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Les technologies du futur

La voiture du futur (VII)

Nous le constatons déjà au fil des expositions, les nouvelles voitures intègrent de plus en plus de dispositifs d'aide à la conduite et de systèmes de sécurité qui les rendent tous les jours un peu plus intelligentes et nos routes plus sûres.

Cela n'a l'air de rien, mais comparées aux voitures construites il y a 50 ans, nos voitures modernes disposent toutes de voyants d'alarmes, de phares antibrouillards, du dégivrage, d'appuie-tête, de ceintures de sécurité, d'airbags, de vitres électriques et autre ABS (anti-blocage des roues) qui accroissent notablement la sécurité active ou passive des usagers de la route.

Pratiquement tous les nouveaux modèles disposent déjà d'usine d'un système antivol, de la clé magnétique ou du starter, de la climatisation, du GPS (géolocalisation), du système EPS (correcteur d'assiette), d'un ordinateur de bord, d'un régulateur de vitesse actif, de l'éclairage variable et directionnel, de l'alarme de proximité, de l'aide au parking et de sièges chauffants, autant d'options héritées des modèles de classe supérieure.

Les carrosseries sont en acier allégé (40% plus léger), en plastique ou en aluminium, et même en magnésium ou en fibre de carbone sur les haut de gamme. Pour certains automobilistes exigeants, ces options ne sont plus un luxe mais une nécessité pour leur sécurité, celles des autres usagers de la route et pour le plaisir de conduire.

Toutes ces options vont dans le sens de la démocratisation même si toutes ensembles elles peuvent augmenter la facture finale de... 40% !

Il ne fait aucun doute que toutes les options dites "de luxe" aujourd'hui suivront à terme ce mouvement et seront proposées sur tous les modèles de la gamme dès que le constructeur jugera que le retour sur investissement sera suffisant. Mais ce n'est pas pour autant qu'il fera des promotions (souvent réservées à des constructeurs qui veulent grapiller quelques parts de marché à leurs concurrents plus fortunés). 

Même si dans le futur on peut espérer qu'il y aura plus de voitures partagées ou en libre-service, l'achat d'une voiture représentera toujours un investissement important auquel les jeunes sont déjà préparés.

Nous allons passer en revue plusieurs thèmes, parmi lesquels :

- La voiture en 2030

- La voiture électrique

- Les nouveaux matériaux

- Les biocarburants

- Les systèmes de sécurité, dont l'aide au parking et l'éclairage

- Les systèmes tête haute (HUD) et la réalité augmentée

- la voiture autonome.

La voiture en 2030

Quand on imagine la voiture du futur on se tourne naturellement vers les bureaux d'études et les designers. Les concepts qu'ils inventent font souvent rêver ou nous laissent parfois songeurs, mais jamais indifférent.

Le concept de Lexus LF-LC imaginé en 2013 par le designer coréen Sangwong Seok.

Les designers automobiles sont des stylistes spécialisés en conception industrielle et donc pas uniquement focalisés sur les automobiles. Ils sont également capables de dessiner les habitations ou les yachts du futur comme par exemple Vincent Callebaut ou Karim Doku bien que tous finissent par se spécialiser dans un secteur particulier.

Aidé par le dessin et la conception assistée par ordinateur, les designers automobiles créent les véhicules du futur, libérant leur imagination la plus débridé qu'ils focalisent sur le style de la voiture, l'aérodynamisme de la carrosserie et l'aménagement de l'espace intérieur.

Si certains designers ne se préoccupent pas de savoir comment leur concept sera fabriqué ni comment il sera propulsé, la plupart d'entre eux ne peuvent pas se limiter à ce travail purement conceptuel. Travaillant pour des constructeurs, ils doivent également tenir compte des contraintes techniques liées au fonctionnement et à la fabrication de leur concept tout en respectant l'image de la gamme que veut promouvoir le constructeur.

Si la plupart des concepts n'aboutissent jamais à un prototype, de temps en temps un élément de la carrosserie ou du tableau de bord d'un concept ou le moteur d'un prototype se retrouve cinq ou dix ans plus tard au catalogue du concessionnaire de la marque. Récemment, ce fut notamment le cas avec le concept car XL1 de VW imaginé en 2009 qui donna une voiture de (petite) série en 2014, son moteur hybride ayant été repris sur la VW Up! commercialisée fin 2014.

C'est dans ce contexte mais également pour découvrir de nouveaux talents et inciter le marché à évoluer, que depuis 1999 a lieu le "Design Challenge" au cours de l'Auto Show de Los Angeles. Chaque année un thème différent est proposé. En 2009, le comité de direction du DesignLA avait choisi pour thème "YouthMobile 2030" ou "Comment la nouvelle génération de conducteurs âgés de 16 à 23 ans, nés avec les téléphones portables, les webcams et les réseaux sociaux, seront émotionnellement connectés à l'automobile en 2030 ?"

Nous n'aurons pas la réponse avant quelques années mais six parmi les plus grands designers de chez Audi/VW, GM, Honda, Mazda, Nissan et Toyota ont proposé leur interprétation de la voiture de la jeunesse de 2030.

Quand on leur demanda ce que leur concept avait de particulier pour plaire aux jeunes de la prochaine génération, les designers ont évoqué la liberté offerte par la grande autonomie des véhicules du futur ainsi que par l'intelligence embarquée et les fonctions dynamiques s'adaptant au conducteur (Audi/VW), le système autonome de conduite et de navigation (GM), la carrosserie et des matières à reconnaissance d'ADN et adaptatives tant en formes qu'en couleurs (Honda), le véhicule personnalisable grâce à la réalité virtuelle tout en étant accessible et écologique (Mazda), son moteur électrique combinant dynamisme et qualité (Nissan) ou encore la carrosserie personnalisable par le client et dont les roues sphériques transmettraient l'énergie par friction grâce à une matière électro-conductive (Toyota). Effectivement, tout cela est futuriste, innovant et séduisant.

A voir : LA Auto Show Design Challenge 2009

Le coupé hybride XL1 au catalogue de VW (sur le blog, 2014)

Concepts cars sur le thème "Jeunesse Mobile 2030" proposés par les designers de quelques grands constructeurs lors du LA Auto Show Design Challenge 2009. Le lauréat fut le concept car V2G de Nissan (ci-dessus au centre).

