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Concept d’autoroute énergétiquement intégrée.
Nicolas Hautière

De la route électrique à la route énergétiquement intégrée
Nicolas HautièreAdjoint au directeur du département COSYS en charge de la R5G - Ifsttar

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Si, pour l’instant, l’électromobilité reste encore relativement anecdotique, la généralisation de cette forme de mobilité posera des problèmes d’infrastructures de recharge. C’est pourquoi le développement de la route électrique, à savoir l’adaptation des infrastructures routières pour favoriser l’essor d’une électromobilité sans contrainte pour l’usager, est un enjeu de recherche et développement prégnant, qui intègre de nombreuses problématiques scientifiques et techniques connexes que cet article tente d’illustrer.

La transition énergétique dans le domaine des transports se traduit notamment par le développement de l’électromobilité afin de permettre à une mobilité sans émission locale et possiblement décarbonée de voir le jour. Ce dernier point constitue un fort enjeu de société dans un contexte :

  • de lutte contre les émissions de CO2 et le changement climatique ;
  • de recherche de solutions pour améliorer la qualité de l’air, non seulement dans les villes et leurs périphéries, mais également dans des lieux sensibles, comme certaines vallées alpines.

Enfin, l’électromobilité vient en accompagnement de nouvelles offres de mobilités servicielles pour l’urbain et le périurbain, comme l’autopartage, le transport à la demande ou la desserte du dernier kilomètre, tant des personnes que des biens. La mobilité autonome est en effet étroitement associée à la mobilité électrique.

LA ROUTE ÉLECTRIQUE AU SERVICE D’UNE MOBILITÉ SANS CARBONE

La route électrique répond potentiellement à de nombreux enjeux de société, mais son degré de maturité reste difficile à apprécier.

Intérêt socio-économique

L’autonomie et la mise à disposition sur l’espace public de bornes pour pouvoir recharger les véhicules électriques en toute circonstance sont réputées constituer les principaux freins au développement de la mobilité décarbonée.

Le développement de batteries avec toujours plus d’autonomie fait partie des pistes de recherche, mais cela renchérit d’autant le coût des véhicules, les rendant inaccessibles à certains segments de population. Pour les véhicules utilitaires, comme les véhicules de transport de marchandises, cela réduit également leur capacité d’emport, les batteries étant plus lourdes.

La route électrique est un concept technologique qui permet la recharge en continu des véhicules électriques ou hybrides. En intégrant le chargeur dans les infrastructures routières et en positionnant les sections équipées aux endroits stratégiques, les usagers et les professionnels du transport n’auraient donc plus à s’inquiéter de l’autonomie de leurs véhicules et ces derniers pourraient être équipés de batteries plus petites et donc moins coûteuses. Ainsi, l’acceptabilité des usagers, n’ayant plus à brancher leur véhicule, pourrait s’accroître, et la compétitivité des constructeurs de véhicules, dont les prix demeureraient accessibles, pourrait augmenter.

Avec cette technologie, les véhicules peuvent être rechargés au fil de l’eau en modulant les appels de puissance, et tous les véhicules ne se rechargeant pas à la même heure, les appels de puissance démesurés, que les producteurs d’énergie ne peuvent pas assumer, sont évités. Par exemple, l’électrification des flottes de bus est un casse-tête en matière de temps de recharge nocturne pour les opérateurs de transports en commun. Pouvoir recharger les bus pendant le roulage en journée constitue donc potentiellement une solution pour le réduire.

MATURITÉ DES DIFFÉRENTES TECHNOLOGIES

Parmi les différentes technologies de route électrique ayant été démontrées en vraie grandeur, on peut distinguer trois grandes familles :

  • La première technologie, plus aboutie et d’ores et déjà déployée en milieu urbain, consiste à équiper les routes et rues de caténaires. Des démonstrateurs d’autoroutes électriques avec caténaires ont été construits en Suède et d’autres projets sont prévus dans le monde entier.
  • Le transfert de la technologie APS (alimentation par le sol), initialement développée par Alstom pour les tramways, au domaine routier a également été démontré (photo 1a). Différents travaux sont en cours pour éliminer les derniers verrous techniques de cette technologie.
  • Des technologies sans contact, comme la recharge par induction1, ont également été démontrées (photo 1b). Des travaux de recherche en cours devraient augmenter le niveau de maturité de la recharge par induction, qui intéresse particulièrement les constructeurs de véhicules individuels. Les autres technologies de recharge sans contact qui se développent sont moins avancées2-3.


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Démonstrateur de route électrique : solution APS for Road du groupe Alstom (a) ; démonstrateur de route à induction réalisé par l’institut Vedecom dans le cadre du projet européen Fabric (b).
Démonstrateur de route électrique : solution APS for Road du groupe Alstom (a) ; démonstrateur de route à induction réalisé par l’institut Vedecom dans le cadre du projet européen Fabric (b).
Alstom/Vedecom

Pour le transport de marchandises, des évaluations socio-économiques menées par différents acteurs montrent des résultats plutôt favorables en termes de de réduction des émissions de CO2 et de retour sur investissement pour les infrastructures4-6. Différents projets de corridors électrifiés dédiés aux poids lourds sont par conséquent étudiés, y compris en France, afin d’adresser l’ensemble des problématiques qu’impliquent de telles réalisations7.

