L’avenir de l’automobile

« Transports et nouvelles mobilités, nouveaux usages » Joel Danroc

H2 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, les démonstrateurs et les transferts de technologie L’avant pétrole : une courte période

1899 : « Voitures électrique » « Jamais contente » +100Km/h 1896 Invention « Tricycle Benz » - moteurs électriques, 67 CV - batteries Fulmen, Moteur gaz - Carroserie aluminium + Hybrides Porsche !

Après 1900 « Ere Pétrole » Endormissement de l‟électrique « On n’invente pas le téléphone à partir des pigeons voyageurs ! »

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

Voitures

Rencontre Pétrole/Moteur combustion interne

Pétrole L‟histoire de l‟automobile ponctuée par quelques éléments marquants dans les domaines «sociétal, économique, technique» Succès de l‟automobile : « Quatre roues, un volant, du plaisir et du rêve »

1974 Premier Choc pétrolier 1990 Début de l‟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 »

1900 : tout avait été imaginé du point de vue mécanique ! 1950 / 1960 on se « reprojette » sur : - de nouvelles motorisations - la conduite sans conducteurs : repris par Toyota, VW et Nissan en 2013 et par Induct

« Motorway » 1956 Ford Nucléon « atomique » Etoile Filante «turbine » 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 - Pétrole : « courbe peak oil » validée ? 350 300 New Energy hors spéculation le prix est indexé sur le 250 Technologies 200 prix d‟extraction moyen qui ne peut qu‟augmenter 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 : pollution - Effet de serre avec les problèmes climatiques - Congestion des villes - Problèmes de santé

La vraie question : « Quel mix énergétique pour le futur ? »

Prévisions 2005 Consommation annuelle mondiale

Pétrole Gaz

Uranium

Charbon

Ressources Ressources énérgétiques totales

Eolienne

Hydraulique

solaire solaire

Energie annuelle

Photosynthèse

Pétrole limité : « Forte menace sur les transports »

2013 : Bouleversement total dans les évaluations ! « Sera t-on noyé sous le pétrole? »

Prix du baril /prévisions

- Découverte de nouveaux gisements - Nouveaux dangers de pollution - Des prévisions d‟évolution du prix du baril fausses ! Santé : une espèrance vie impactée “quelques mesures européennes”

Loss in life expectancy attributable to exposure • Clean Air for to fine particulate matter (PM) Europe (CAFE) Mois • European Commission Transport White Paper • TEN-T • CIVITAS

Polluants : • Particulate Matter (PM 10 & PM 2.5) • Ozone • NOx • SOx • Polycyclic aromatic hydrocarbon Source: IIASA (2000) • CO

Les fondamentaux pour les véhicules Pour les usages classiques, la masse est l‟élément le plus important. La puissance croît au cube de la vitesse ! 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 Le couple moteur thermique/pétrole : un succès avéré mais … - 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 - Les moteurs à essence émettent aussi des particules ( microniques et plus fines Meilleur rendement 197 g/kWh = 40 %

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

Objectifs et nouvelles normes appliquées par le biais d’amendes, de taxes et d’aides - Programme CAFE : Clean Air For Europe C02 130 g 2015, 95 g 2020 - Normes Euros : 2014 euro 6 (NOx) : le début de la fin des diesels ? - Pollution des villes : France en infraction pour l‟Europe (Particules) - Objectifs de diminution de l‟accidentologie

1 Diminuer la consommation et la pollution :

- Gestion moteurs / diminution des frottements

- Hybridation électrique

- Pot catalytique complexe et cher

2 Diminuer la masse des voitures : - 2CV 600kg (1975) Clio 1100 kg (2011) - Diminution de 100 kg (208) à 400 kg par véhicule (ex Range rover)Matériaux aluminium/composite

3 Améliorer la sécurité : - Passive : structures carrosserie, airbag - Active : liaisons au sol, ESP - Connexion : sécurité informations accidents traffic… 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 - Augmentation de la part « essence/diesel » - Diminution progressive de la pollution

Les tendances : - down sizing - Turbo compresseur (1 à 3 par moteur ! ) - Injection directe / multi injection - Hautes pressions 2700 bars diesel - Désactivation du nombre de cylindres (VW) - Boites de vitesse automatiques 8 à 10 rapports

- Hybridations et électrification (clim, direction pompes, turbo)

La voiture à 2l / 100km : Quel cycle de mesure ? Quelle voiture ? Cycle européen (EU) (1973) : NEDEC (New Europeen Driving Cycle). Date de 30 ans. Inconvénients: trop court et n‟est plus représentatif des véhicules actuels (0-50km/h en 26s!!) Cycle américain (US) (1972): FTP75 a été amendé par 3 cycles complémentaires : Highway cycle, SC03 (cycle avec climatisation) et US06 (conduite agressive) Nouveau cycle mondial (2015): WLTP (World Wide Duty Vehicule Test Procedure) conduira à une émission de polluants supérieure aux cycles actuels. Ce cycle remplacera les cycles les cycles japonais, européen et américain. Type de Puissance (ch) Conso mixte Conso mixte Ecart véhicule Normalisée US Normalisée EU l/100km l/100km Toyota Prius 3 136 4,7 3,9 20% Yaris hybride ? BMW 528 i 245 8,4 6,5 30% Opel Ampera 150 6,36 1,2 430%

2013 VW XL1 0.9 L/100 Km 1L / 1000 km 2.5 l/ 100 réelle 2L /100 dans 2 ans : impossible !

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 40 % 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 Vers les véhicules sans conducteur : sécurité efficacité 2020 ?