Le constructeur qui remporta le challenge 2009 fut Nissan avec son concept car V2G présenté ci-dessus au centre. Son inspiration fut de considérer que "d'ici 2030, les principales artères sont passées à l’électrification. Le "Vehicule-To-Grid" offre une gamme très complète, que l’on peut s’offrir moyennant des ententes contractuelles, similaires à celles que l’on prend aujourd’hui pour se procurer un téléphone portable. Ce type d’approche a fait de Nissan, un leader mondial en 2030."

On constate malgré tout une tendance à l'individualisme, la majorité des concepts proposés étant des monoplaces. A une époque où la communication et les réseaux sont plus précieux que le silence et la solitude, c'est paradoxal d'imaginer que les jeunes se déplaceront seuls, sans leurs amis ou leur partenaire. Néanmoins, nous verrons plus loin qu'en ville ou pour parcourir de petites distances, il existe effectivement un marché pour les petits véhicules.

Si certaines idées techniques paraissent plus osées, farfelues ou irréalistes que d'autres il ne faut pas oublier qu'en parallèle la technologie évolue, notamment celle des processeurs, de la nanotechnologie et de l'analyse de l'ADN qui rendront ces concepts à portée des ingénieurs dans quelques années, à une époque où un processeur coûtera moins cher qu'un bout de papier.

Les ingénieurs nous diront dans dix ans s'ils ont trouvé le moyen de transformer ces idées de la planche de dessin à la chaîne de montage.

Salons de l'Auto : Detroit - Los Angeles - Tokyo - Francfort - Paris - Bruxelles - Genève

parmi plus 170 salons automobiles et expos existants à travers le monde

Auto Show (depuis 2000) - Top Gear - Turbo - Moniteur Automobile

L'avenir est aux petits véhicules

Constatant que nos grandes villes sont prises dans les embouteillages quasi en permanence, beaucoup de citadins utilisent les transports en commun, parfois encouragés dans leur démarche par des incitants financiers. Mais lorsque ces moyens de transports ne roulent pas en site propre, ils sont également confrontés aux embouteillages, que le gouvernement ou les communes aient ou non défini des conditions de circulation.

De plus, la plupart des véhicules qui circulent en ville ne transportent qu'une seule personne. Ils occupent donc au minimum deux fois plus d'espace qu'une petite voiture genre "Smart" et souvent dans des créneaux horaires bien précis.

L'amplification des problèmes d'embouteillages, de parking et de pollution dans les villes incitent de plus en plus de citadins à s'orienter vers les petites voitures offrant une faible consommation, dégageant peu de gaz carbonique (éco-taxes obligent) et se glissant partout.

Quatre concept cars, le Moovie de Peugeot (lauréat de la compétition des designers de 2005), le Minicat de Honda (2008) à air comprimé, l'EN-V de General Motors (2010) et l'Eggo de Damnjan Mitic pour Citroën (2011) dont les moteurs sont placés dans les roues. Dans certains concepts, des plaques solaires sont intégrées à la carrosserie.

Comme le pensent également les designers automobiles, une voie d'avenir et un secteur très porteur est celui des petites voitures citadines électriques à 1, 2 ou 3 places à l'avant tels les concepts Eggo de Citroën, EN-V de General Motors, V2G de Nissan, Moovie de Peugeot, PiXY de Suzuky, le Minicat et la Puyo de Honda, cette dernière ayant une carrosserie souple gélifiée. Mais pas d'empressement, ces véhicules urbains ne dépassent pas 50 km/h et ont une autonomie d'environ 50 km. Ceci dit, malgré ces bonnes intentions, aucun de ces véhicules n'a vu le jour.

A l'image des vélos en libre service, il existe également un marché pour les mini-voitures monoplaces ou à deux places et autonomes. Elles seront mises à la disposition du public moyennant l'utilisation d'une carte d'accès et un paiment au prorata des kilomètres parcourus, de la durée d'utilisation ou d'un forfait.

Cette "City car" ou "Cybercar" disposera d'un moteur électrique et d'un système de pilotage automatique géré par GPS (ou Galileo) allant jusqu'à parquer la voiture sans intervention humaine. Elle sera équipée d'une liaison informatique afin que les utilisateurs puissent interroger des bases de données comme le proposent déjà actuellement les voitures connectées équipées de GPS et d'écran tactile.

Des prototypes sont déjà testés aux Etats-Unis, à Londres, à Rome et à Castellon en Espagne. Actuellement ces véhicules sont encore peu utilisés, se limitant à transporter les visiteurs du parking ou de la gare vers le parc d'exposition. A terme, ces véhicules s'intégreront au paysage routier, bien que l'accès aux voies rapides leur sera interdit du fait de leur conception (stabilité et puissance limitées, vitesse maximale insuffisante).

BMW CLEVER

Tricycle monoplace

SUZUKY PiXY

Concept de monoplace électrique

HONDA Puyo

Mini-voiture deux places

La voiture électrique

Comme le rappelle cet article, il aura pratiquement fallut un siècle pour que les voitures électriques roulent dans nos rues ! Comme en 1881, aujourd'hui les raisons de cette timidité sont la faible autonomie des batteries et le défaut de compétitivité de ces véhicules comparé aux voitures thermiques.

Heureusement, en un siècle les technologies et la conjoncture économique ont évolué, permettant aux industriels de proposer des voitures électriques à des prix compétitifs, du moins si on reste dans la catégorie des petites voitures ou des modèles compacts.

L'intérêt de la voiture électrique est avant tout économique avant d'être écologique. En effet, la plupart des clients achètent un véhicule électrique non pas parce qu'ils sont écologiques ou fan de haute technologie - ce sont des facteurs appréciés mais secondaires - mais parce qu'ils sont directement touchés dans leur budget par la hausse permanente du prix du pétrole.

La BMW hybride i8 (coupé) et le modèle i3 électrique (familiale) sont commercialisés depuis 2014. La i3 est équipée d'une prise Combo de type 2 (prise standard et charge rapide).

Début 2008, pour la première fois le baril de pétrol brut (Brent) a dépassé les 100$ à la Bourse de New York et suit actuellement une progression alarmante qui le conduit tout droit vers les 200$ d'ici quelques décennies. C'est le signe annonciateur de la fin du pétrole bon marché. On y reviendra.

