[Parole d'expert Carnot] Innover pour développer le transport à faible impact environnemental

09 2020
Les Carnot et les entreprises

"Le transport routier représente un élément fondamental dans la problématique de la mobilité. Toutefois, il est en même temps le mode de transport le plus émetteur de gaz à effet de serre et représente entre 75 et 100 % de l’ensemble des émissions des transports", fait observer Grégory Dronchat, chef de projet de la filière Carnauto, dans ce dossier de septembre 2020 réalisé en partenariat entre l’AiCarnot et AEF info.
Plusieurs exemples de projets réalisés par les Instituts Carnot illustrent leur implication autour de la recherche d’innovations au service d’un transport à faible impact environnemental.

Analyse de Grégory Dronchat, chef de projet de la filière Carnauto

En France aujourd’hui, 81 % du transport intérieur de personnes est effectué à l’aide de véhicules particuliers et 89 % du transport intérieur terrestre de marchandises est effectué par la route. Le transport routier représente donc un élément fondamental dans la problématique de la mobilité. Selon le FIT (Forum international des transports), même si l’incertitude qui caractérise le climat économique et social actuel limite la faculté d’établir des projections solides, il est probable que la demande mondiale de mobilité continuera de croître au cours des trois décennies à venir. Les véhicules individuels resteront le premier moyen de locomotion utilisé.

 

Le transport, principal émetteur de CO2

Cependant, en France, le secteur des transports est le principal émetteur de C02, avec 31 % des émissions totales de GES (gaz à effet de serre) en 2018. Le transport routier est le mode de transport le plus émetteur : il représente entre 75 et 100 % de l’ensemble des émissions des transports selon les polluants.

Or, les enjeux sont importants avec un réchauffement climatique qui se fait déjà ressentir. Pour endiguer le phénomène, la SNBC (stratégie nationale bas carbone) de la France vise une diminution de 28 % des émissions de GES du secteur des transports en 2030 par rapport à 2015 et une décarbonation totale du secteur (hors aérien) en 2050, avec l’interdiction de la vente de voitures utilisant des énergies fossiles carbonées d'ici 2040. La SNBC préconise également un report modal important vers les transports collectifs et le vélo : la part modale du vélo est multipliée par quatre dès 2030 dans le scénario de référence.

Quels axes de développement pour l’automobile de demain ?

Depuis quelques années, il apparaît clairement que la révolution de l’automobile et de la mobilité a lieu autour de trois axes : la voiture électrique, la voiture autonome (ou connectée) et la modification des usages avec la voiture partagée ou l’essor de la mobilité douce.

  • Le véhicule électrique

Le véhicule électrique apparaît comme une des solutions pour assurer la transition bas carbone, à condition de tenir compte du mix énergétique utilisé pour produire l’électricité et du cycle de vie total du véhicule. Deux technologies permettent une motorisation électrique : la batterie électrique ou l’hydrogène. Pour le moment, c’est l’option de la batterie qui semble prendre le dessus. Les défis à relever pour cette technologie sont multiples. L’utilisation de métaux rares pour la production pose des problèmes géopolitiques et environnementaux. Le recyclage des batteries, leur autonomie, leur recharge sont également des points à améliorer. Concernant l’hydrogène, sa mise en œuvre se heurte à de nombreux verrous scientifiques et économiques dont la fabrication et le prix de revient des piles à combustibles. Des développements seront nécessaires pour transporter et stocker ce carburant et mettre en place toute une infrastructure nouvelle de production, de transport et de distribution (lire sur AEF info).

Enfin, une autre technologie paraît cruciale pour le développement de la motorisation électrique : le V2G, "Vehicule-to-Grid". Cette innovation permet à la voiture de restituer une partie de l’électricité stockée dans ses batteries pour optimiser le fonctionnement du réseau et ainsi remédier en partie à la problématique du caractère intermittent des énergies renouvelables. Cela offre plus de flexibilité au réseau.

  • Véhicule autonome

Le véhicule autonome ou connecté peut permettre d’améliorer la sécurité et la fluidité du trafic, et d’initier de nouveaux usages de mobilité. Mais le problème est multidisciplinaire et complexe. Les principaux freins au développement sont : la réglementation et la notion de responsabilité, la peur du piratage et de la diffusion de données privées, le coût et les verrous technologiques. La problématique du réseau est également au cœur du débat avec l’arrivée de la 5G, qui permettrait d’augmenter les débits, de diminuer le temps de réponse jusqu’à la milliseconde et de pouvoir connecter un grand nombre d’objets. Les besoins en innovation pour cet axe sont multiples : intelligence artificielle et machine learning, cybersécurité, traitement des données, réseaux, capteurs, interactions avec les infrastructures.