« Platooning » guidage immatériel Volvo

Prototype Toyota (sans conducteur actif)

Mercedes 500 S en vente Automatisme Total jusqu‟à 30 km/h

Homologation, responsabilité ? Sur les routes en 2020 ? La référence : Toyota qui a lancé les hybrides dès 1997 !

Toyota : une stratégie validée par le public et copiée par les concurrents !

Hybride classique 5 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 Vers l’hybridation généralisée : du petit véhicule aux véhicules de sports

Genève 2013 : La Ferrari 800 HP thermique 163 HP électrique KERS

Toyota Le Mans 2012 Moteur thermique Super condensateur

AUDI Le Mans 2012 Moteur thermique Volant d’inertie

Genève 2013 : PSA 208 « hybride air »

TOYOTA : 100 % de la gamme va être déclinée en hybride ! 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

Piles à combustible : les voitures électriques de Jules Vernes 1828 H2 seconde génération ? Stockage d‟énergie

Hypothèses Bouteilles industrielle 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 (2.7 l) 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

Moteur électrique : des rendements élevés avec suppression de boite de vitesse !

 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 » pour de nouvelles architectures innovantes de véhicules

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 Rejet échappement : 20 tonnes de CO2

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

Offre actuelle: performances « constructeurs ! » ventes 7000 véhicules en 2012 Incentives 7000 euros 2013 • Renault Fluence 19 300 € + 79 €/mois 185 km • Renault Twizy Z.E 5.400 € + 45 € 115 km • Kangoo Z.E. 13.000 € HT + 72 € 170 km • iOn, C-Zéro, Mitsubishi i-MiEV 28.350 € 150 km • Nissan Leaf 28.990 € 160 km • Smart Fortwo ED 28000 € 135 km • Tesla S 93.000 € 400 km

1millions de prises

Homologation quadricycles lourds électriques en 2020?…

• Mia electric 13.920 € 90 km • M.Go electric 19350 € 140 km • Mega lithium 18.760 € 100 km • REVA i 8900 € 80 km • SimplyCity SC4P 10.990 € 80 km • Tazzari Zero 19.900 € 140 km

Blue car éà& » 2013 ZOE Bolloré 13 700 euros 12 000 euros Location batteries Location batterie 79 euros /mois 80 euros/ mois 150 km autonomie 150 km

30

Bilan 2013 : Voitures électriques un bilan contrasté Ghosn « 1.5 millions de voitures électriques en 2016 ! » 2013 : Objectifs repoussés de 5 ans ! France : VE 0.5 % du marché, double tous les ans N 1 Europe Nissan Leaf 85 000 vendues dans le monde (voiture la plus vendue en Norvège)

Stratégie gagnante : attaquer le marché par le haut ?

Tesla : 20 000 voitures vendues 2013 prix 60 à 80 000 euros + lancement de stations super charger

BMW i 3 ( 170 CV) (existe avec « range extender »)

Electrique 10 % Thermique 99.9 % Hybrides rechargeables 22 %

2010 2030 Ventes véhicules Ademe L’hydrogène : vecteur énergétique du futur ? Biogaz Hydro Bateau ZERO CO2 H2

H2 Fatal

Distribution de H2

Production H2 sans CO2

L’ avenir de la voiture électrique : 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 limitant : - Nécessite réseau H2 (pour un usage grand public) - 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 400 stations H2 Allemagne 2023 20 bus + voitures

Véhicules électriques à Piles à hydrogène industriels 2013 accord industriel Toyota Nissan-Renault Daimler et BMW Pour développer industriellement les Piles à H2

SymbioFcell Mercédes Benz Prolongateur production industrielle 2017 d‟autonomie En production

Honda disponible en Californie 600 $ /mois Toyota production industrielle 2017

Hyundai iX 35 H2 2013 lancement industriel 2 à Grenoble depuis décembre Convergence rapide des TCO ( coûts de possession) dès 2020 pour : les moteurs thermiques, les piles a combustibles, les Véhicules électriques et les hybrides « plug in »

Very sensible to energy price (Oil & kWhe). Hypothesis from IEA/WEO (2 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 Transports conventionnelsRecherche et développement Energie +Economie circulaire

- Pétrole : approvisionnement NTIC : Nouvelles technologies pour l’information et la communication

- Congestion urbaine Démonstration à l’échelle 1 - Santé accidents evaluation de usages et des technologies

Transition énergétique et Transports urbains interurbains

2012 :

Futur :

Transport Propre Sûr Connecté

Intermodal Interopérable

Les transports dans le « mix énergétique à l’horizon 2030 Interconnection des Réseaux / importance du stockage » Infrastructure de charge : un point clé pour le déploiement des véhicules électriques - France : 95% des trajets journaliers font moins de 35 km , Excepté « le week end » 90 % des recharges se font « au domicile»

Une batterie de 15 kWh est chargée - 2 heures (7.5 kW) - 30 mn (30 KW) - 7.5 mn (120 kW)

Essence « plein » 1 mn 20 MW !! 90kW Recharge rapide : un réel challenge - haut niveau de puissance nécessaire, coût - connection imprévisible sur le réseau !