L'actualité nous rappelle de façon de plus en plus pressente que le moteur à explosion est voué à disparaître du parc automobile d'ici deux ou trois générations, d'abord au profit du moteur hybride, ensuite probablement au profit du moteur électrique (probablement, car nous verrons qu'il existe une solution alternative exploitant un biocarburant à base de micro-algues).

La production d'électricité peut être assurée de différentes manières : par des plaques solaires, des batteries à base de lithium (LMP) ou encore par une pile à combustible. Ainsi que nous le verrons dans l'article consacré à l'après Kyoto et les voitures électriques, cette technologie progresse constamment.

Les constructeurs ont commercialisé les premiers véhicules électriques en 2009 avec la Mitsubishi i-MiEV proposée au Japon. Elle fut suivie par la Bolloré Bluecar, la Citroën C-Zéro, la Fiat 500e et la Nissan Leaf commercialisées en 2010, l'Ampera et la Chevrolet Volt en 2011 (GM), la Fluence de Renault, la Smart, la Mercedes SLS AMG Electric Drive, la Ford Fusion, la Fisker Karma et la Tesla Model S en 2012, la Ford Fusion Energi, la Kia Soul et la Mahindra Reva e2o (Inde) en 2013. Puis le marché s'est étoffé avec des modèles électriques chez BMW (i3), VW (e-Golf), Peugeot (iOn), General Motors (Bolt), Volvo (XC40), MG (ZS), Jaguard (i-Pace), Audi (e-tron GT), etc. Bien sûr, tous ne sont pas de la même catégorie, ne présentent pas les mêmes options ni les mêmes performances

Audi présenta son premier concept électrique e-tron lors du Salon de l'automobile de Francfort en 2015. Selon, les modèles (e-tron 50, 55 et S) et les batteries, l'autonomie varie entre 300 et 450 km. Aujourd'hui Audi propose toute une gamme de véhicules électriques : des berlines, des SUV, des coupé 4 portes et même une R8.

Après le succès de la Tesla Model S, une berline électrique haut de gamme présentée au Salon de l'automobile de Francfort en 2009 (qui passa de la propulsion aux quatre roues motrices à partir de 2014) et qui reçut 5 étoiles à l'Euro NCAP (cf. le blog), en 2017 Elon Musk présenta la Tesla Model 3, le modèle électrique de troisième génération qui développe... 1020 chevaux et parcourt le 0 à 100 km/h en 2.1 secondes ! A ce jour, c'est l'accélération la plus rapide sur une voiture de production.

A lire : Les voitures hybrides et électriques

A gauche, la Tesla Model 3 commercialisée en 2014. Elle développe 1020 chevaux et atteint 322 km/h. Sur catalogue son autonomie est de 628 km (modèle longue autonomie) mais en pratique elle varie entre 450 et 580 km. Elle parcourt le 0 à 100 km/h en 2.1 secondes ! L'accélération est tellement puissante que vous finissez par avoir mal aux bras et à la nuque ! A droite, le concept d'Audi e-tron GT révélé au Los Angeles Auto Show en 2018. Voici l'arrière du véhicule. Ce concept de coupé électrique 4 places 4 portes est à 99% identique aux modèles Quattro et RS commercialisés. La version RS affiche 646 chevaux en mode boost et atteint 100 km/h en 3.3 secondes. Son autonomie est de 450 km.

Mais si le marché des véhicules électriques a bien démarré pourquoi ne s'emballe-t-il pas ? Voyons les choses en face : en 2020, il n'existait que 1000 bornes de recharge électrique en Belgique. C'est 25 fois moins qu'en France et 40 fois moins qu'aux Pays-Bas ! On en trouve également qu'une poignée dans les parkings publics (cf. l'appli Chargemap pour mobile) ou d'entreprise et la plupart du temps les bornes sont déjà occupées et parfois elles sont même payantes ou réservées aux abonnés.

Vu ce faible intérêt des constructeurs comme du secteur privé (une résolution du Parlement Européen sur la performance énergétique des bâtiments votée le 17 avril 2018 exige que ce marché reste entre les mains du secteur privé), ajouté au prix élevé d'une voiture électrique et au prix d'installation d'une borne électrique à domicile, ceci explique en partie pourquoi la motivation du public ne suit pas et que technologique évolue relativement lentement.

Encore aujourd'hui, les infrastructures publiques manquent cruellement de bornes électriques de recharge (et quand elles existent certaines ne sont pas fiables), les prises électriques ne sont pas standardisées, le temps de recharge est très long (ce n'est qu'en 2014 que le Parlement Européen approuva la prise de recharge Combo au standard T2) et l'autonomie de ces voitures est réduite, oscillant entre 300 km pour les petites citadines et entre 450-580 km pour les derniers modèles de compactes, berlines et sportives mais dont le prix est à la mesure de leurs performances.

Ceci dit tous les 10 ans à peu près l'autonomie des batteries double. Mais en 2021 Audi annonça qu'il n'allait pas augmenter leur autonomie (qui a un impact sur le poids du véhicule) mais comptait plutôt sur un changement des habitudes des conducteurs et sur l'évolution technologique des accumulateurs.

Sur le plan technologique, les accumulateurs évoluent dans le bon sens. En 2021, l'entreprise israélienne StoreDot, pionnière de la technologie de recharge électrique ultra rapide (XFC) proposa les premiers exemplaires de batteries capables de se charger... en 5 minutes. Elles utilisent des composés organiques combinés à des nanomatériaux. L'invention est protégée par une centaine de brevets. Mais il faudra encore attendre des années pour qu'elles soient éventuellement utilisées dans les voitures électriques grand public.

A voir : StoreDot, 2019

A gauche, échantillons des premiers exemplaires de batteries présentés en 2021 par StoreDot capables de se charger en 5 minutes. Elles utilisent des composés organiques et des nanomatériaux. A droite, la batterie Li-Ion développée par Panasonic et modifiée par Tesla. Pour produire les 85 kWh de la Tesla Model S, il faut 7104 batteries Li-ion de ce type (appelées cellules) connectées en série dans 16 modules, chacun contenant 6 groupes de 74 cellules. L'ensemble pèse 540 kg. Tesla garantit ses batteries 8 ans ou 200000 km (car la batterie perd 1% de charge tous les 50000 km) ou sans limite de kilométrage pour les batteries produisant plus d'énergie.