  • Modification des usages

Selon le FIT, la généralisation des solutions de mobilité partagée pourrait diviser par deux le nombre de véhicules-kilomètres parcourus en milieu urbain et réduire à l’horizon 2050 les émissions de CO2 imputables au transport urbain de 30 %. Il faut encore parfaire les modèles d’affaire mais également les technologies permettant d’améliorer l’expérience utilisateurs, faciliter la gestion des données. La cybersécurité est là aussi cruciale.

On assiste aussi dernièrement à une forte progression de la mobilité douce et plus particulièrement le vélo : non seulement c’est un moyen de déplacement non polluant, mais jusqu’à 5 kilomètres en ville, le vélo est le moyen de transport le plus rapide y compris pour la logistique du dernier kilomètre. Il faut donc tout mettre en œuvre pour favoriser son utilisation. Comme pour la voiture électrique cependant, des améliorations sont à apporter pour les batteries des vélos électriques.

L’action des Carnot pour répondre à ces défis

Pour relever ces défis, 9 instituts Carnot se mobilisent dans l’action filière Carnauto, dédiée aux ETI, PME et TPE du secteur de l’automobile et de la mobilité. Carnauto a pour vocation de renforcer l’attractivité de ces entreprises par une plus grande intégration d’innovations dans leurs produits et services afin de se diriger vers un transport à faible impact environnemental. L’action se focalise sur trois axes :

  1. Motorisations et vecteurs énergétiques : les objectifs sont de gagner en efficacité énergétique, réduire les émissions de CO2 et améliorer l’empreinte environnementale grâce à des solutions décarbonées. Le thermique et l’hybride, l’électrique et les piles à combustibles ainsi que les systèmes de stockage associés sont les domaines d’études prioritaires.
     
  2. Matériaux et architectures : l’allègement, la fonctionnalisation intelligente et la sécurité pour développer des matériaux innovants et les procédés de fabrication associés sont étudiés, en particulier les matériaux multifonctionnels (composites, métalliques ou polymères), les procédés de fabrication et d’assemblage, ou encore la tribologie (partie de la mécanique traitant du frottement et de ses effets).
     
  3. Tic : il s’agit de l’aide à la conduite, la gestion de la mobilité et l’architecture logicielle et système des véhicules. L’objectif principal est de développer les composants, capteurs et logiciels qui équiperont les véhicules, services de mobilité et infrastructures de demain. La navigation autonome, les systèmes embarqués, les objets communicants ou encore la cybersécurité sont des axes d’étude.

4 exemples de transferts réalisés par les Carnot

Le projet Face : une révolution pour les véhicules connectés et autonomes issue d’un partenariat entre Renault et l’Institut Carnot CEA LIST

La multiplication des fonctionnalités dans les véhicules, toujours plus connectés et autonomes, fait exploser le nombre de capteurs et de calculateurs embarqués, ce qui rend complexe leur intégration. Le projet Face de l’institut Carnot CEA LIST, mené en 2018 et 2019 en partenariat avec Renault, avait pour objectif de réduire le nombre total de calculateurs.

La solution proposée par le CEA a permis de relever ce défi, en concevant une architecture modulaire et flexible, satisfaisant aux exigences de sûreté et de cybersécurité en vigueur dans le domaine automobile. Le succès du projet a donné naissance à la start-up Alkalee qui, reprenant les concepts clés autour du logiciel, propose aujourd’hui une solution ouverte commercialisée de conception et d’intégration de calculateurs modulaires et temps réel embarqués. L’offre d’Alkalee présente deux atouts majeurs : un logiciel embarqué, qui garantit le temps réel et la sûreté de fonctionnement, et une suite logicielle outillée, destinée à faciliter la conception et la programmation.

PEMS-LAB : laboratoire "embarquable" développé conjointement par le Certam de l’institut Carnot ESP (énergie et système de propulsion) et la société Addair

Depuis 2017, les normes européennes d’émissions de polluants des véhicules neufs sont de plus en plus strictes, avec l’instauration d’une procédure de contrôle des émissions polluantes en conditions réelles de conduite (sur la voie publique) dite RDE (real driving emission). Ces mesures représentent un défi majeur puisque les dispositifs "embarquables" sont généralement moins sensibles et moins précis que les dispositifs analytiques classiques.

