à pile à Hydrogène 0 19002000 2100 2200 2300

- Les nouveaux modèles de mobilité

- 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 L’énergie embarquée de la Nissan Leaf : Quels équivalents

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

Baisser coût des batteries , augmenter durée de vie, densité d’énergie

(

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

Véhicules électriques

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 Bilan CO2 « du puits à la roue » : ne pas oublier le CO2 pour fabriquer l’électricité !

Fabrication du véhicule 6 tonnes de CO2

Rendement des centrales électriques Réacteurs EPR : 36 % Centrales fuel ou charbon : 40 % Distribution : 92 %

« Vehicle-to-grid »

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

10 kWh pour 60 km  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 • iOn, 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 • 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

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L’hydrogène : vecteur énergétique du futur ? Biogaz Hydro Bateau ZERO CO2 H2

H2 Fatal

Distribution de H2

Production H2 sans CO2

H2 produit sans CO2 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

Hambourg projet Vattenfall

http://www.h2stations.org/ 750 kg H2 (obtenu par solaire et éolien) par jour France isolée du nuage H2? 20 bus + voitures

Programme allemand H2 mobilité le stations hydrogéne Véhicules électriques à Piles à hydrogène industriels

Mercèdes Benz production industrielle 2014

SymbioFcell Honda disponible Prolongateur d‟autonomie en Californie 600 $ /mois

Hyundai 2015 lancement industriel La voiture du futur

- Les évolutions de l‟automobile

Billions 400World Energy Needs 350 - Pourquoi ne peut on pas continuer ainsi? Les stratégies 300 250 200 150 Fossil Energies 100 50 -La voiture électrique à batterie et à pile à Hydrogène 0 19002000 2100 2200 2300

- Les nouveaux modèles de mobilité

- mais que fait le CEA ? La recherche et les démonstrateurs 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 Transports conventionnels Energie

- Inconvénients Nouvelles technologies pour l’information et la - pétrole : approvisionnement communication Démonstration à l’echelle 1 - Congestion urbaine evaluation de usages et des technologies - Santé accidents La mobilité 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

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

- Les évolutions de l‟automobile

Billions 400World Energy Needs 350 - Pourquoi ne peut on pas continuer ainsi? Les stratégies 300 250 200 150 Fossil Energies 100 50 -La voiture électrique à batterie et à pile à Hydrogène 0 19002000 2100 2200 2300

- Les nouveaux modèles de mobilité

- mais que fait le CEA ? La recherche et les démonstrateurs Quatre secteurs de recherche complémentaires

R & D pour - 15 000 employès l’énergie - Budget: 4 milliards € nucléaire - 500 brevets / an

- 150 start up créées depuis 1985 Recherche progammes fondamentale pour la défense Embedded and Recherche Technologique Interactive Systems Pour l’industrie

Micro-nanotechnologies for information and New technologies for energy communication and nanomaterials Stratégie CEA : “vers des énergies sans effet de serre”

Adaptation de Nouvelles applications Production d’électricité l’offre à la demande de l’électricité

Stockage

Electrolyse HT Hybride H2 Centralisée Biofuel 2G - Nucléaire

Stockage distribué Véhicules électriques

Batteries

Distribuée -photovoltaique Controle en direct -thermodynamique Smart grids convergence “transport /habitat” La ligne pilote batteries du CEA

150 people 25 M€ investments 40 patents 6 000 m² dedicated rooms 49 Quelques exemples de start up CEA

Batteries Lithium Design & Assistance Piles à H2 Production for Of Energy System production various applications Design & integration On demand Development De 5 à 300 kW Small series For housing & transportation applications

Première usine à Grenoble de Fabrication de systèmes PAC H2 en Europe

Mondial de l‟auto 2012 GIANT : démonstration à l’échelle 1 « mobilité innovante et durableGIANT » Key Figures

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 Vers une mobilité intégrée : Une plate forme transport innovante au coeur du site

EspaceSpace sustainableMobilité durable mobility Tout type de véhicules & and Démonstration transport innovative transport 2 roues, LV, UV, Bus, Sport Production d‟hydrogéne

R&DSolHyvert Builing

Production d‟électricité

Contact aérien Contact par sol

Plug In Induction Vision du projet Giant Un site “carbone neutre”

Energie propre

Basse consommation

Mobilité “carbone neutre”

Biodiversité Le futur

- 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 : 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 pour votre attention

Merci à Marc Béranger pour une partie des slides