Devant ce constat et le fait que la plupart des voitures électriques sont encore très chères, on observe la plus forte croissance dans le marché des véhicules hybrides avec une augmentation moyenne de 30% en Europe en 2019.

Mais bien qu'en pleine expansion, ce marché représente selon les pays à peine 10 ou 15% du parc des voitures particulières, en tenant compte des modèles hybrides. Ainsi, en 2020 selon l'ACEA, en France les véhicules rechargeables (hybrides et électriques confondus) représentaient seulement 11.3% des immatriculations (cf. Avere-France) alors qu'une étude très optimiste du cabinet Xerfi prévoyait 16.5% rien que pour les véhicules hybrides en 2020. En Belgique, les véhicules rechargeables représentaient 10.7% du parc automobile (cf. Statbel) et 11.4% du parc au Luxembourg (cf. Statec).

Cette faible croissance s'explique du fait que l'autonomie du moteur électrique des véhicules hybrides dépasse rarement 50 km pour une vitesse maximale de 130 km/h (per ex. la VW Golf GTE). Le moteur thermique est également souvent de petite cylindrée (<1.5 litre) et devient poussif sur les routes de montagne ou dans les cols. Mis à part sur de petits trajets où l'hybride est optimisé, il ne s'agit donc pas encore de véhicules pouvant concurrencer les compacts, sportives, berlines et autres grandes routières équipées de moteurs thermiques traditionnels et puissants.

A gauche, évolution du parc mondial des voitures électriques entre 2005 et 2017. A droite, proportion de véhicules électriques et hybrides (hors utilitaires) dans les ventes mondiales de voitures particulières en 2020. Documents Statista.

Selon l'Observatoire Cetelem de l'Automobile (OCA), si 30% des Européens ne savent pas encore quel sera leur prochain modèle de véhicule, ils sont 25% à vouloir conduire un véhicule hybride contre seulement 7% à vouloir un véhicule électrique.

Cette indécision s'explique par la politique gouvernementale plutôt timide en cette matière (dans plusieurs pays européens la prime écologique a été supprimée), les problèmes techniques que rencontrent les constructeurs et la situation socio-économique qui incite les propriétaires à conserver plus longtemps leur véhicule (9.7 ans en moyenne en Europe selon l'OCA). On reviendra sur la question de l'âge du parc automobile quand nous discuterons de l'après-Kyoto et de la taxe sur les voitures polluantes.

Selon Statista, 5 millions de véhicules électriques furent immatriculés dans le monde en 2018 (contre 1.2 million en 2015) alors qu'on estimait en 2014 que le marché des voitures électriques représenterait 2.7 millions de véhicules en 2018; elle donc deux fois plus rapide que prévu. La progression la plus importante s'observe en Chine et aux Etats-Unis qui rassemblent la moitié du parc mondial des voitures électriques. En revanche, dans ces deux pays la proportion de véhicules rechargeables parmi les voitures particulières est très faible, avec respectivement 6.2 et 2.3% du parc automobile (hors véhicules utilitaires).

A voir : La Mitsubishi Emirai

Rinspeed iChange ou la voiture modulable du futur (sur le blog, 2009)

D'ici une génération la plupart de nos voitures seront électriques. En voici un aperçu. A gauche, la GM Chevrolet Sequel à moteur électrique Lithium-Ion. Ce concept 5 portes pèse 2 tonnes et délivre une puissance totale de 155 kW. A droite, le concept Mitsubishi Emirai repense totalement le poste de conduite de la voiture de 2020. Voici une deuxième image.

Comme le rapporte Statista, c'est en Norvège que la proportion de véhicules rechargeables est la plus élevée avec 74.8% du parc automobile en 2020. Mieux, 46% des voitures achetées en 2019 par les Norvégiens étaient électriques. On estime que cette proportion atteindra 100% en 2025. La proportion atteint 45% de véhicules rechargeables en Islande et plus de 32% en Suède.

Mais il y a une raison à ce boom de l'électrique en Norvège : l'Etat offre aux propriétaires un couloir de transport prioritaire, la gratuité des parkings publics, des recharges, des péages et l'exemption des taxes routières, ce qui représente des milliers d'euros d'économie chaque année pour l'heureux propriétaire comparé à ce qu'on paye en France ou en Belgique.

On estime que la progression du marché des véhicules électriques devrait s'accélérer dans les années à venir du fait que de plus en plus de constructeurs proposent au moins une e-car à leur catalogue. General Motors prévoit de lancer 30 modèles de voitures électriques d'ici 2023.

Les technologies s'améliorant et les standards se généralisant, on peut estimer que d'ici 2040 la plupart d'entre nous rouleront en véhicule électrique. Reste à savoir de quelle manière cette électricité sera produite car il existe d'autres technologies plus évoluées que la batterie classique.

La pile à combustible

Si le moteur électrique de la Bolloré tire son énergie de plaques solaires, on peut également produire de l'électricité à partir d'une pile à combustible ou "fuel cell". De quoi s'agit-il ?

Principe de la pile à combustible. DR.

Inventée en 1964 par General Electric pour alimenter les capsules spatiales Gemini (vol orbital en 1965) en électricité, c'était une pile alcaline utilisant comme électrolyte (la substance contenant des ions libres permettant le passage du courant) de la potasse liquide et développant 1 kW. Le système a évolué et il existe aujourd'hui une dizaine de procédés.

L'électrolyte, liquide ou en solution, varie d'un constructeur à l'autre (hydrogène, méthanol, etc). Parmi les systèmes les plus populaires il y a la pile à hydrogène.

C'est Honda qui inaugura ce marché prometteur en 1999 soit 4 ans avant la directive européenne sur le principe du "pollueur-payeur", en sortant le premier prototype de véhicule à hydrogène, la Honda FCX-V1, alimentée par une pile à combustible.

La "pile" dont on parle consomme de l'hydrogène et de l'oxygène pour produire de l'électricité et faire tourner le moteur électrique qui fait avancer la voiture, selon la formule : 2H2 + O2 → H2O + énergie. Les rejets de la réaction sont de la vapeur d'eau et de la chaleur (cf. cette page explicative du CEA).