L’innovation conjointe entre le Certam (centre régional d’innovation et de transfert technologique) et la société Addair a permis de pouvoir embarquer un analyseur - à la base difficilement transportable car constitué entre autres de lasers et de miroirs mobiles - dans un système compact avec des qualités métrologiques préservées, équivalentes à ce qui existe sur les bancs d’essais moteurs.

Le PEMS-LAB est un véritable laboratoire mobile permettant une mesure de l’ensemble des émissions de polluants automobiles en conditions réelles de roulage. Il réalise aussi bien des mesures de particules fines (en masse et en nombre) que la mesure de 30 polluants gazeux en parallèle, réglementés ou non. Le PEMS-LAB embarqué en véhicule léger est totalement autonome en énergie et peut facilement être utilisé en continu et être interchangé de véhicule en un temps réduit et sans effort. Maniable et léger, il dispose d’une aérodynamique optimisée qui permet un faible impact sur le fonctionnement du véhicule. Il permet tout aussi bien de réaliser des tests réglementaires que des mesures de développement moteur.

Le PEMS LAB a été lauréat du trophée Imagine mobility 2018 dans la catégorie green mobility décerné par le pôle de compétitivité Mov'eo.

Un vélo transmission 100 % électrique, sans batterie et sans recharge, synergie entre l’Institut Carnot Ingénierie@Lyon (laboratoire Ampère), l’Estaca et l’entreprise S.T.E.E

Aujourd’hui en plein essor, le vélo électrique standard sur batterie n’est pourtant pas encore la solution miracle au déplacement zéro carbone. En raison des problématiques de recyclage et d’obsolescence rapide qu’elles soulèvent, les batteries au lithium dont sont équipés la majorité des deux roues électriques sont le point faible de ce type de vélo.

L’enjeu du projet de la thèse d’Edgar Tournon (réalisée au laboratoire Ampère à l’université Claude Bernard Lyon-I, Institut Carnot Ingénierie @ Lyon, avec l’Estaca et l’entreprise S.T.E.E), était de concevoir un vélo électrique sans batterie au lithium. Pour la remplacer, il a utilisé des supercondensateurs. Ils permettent le stockage de l’énergie de façon électrostatique, contrairement à la batterie qui stocke l’énergie chimiquement. Les supercondensateurs ont l’avantage de pouvoir stocker de l’énergie, de fournir une forte puissance et d’avoir une grande durée de vie tout en étant recyclables. Le vélo ainsi conçu ne comporte pas de chaîne, l’énergie fournie par le pédalage est stockée par les supercondensateurs, ou injectée dans le moteur si le vélo est en situation d’effort. Pour apporter une source d’énergie complémentaire, des panneaux solaires ont également été ajoutés.

Les travaux de thèse ont révélé la pertinence du développement de ce type de vélo pour l’ouverture à tous de la mobilité durable. Edgar Tournon a cofondé la marque Ufeel, qui a pour objectif de commercialiser des vélos hybrides série.

L’institut Carnot Ifpen Transports Énergie, partenaire des PME, ETI et start-up pour la mobilité douce

Le Carnot Ifpen Transports Énergie ne souhaite pas limiter ses développements aux seuls véhicules et s’intéresse également à la mobilité douce. C’est pour cela qu’Ifpen, tutelle du Carnot Ifpen Transports Énergie, s’est tourné vers des start-up, PME et ETI pour identifier et développer de nouveaux services pouvant faire l’objet d’une mise sur le marché.

Pionnière dans le calcul d’itinéraires à vélo, la compagnie des mobilités propose une application GPS, baptisée Geovelo, dédiée aux cyclistes et personnalisable. Les équipes du Carnot Ifpen Transports Énergie développent :

  • des modules pour l’application Geovelo permettant d’évaluer la dépense énergétique associée à un trajet et de qualifier l’état des pistes cyclables en temps réel ;
  • un monitoring automatique de l’infrastructure et des usages vélo à partir des données remontées des cyclistes.

L’objectif : favoriser l’utilisation du vélo, en toute sécurité, dans les zones urbaines.

Le Carnot Ifpen Transports Énergie travaille avec la société Galanck sur plusieurs développements de R&I afin de développer et commercialiser des accessoires intelligents permettant d’accroître la sécurité du cycliste et plus largement de tout utilisateur de mobilité douce. Le premier produit est un sac à dos intelligent, connecté à une application GPS, avec une signalisation intégrée (clignotants, freins) guidant et sécurisant le porteur lors de son parcours.