France : 7000 bornes 2013 Les bornes de recharge : la guerre des standards! 10 milliards d‟euros pour l‟Europe 100 000 bornes par pays

L‟Europe choisit le standard allemand !

CHAdeMO standard de charge rapide

Vers des prises « multiples dans le monde » ….

L’avenir : Recharge par induction en statique et dans certains cas en dynamique ! Impact des VE: Scenario Grid / VE en France (75 % nucléaire) VE 2020 1% de la consommation totale (2 millions véhicules)

consommation nationale

Consommation locale Difficile à gérer !

Demande de puissance en fonction de l‟heure de la journée Quelques exemples « Vehicle-to-grid » Une opportunité de lisser le réseau

Eolien mondial en 2012 : Energie produite : 550 TWh = 10 000 km/an pour 20 % du parc automobile mondial. Puissance installée : 326 GW = recharge de 6 % du parc automobile mondial.

Solaire PV 150 m2 12 places 135 000 km/an

10 kWh pour 60 km  Prévisions Mix 2050 : surplus de 15% de la production d’électricité à gérer. Une solution P2G « power to gas » Interconnection électricité gaz

modélisations, la production d’hydrogène ou de méthane synthèse pourrait atteindre 20 TWh/an, soit près de 7% des consommations de gaz naturel en France. source : GRTgaz – E-Cube Projet Audi Favoriser l’économie circulaire : la sécurisation des ressources l’exemple du lithium pour les batteries

2030 : 10% du parc VE = 20% production mondiale de lithium

L’après vie automobile : - 2eme vie : stockage stationnaire - Recyclage si : - réglementation (ex VHU) - « Business modèle » rentables

Salar d'Atacama - Chili : Chemetall Attention risques pour certains éléments : (2nd producteur mondial ) Si Pb Criticité ou règlementation « Reach »

* Source : Critical metals in the Path towards the Decarbonisation of the EU Energy sector, JRC, 2013

Début de la rupture culturelle : Développement progressif des services, transports collectifs, modes doux

Urbain Longue distance

75 % 68 %

54 % 55 %

30 % 25 %

12 %

2010 2030 2010 2030 Covoiturage auto partage Référence ADEME La mobilité du futur

- Co voiturage Auto partage, 100 000 voiture en Europe 15 millions en 2020 co voiturage

- Mise à disposition de véhicules exemple « Autolib » Bolloré, Paris, Lyon, Bordeaux, US Indianapolis, Asie

- Toyota EDF CEA Grenoble… La mobilité du futur

Modèle « Google » : 20??

- 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 /grid

- 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, les démonstrateurs et les transferts de technologie 2012 Vers la mobilité du futur - Energie propre et durable - Multimodalité& intermodalité - Véhicules et routes intelligentes - nouveaux business modéles (énergie services)

Points “clés” Transports conventionnels Recherche et développement Energie / Economie circulaire - Inconvénients - Pétrole : approvisionnement NTIC : Nouvelles technologies pour l’information et la communication

- Congestion urbaine Démonstration à l’échelle 1 - Santé accidents evaluation de usages et des technologies Quatre secteurs de recherche complémentaires

R & D pour - 16 000 employés l’énergie - Budget: 4.2 milliards € nucléaire - 700 brevets / an

- 190 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 CEA “Définir la stratégie pour aller vers des énergies propres”

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

Stockage

Electrolyse HT Hybride H2 Centralisée Biofuel 2G. 3G - Nucléaire

Stockage distribué Véhicules électriques Batteries

Distribuée Contrôle en -photovoltaique direct -thermodynamique Smart grids convergence “transport /habitat” GIANT : démonstration à l’échelle 1 « mobilité innovante et durable » 40 000 personnes

Un site “carbone neutre”

Basse consommation

Mobilité “carbone neutre”

Les « usages » Mobilité « un point crucial du développement de la planète »

Les décisions stratégiques actuelles auront un impact considérable sur l‟avenir et la compétitivité des différents pays :

1 La politique énergétique tournée vers le nucléaire et ENR implique l‟électrification du parc automobile. 2 éléments majeurs : - batteries ( Corée, Japon, Chine sont leaders ) - Pile à combustible /H2 :Japon, Corée, Allemagne, US France ???

2 La santé publique : on n‟a plus vraiment le choix

3 Des sociétés comme Google se placent en leaders des opérateurs de la mobilité du futur qui vont générer les nouveaux concepts et générer des bénéfices énormes. Quid des acteurs français ?

Le futur : compatibilité avec la performance & le plaisir de conduite !

GREEN GT 300km/h

« Pile à Hydrogène » 360 KW

Merci pour votre attention