Lorsqu'on annonça la commercialisation des premières piles à combustible, certains lobbies ont prétendu que ce type de technologie était très dangereux; le réservoir contenant de l'hydrogène comprimé à 700 bars constituant une véritable bombe ! Info ou intox ?

L'hydrogène est un combustible et à ce titre il est inflammable. Rappelez-vous l'accident du Zeppelin Hindenburg dont l'enveloppe contenant de l’hydrogène s'est embrasée pendant un orage alors qu'il s'apprêtait à atterrir à Lakehurst, dans le New Jersey, le 6 mai 1937. Le combustible doit donc faire l'objet d'une protection spéciale.

Concrètement, que se passe-t-il en cas d'accident avec une voiture à l'hydrogène ? Pour résister aux 700 bars de pression, le réservoir est fabriqué en carbone et présente une épaisseur de 15 cm. A ce jour tous les crash-tests ont montré que dans les conditions normales d'accidents, y compris lorsqu'un camion semi-remorque aplatit la voiture, le réservoir résiste. Bref, il y a moins de risque à conduire ce type de véhicule qu'un modèle équipé d'un moteur thermique où le carburant est hautement inflammable !

Autre avantage, le poids. Pour atteindre une capacité énergique de 85 kWh, l'ensemble des batteries crayons Li-ion pèse 540 kg. Par comparaison, un moteur exploitant une pile à combustible développpant 100 kW ou 134 ch pèse 148 kg dont 4.1 kg d'hydrogène.

A gauche et au centre, la Honda FCX Clarity sortie en 2007 fut le premier véhicule civil à fonctionner à l'hydrogène. Elle fut proposé en leasing jusqu'en 2014. A droite, le concept Honda FCEV présenté fin 2013 qui la remplacera à partir de 2015. Le gaz d'échappement de ce type de véhicule ne contient que de la vapeur d'eau. Le moteur est également silencieux. Les seuls bruits perceptibles dans l'habitacle sont les bruits de roulement et aérodynamiques.

Fin 2007, la Honda FCX Clarity fut la première voiture de série utilisant une pile à combustible. Ce modèle 4 portes délivrait dans le plus grand silence une puissance 100 kW ou 134 ch, était capable d'atteindre 160 km/h et présentait une autonomie de 620 km. Malheureusement, ce modèle ne fut commercialisé qu'au Japon et aux Etats-Unis et uniquement en leasing jusqu'en 2014.

Fin 2013, à l'Auto Show de Los Angeles Honda présenta son nouveau concept FCEV à pile à combustible. Ce modèle dispose d'une pile trois fois plus petite et plus puissante que celle équipant la FCX Clarity et se recharge en 5 minutes. Ce modèle sera commercialisé aux Etats-Unis et au Japon en 2015 et ensuite en Europe.

En 2013, Nissan, Daimler et Ford annoncèrent qu'ils voulaient accélérer le développement de la pile à combustible pour en équiper leurs véhicules dès 2017. Voire même plus tôt selon Toyota. En effet, au 43e Salon de Tokyo qui s'est tenu en décembre 2013, le constructeur japonais présenta la Toyota FCV Concept2, une berline fonctionnant à l'hydrogène, annonçant sa commercialisation en 2015.

Le SUV Hyundai ix35 Fuel Cell commercialisé en 2020.

En mars 2014, au Salon de Genève Hyundai présenta le concept HED-9 Intrado, un SUV dérivé de l'actuel ix35 en version Fuel Cell.

La production à grande échelle de ce SUV débuta en 2015 mais six mois plus tard, le constructeur coréen n'avait vendu que 2 modèles en France à 56000 € l'unité (soit trois fois plus cher que le modèle thermique).

Sur catalogue, l'autonomie du Hyundai ix35 Fuel Cell est de 564 km, mais plus proche des 450 km en conditions réelles. En 2021, son prix diminua de 10% mais les bornes de recharge manquent toujours cruellement en Europe, ce qui explique le désintérêt des clients potentiels.

Mais où sont passés les constructeurs européens ? Comme on dit dans ces cas là, ils y travaillent... Autrement dit ils ont prit du retard et brillent encore par leur absence. Espérons que ce soit pour mieux rebondir.

Ainsi les ambitions de Volvo vont encore plus loin en écartant définitivement la batterie ainsi qu'ils l'ont annoncé en 2013. Grâce à des fonds européens, le constructeur suédois qui appartient aujourd'hui au groupe chinois Geely travaille actuellement sur un nanomatériau conducteur en fibre de carbone capable à la fois de remplacer la carrosserie métallique et d'emmagasiner de l'électricité (projet StorAGE, voir cette vidéo). Des essais sont effectués sur une Volvo S80.

Le moteur à explosion risque toutefois de survivre dans les pays capables de produire suffisamment de biocarburant (notamment au Brésil et aux Etats-Unis) ou auprès des usagers préférant les voitures hybrides (diesel-électrique) voire même des inconditionnels qui préféreront utiliser leur ancien modèle thermique et payer 3 € sinon plus leur litre de carburant pour avoir le plaisir de ressentir les émotions de jadis.

On en reparlera d'ici une ou deux générations lorsque la pile à combustible se sera généralisée (probablement) et sera en compétition avec le biocarburant à base d'algues vertes (voir plus bas).

La Bolivie, "nouvelle Arabie Saoudite" du lithium

Grâce aux batteries au lithium et à la pile à hydrogène, le lobby de l'industrie des hydrocarbures sera bientôt à court d'énergie pour défendre sa technologie. En effet, non seulement les réserves de pétrole sont comptées, mais l'Altiplano de Bolivie, une ancienne région volcanique où on extrait actuellement du sel (cf. le salar d'Uhyuni), regorge également de lithium. Sans être précieux, à l'avenir ce métal alcalin va être aussi convoité que le pétrole.

Le lithium (3Li) est le métal le plus léger du tableau périodique de Mendeleïev. Cet élément existe depuis la naissance de l'Univers et est très abondant, sa teneur atteignant 20 ppm dans la croûte terrestre (contre 280000 ppm pour le silicium et 23000 ppm pour le sodium). C'est le 33e élément le plus abondant sur Terre.

Extraction de saumure de carbonate de lithium dans le Salar de Uyuni en Bolivie.

Il est principalement disponible sous forme de carbonate de lithium comme dans les salars de Bolivie ou de pegmatites granitiques contenant des silicoaluminates de lithium (spodumène, pétalite et lépidolite) comme dans les mines à ciel ouvert d'Australie notamment.

Selon la Deutsche Bank, les ressources mondiales de lithium (volume x concentration) étaient évaluées à 273 Mt en 2017 dont 102 Mt de réserves (gisments exploitables). En 2019, le Chili disposait de 36% des réserves mondiales, la Chine de 26%, l'Argentine de 23% et les Etats-Unis de 3%.

De nouvelles estimations indiquent que la Bolivie détient entre 50 et 70% des réserves mondiales de lithium, soit environ 100 milliards de tonnes, au point que la région des lacs salés a été surnommée la "nouvelle Arabie Saoudite" du lithium. Ces réserves pourraient alimenter ... 100 milliards de véhicules ! LG et Mitsubishi sont d'ailleurs en train d'explorer la région. Le Tibet regorge également de ce métal.

Actuellement, le Salar d'Atacama, au Chili, produit près de 40% du lithium mondial selon les statistiques du Meridian International Research. Selon l'USGS, les besoins mondiaux sont actuellement de 25000 tonnes par an et augmentent en moyenne de 14.4% par an depuis 2008.

Grâce à son pouvoir énergétique élevé et sa haute densité de masse, le lithium entre dans la fabrication des piles, notamment celles des ordinateurs, des batteries des véhicules, celles des appareils mobiles, ainsi que dans la fabrication du verre, des céramiques et des alliages en aluminium renforcé pour l'aviation.

En 2003, le prix (corrigé de l'inflation) du carbonate de lithium était de 1550$ la tonne. Son prix atteignit 2320$ la tonne en 2006 et dépassa 16500$ la tonne en 2018 selon Metalary. Mais la demande en batterie au lithium n'a pas été aussi importante que prévu, les automobilistes achetant encore en majorité des véhicules thermiques.

Face à ce manque à gagner, selon des analystes il n'est pas impossible que nous allions vers une crise du lithium dans les années à venir avec une chute importante des cours. Elle semblait s'amorcer entre 2009 et 2011, mais c'était "pour mieux sauter".

En Bolivie, la production de lithium est passée au stade industriel en 2019. Malheureusement, ce ne sont probablement pas les Boliviens qui profiteront le plus de cette richesse. L'industrie du lithium consomme énormément d'eau, une ressource vitale pour les paysans boliviens mais qui n'enrichit que les industriels occidentaux.

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A gauche, le Salar de Uyuni en Bolivie et l'une des principales sources mondiales de lithium (sous forme native de carbonate de lithium). Quand il pleut il se transforme en saumure. A droite, l'évolution de la demande de lithium (prix hors inflation). Les prix du métal suivent la demande. En Bolivie, en 2019 la production de carbonate de lithium est passée au stade industriel. Toutefois, bien que les réserves soient très importantes, une crise du lithium pourrait se profiler à l'horizon. Documents Tunari et TRU Group.

A moins que le gouvernement bolivien ne mette en place une politique commerciale comme à Dubaï, dans les Emirats ou en Arabie où tous les investisseurs étrangers doivent signer un contrat avec un partenaire local, le lithium bolivien est une mine d'or qui est en train d'échapper à ses habitants.

Si, aujourd'hui les paysages de l'Altiplano sont synonymes de beauté sauvage et baignent non seulement dans une saumure quand il pleut mais dans un calme surnaturel, il se peut qu'un jour cette région fasse beaucoup de bruit et devienne un enjeu économique aussi convoité que les mines d'or. Reste à gérer cet environnement exceptionnel de façon durable et sans faire trop d'éclaboussures.

Cecit dit, rappelons qu'il existe des substituts et des alternatives au lithium (cf. les batteries à cellules prismatiques et les batteries à semi-conducteurs de Toyota), y compris sans métaux lourds, la pile à combustible étant l'exemple emblématique.

La fibre de carbone et les matériaux composites

Les matières utilisées font également l'objet de toutes les attentions afin d'augmenter les performances du véhicule tout en réduisant son poids.

A côté de l'acier trempé ou acier martensitique alliage Fe-Ni, Fe-C, Fe-Al, Fe, Mn) qui constitue encore la matière essentielle des véhicules (~80%), de plus en plus d'éléments de carrosserie ou mécaniques sont fabriqués en acier doux pour dessiner les arêtes et les figures de style, en aluminium pour alléger le véhicule (capot, portières, pare-chocs), en silicium pour absorber les bruits (toit ouvrant laminé), en magnésium pour sa résistance et son faible poids (certains éléments du bloc-moteur) et en fibre de carbone (carrosserie, toit amovible).

Le coupé VW XL1 (2014) fabriqué en grande partie en fibre de carbone et alliage de magnésium comprend une caméra profilée dans les portes à la place du rétroviseur. La Honda e l'adopta en 2020.

Les matériaux composites, assemblages de plusieurs matières non miscibles (qui ne se mélangent pas) seront de plus utilisés à l'avenir car ils offrent des propriétés que les composants pris individuellement ne possèdent pas : rigidité, résistance, souplesse, légèreté, scalabilité, etc.

Aujourd'hui, des technologies ou des matériaux jadis uniquement accessibles aux constructeurs de Formule 1 et à des entreprises aux budgets d'envergure militaire sont accessibles aux petits entrepreneurs qui ont l'opportunité de commercialiser des produits innovants en grande quantité aux fabricants d'automobiles.

C'est notamment le cas de la fibre de carbone, des composites thermoplastiques hautement résistants (cf. Fiberforge et son Hypercar) et des vitres en polycarbonate (comme les verres de certaines lunettes). Ainsi, une carrosserie en carbone est 3 fois plus résistante qu'une carrosserie en acier trempé et 9 fois plus légère.

Malheureusement, la fibre de carbone est encore réservée aux sportives de haut standing (Lamborghini,Veron et autre Pagani) et on peut être optimiste si la carrosserie de la voiture de Mr.Tout-le-monde en bénéficiera en 2030 car le prix de ce tuning high tech réserve ce matériau aux plus fortunés.

Mais cela se démocratise. Pour preuve, la carrosserie et le châssis du coupé VW XL1 (vendu tout de même 110000 € en 2014 à 200 exemplaires) comprend 77% de fibre de carbone et d'alliage de magnésium. Plus étonnant, la peinture qui recouvre le tableau de bord... imite l'aspect de la fibre de carbone !

Il faut ajouter les nombreux petits accessoires électro-mécaniques faisant appel à de la haute technologie et des accessoires en nanomatériaux dont les prix se sont démocratisés au fil des années permettant une production rapide à grande échelle.

Ainsi, grâce à des fonds européens, Volvo a annoncé en 2013 qu'il travaillait actuellement sur un nouveau nanomatériau conducteur combinant de la fibre de carbone et des conducteurs électriques noyés dans une résine de polymères offrant à la fois résistance et souplesse. Ce nanomatériau remplace la carrosserie métallique et est capable d'emmagasiner de l'électricité. Globalement, ce matériau réduit le poids de la voiture de 15% et diminue le volume de certaines pièces. Le projet baptisé StorAGE est actuellement testé sur une Volvo S80.

Notons que depuis 2014, la première imprimante 3D capable de traiter la fibre de carbone en continu a été commercialisée par l'entreprise MarkForg3D.

A voir : Le projet StorAGE de Volvo

Mark One 3D - The First Carbon Fiber 3D Printer (2014)

La révolution du graphène

Les propriétés du graphène introduit précédemment (les écrans souples OLED) sont tellement intéressantes qu'à l'avenir son usage sera probablement universel.

Aussi solide qu'un million de feuilles de papier réduites à l'épaisseur d'un seul atome (70 picomètres), le graphène est 200 fois plus résistant que l'acier et 6 fois plus léger. Il est élastique, il résiste aux agents chimiques, à la chaleur, il est 10 à 100 fois plus conducteur que le silicium, il est capable de stocker beaucoup d'énergie et en consomme peu, et ne chauffe presque pas sous l'effet d'un champ électromagnétique.

Il n'en fallait pas plus pour envisager de l'utiliser pour fabriquer des éléments destinés au secteur de l'électronique (processeurs, transistors), de l'informatique (écrans souples), de l'automobile (carrosseries, batteries, pare-brises, etc), de la médecine (prothèses et accessoires), de la protection (revêtement, vêtement, etc), de la construction (tel le projet futuriste de la Pyramide de Shimizu), de l'aviation, de l'armement, et évidemment en astronautique pour satisfaire aux conditions extrêmes de l'espace (y compris le futur ascenseur spatial). C'est dire tout son potentiel.

Si sa fabrication était très onéreuse il y a quelques années en raison du procédé de fabrication, réservant ce matériau à quelques sociétés pionnières, aujourd'hui les géants de l'informatique (IBM, LG, Samsung...) ainsi que des start-ups s'intéressent à ce produit qui n'est finalement rien d'autre que du carbone, omniprésent et donc en principe bon marché.

Hype cycle ou cycle de vie des technologies en fonction de leur impact et de leur probabilité d'adoption par le marché établi en 2014. Le graphène entre dans le cycle. Document Gartner adapté par l'auteur.

En 2012, un consortium d'industriels réuni au sein de GRAF-TECH et des chercheurs polonais ont démontré qu'on pouvait produire du graphène en grande quantité à faible prix.

Pour attirer les chercheurs et les industriels dans ce secteur très porteur, l'Union européenne a débloqué 1 milliard d'euros entre 2013 et 2023, pour financer la recherche sur les applications du graphène. Actuellement l'Europe a déjà subsidié 74 partenaires académiques et industriels dont beaucoup de laboratoires universitaires, là où naissent généralement les inventions.

Justement, comme évoqué précédemment, en 2015 l'ingénieur Ravinder Dahiya et son équipe de l'Université de Glasgow ont annoncé qu'ils avaient découvert la possibilité de produire du graphène 100 fois moins cher qu'auparavant. Son procédé permet de fabriquer des feuilles de graphène au détail à partir de cuivre revenant à 1$ par mètre carré, comparé aux 115$ que coûtait jusqu'à présent la même quantité de cuivre.

Face à ce progrès, si on se base sur le cycle de Hype des innovations, on peut en déduire que la production de graphène en masse sera une réalité vers 2030.

La société BCC Research estime que la valeur du marché des produits à base de graphène s'élève à 67 millions de dollars en 2015 et sera dix fois plus élevée en 2020, ce que confirme IDTechEx qui prévoit que le marché du graphène atteindra une valeur de 100 millions de dollars en 2018.

Dans le secteur automobile et en particulier celui de la fabrication des accumulateurs, les électodes en nanomatériaux, graphite et graphène (deux formes de carbone), offrent des performances bien supérieures à celles des batteries Li-Ion dont la cathode est faite d'un oxyde de métal.

Selon des expériences conduites en 2011 par Jun Liu du Pacific Northwest National Laboratory pour le compte du Département de l'Energie américain, une batterie Li-air à base de graphène offre une capacité de stockage d'énergie atteignant 15000 mAh/g soit 15 fois supérieure à celle d'une batterie Li-Ion !

D'autres expériences conduites par Sinode Systems en 2013, on démontré qu'une batterie à base de graphène et de silicium offre une capacité équivalente à dix fois celle d'une batterie Li-Ion.

Cela signifie que les batteries à base de nanomatériaux pourront être plus petites, plus légères tout en offrant au véhicule une autonomie de plusieurs milliers de kilomètres. A l'avenir, quand une voiture s'arrêtera, la plupart du temps ce ne sera plus pour faire le plein ou recharger la batterie mais pour le repos de son conducteur !

A voir : Graphene - The Next Tech Revolution ?

Future Applications of Graphene - What is Graphene ?

Si ces nouvelles technologies sont prometteuses, elles ont l'inconvénient d'être incompatibles avec les chaînes de montage dédiées à l'acier ou à l'aluminium. Les constructeurs ne vont pas investir des centaines de millions de dollars pour le seul bénéfice de leurs clients. Il faudra donc leur prouver financièrement parlant qu'ils s'y retrouveront en abandonnant par exemple le département de peinture des carrosseries et en réduisant l'assemblage du véhicule à une vingtaine d'éléments thermoformés pour ne prendre que deux exemples.

Lorsque les constructeurs seront financièrement intéressés par cette idée, d'ici une génération on peut donc imaginer que nos voitures seront fabriquées en alliage métallique ou en matériaux composites afin de réduire leur poids tout en augmentant leur résistance et la sécurité des passagers. Alliées à un moteur électrique non polluant, ces automobiles "vertes" à basse consommation, beaucoup plus résistances et plus pratiques, vont révolutionner le secteur automobile et indirectement le paysage urbain.

Des micros-algues dans le moteur

Pour réduire notre dépendance vis-à-vis des énergies fossiles, depuis quelques années les scientifiques et les industriels se sont intéressés aux biocarburants, c'est-à-dire l'énergie produite par la transformation de la biomasse en éthanol qui vient compléter voire remplacer le carburant d'origine fossile.

Les micro-algues, le biocarburant de troisième génération, est une alternative au moteur hybride ou électrique, mais pas avant 2020.

La technologie la plus prometteuse exploite la culture des micro-algues. En effet, omniprésentes dans les océans et d'une culture assez facile tout en étant complexe, les micro-algues telles que les cyanobactéries et les diatomées renferment beaucoup de nutriments et présentent un potentiel énergétique très élevé.

Des analystes estimaient que d'ici 2020 nous pourrions remplacer jusqu'à 20% du carburant classique par du biocarburant à base d'algues. C'est la même proportion que la place estimée du gaz naturel à cette date.

A plus long terme, le marché dépendra du coût de production des différentes technologies et notamment des voitures électriques.

Si cette technologie ne peut pas être rentable à court terme, le DARPA prétendit en 2010 être capable de produire du fuel à base d'algues pour ses jets au prix de 2$ par gallon soit 0.3850 € le litre !

Cette annonce fut renforcée par celle de la société américaine Algenol, une des plus avancées dans le secteur, qui déclara qu'elle produisait 8400 m3/km2/an d'éthanol. Elle espérait débuter sa commercialisation en 2014 mais repoussa la date. Si cela ce projet devait se confirmer, cela sous-entend que cet industriel proposerait ce biocarburant à un prix compétitif sur le marché américain, soit environ 0.5 € par litre, prix de gros.

Mais selon Rex Tillerson, CEO d'Exxon Mobil, le "carburant d'algues devra attendre plus de 25 ans pour que sa commercialisation soit viable".

Le sujet étant intéressant mais assez vaste, nous détaillerons cette technologie dans l'article consacré à l'avenir des biocarburants.

A côté des développements touchant les carrosseries et les moteurs, les systèmes de conduite et de sécurité intelligents figurent de plus en plus au catalogue des constructeurs.

Les pneumatiques

A une époque où chacun veille sur sa consommation d'énergie et évite de polluer, l'un des facteurs qui affecte le plus la consommation des véhicules est le frottement des pneus sur la route qui représente jusqu'à 30% de la consommation. Comment rendre les véhicules plus économiques et plus écologiques ?

A moins d'utiliser un aéroglisseur ou un véhicule à sustentation magnétique, à l'heure actuelle il n'existe pas d'alternative aux pneus. En revanche, en quelques décennies ils ont beaucoup évolué (vulcanisation, caoutchouc synthétique, pneus à clous, structure radiale, pneu hiver sans clous, pneu increvable, pneu de roulage à plat, etc). 

Aujourd'hui encore, les ingénieurs font tout leur possible pour améliorer trois facteurs qui conditionnent les performances des pneumatiques : leur efficacité énergétique, le freinage et l'adhérence sur sol mouillé et le niveau de bruit émis.

Profil d'un pneu ContiWinterContact TS 850P (classe C, 72 dB). Sans doute pas le plus économique, mais l'un des meilleurs pneus hiver.

De nos jours, les pneus affectant le moins la consommation de carburant sont de ceux de classe "A" (cf. les labels des pneus). Cette échelle en sept degrés tient compte du rapport entre la résistance au roulement (qui dépend de la résistance aérodynamique, du poids, de la structure et de la forme de la bande de roulement, du micro-glissement et du niveau de pression) et la combustion.

On peut également réduire la combustion en optimisant la construction du pneu : plus il est léger, plus la résistance au roulement est faible et moins le véhicule utilise d'énergie pour mettre les roues en mouvement. Autrefois, les pneus en diagonale offraient une résistance au roulement supérieure à 20% aux pneux radiaux, d'où la généralisation de ces derniers.

Mais la forme de la bande de roulement ainsi que la présence de cales et d'autres éléments de l'avant du pneu représentent également jusqu'à 60% de la résistance au roulement du pneu. Le type de caoutchouc (butadiène, naturel ou styrène-butadiène) et le processus de durcissement du pneu auront donc aussi un impact sur sa résistance et sa longévité. Ceux offrant la plus faible résistance au roulement contiennent plus de butadiène et plus de charge (de la silice combinée à un liant comme les silanes).

Ensuite, la taille des pneus (largeur, hauteur, diamètre, par ex. 225/45 R17) influence beaucoup la combustion. Un pneu à profil bas rend le pneu plus rigide et offre une résistance au roulement plus faible. Concernant les pneus larges, une réduction de 1 cm de la largeur des pneus entraîne une diminution aérodynamique de ~1.5%. Plus la bande de roulement est petite et peu profonde, plus la résistance au roulement sera faible mais l'adhérence sera mauvaise (et risque de danger) sur sol mouillé. Une pression de pneu trop basse augmente aussi la résistance au roulement (une perte de 0.3 bar augmente la résistance au roulement de 6%, une réduction de 1 bar l'augmente de 30% ainsi que la consommation de carburant de quelques pourcents).

Enfin, le type de conduite va forcément jouer sur la concommation. On peut réduire sa consommation de carburant en jouant sur le frein moteur, en évitant le freinage et l'accélération dynamiques, de conduire sur des rapoorts trop élevés et en contrôlant mieux la route devant soi afin d'anticiper les manoeuvres.

Si vous respectez toutes ces consignes vous économiserez au moins 1 litre/100 km voire plusieurs si vous adoptez une conduite plus souple. Quant à éviter les bouchons, c'est une autre histoire.

Prochain chapitre

La sécurité des véhicules

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