Toutefois, différents verrous demeurent pour voir ces projets se concrétiser, parmi lesquels on peut citer l’absence de normalisation de ces systèmes et le fait que l’interopérabilité n’a pas encore été démontrée. Ces deux sujets font l’objet d’alliances à la fois industrielles et institutionnelles entre l’Allemagne, la Suède et la France. Cependant, pour que les maîtres d’ouvrage s’approprient ces technologies, il faudrait qu’elles contribuent positivement aux enjeux qu’ils ont à traiter.

INTÉGRATION DES DÉFIS DES VILLES ET DES TERRITOIRES

L’intégration des technologies de recharge dynamique dans les réseaux routiers suppose de considérer les différents enjeux de leur transition énergétique.

Vers des boulevards urbaons énergétiquement intégrés

En milieu urbain, l’enjeu actuel est de réduire la place accordée au stationnement automobile, à faire cohabiter de nouveaux modes de transport, comme les vélos à assistance électrique, les trottinettes électriques et, demain, les navettes autonomes pour la mobilité du premier et dernier kilomètre. Tous ces véhicules ont en effet besoin d’infrastructures de recharge.

Afin de réduire les effets d’îlots de chaleur et la consommation d’électricité nécessaire à l’éclairage public, les revêtements routiers voient leur albédo augmenter et leurs propriétés évoluer pour optimiser l’évapotranspiration, voire proposer, dans certains lieux, des îlots de fraîcheur grâce à l’utilisation de technologies de route solaire thermique.

La chaussée peut également générer une partie de l’énergie électrique nécessaire à la transition énergétique des villes :

  • À Saint-Nazaire, des pistes cyclables ont été équipées par le groupe Charier de revêtements photovoltaïques qui produisent l’énergie nécessaire pour alimenter l’éclairage public.
  • À Nantes, la même société a démontré que l’on pouvait produire, via le ruban routier, l’équivalent de l’énergie nécessaire au déplacement de navettes autonomes qui empruntent l’itinéraire équipé.
  • À Chambéry, la route solaire Wattway by Colas est utilisée pour produire de l’hydrogène et alimenter des stations de vélo à hydrogène.

En milieu urbain, on voit ainsi les prémisses du développement de microgrids (micro-réseaux) à la fois thermiques et électriques ayant vocation à être intégrés dans les chaussées et reliés aux différents systèmes énergétiques de la ville (métro, tramway, immeubles proches, micro-hubs de mobilité) (figures 1).

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Boulevard énergétiquement intégré : la route solaire thermique peut réduire les effets d’îlots de chaleur (a) tandis que la route solaire photovoltaïque peut améliorer l’efficacité énergétique des villes (b).
Boulevard énergétiquement intégré : la route solaire thermique peut réduire les effets d’îlots de chaleur (a) tandis que la route solaire photovoltaïque peut améliorer l’efficacité énergétique des villes (b).
Nicolas Hautière

Dans ce contexte de ville intelligente et résiliente au changement climatique, la route électrique peut donc jouer un rôle de composant actif en régulant la demande énergétique, en supprimant tout ou partie des emplacements réservés aux bornes de recharge, en étant alimentée par d’éventuelles portions de route solaire photovoltaïque et parfois refroidie par des sections de route solaire thermique.

Vers des autoroutes (péri-)urbaines énergétiquement intégrées

Sur autoroute, la recharge dynamique concerne davantage de cas d’usage :

  • alimenter des lignes d’autocar sur voie dédiée, comme sur l’A10 en région parisienne ou sur la bande d’arrêt d’urgence de l’A51 entre Aix-en- Provence et Marseille ;
  • recharger des poids lourds pour le transport de marchandises, comme cela est projeté sur l’A13 entre la région parisienne et le port du Havre ;
  • alimenter des véhicules individuels lors de départs en vacances.

Les autoroutes ont également d’autres obligations de service qu’il convient d’assurer. Par exemple, pour une autoroute, la viabilité hivernale de la chaussée est cruciale et les solutions classiques de viabilité hivernale ne sont pas nécessairement adaptées à la présence de dispositifs électroniques intégrés dans les chaussées. De même, l’intégration de ces dispositifs en cas de période de canicule peut accélérer les phénomènes d’orniérage, obligeant à penser des solutions de viabilité estivale. Les solutions de route solaire thermique peuvent contribuer à résoudre ces problématiques, mais obligent à penser en même temps recharge électrique et dispositif thermique.

Par ailleurs, la multiplication des systèmes communicants et intelligents le long des voies (unités de bord de route, caméras) pour permettre l’essor de la mobilité autonome et connectée nécessite de repenser l’alimentation en énergie de tous ces systèmes, notamment en site isolé. Différentes solutions sont proposées, parmi lesquelles figure la route solaire. Ainsi, la société d’autoroute Atlandes a installé 60 m2 de panneaux solaires Wattway pour alimenter ses installations de péage sur l’A63. Pour répondre au besoin d’énergie des bâtiments d’exploitation des autoroutes, Eurovia a récemment expérimenté avec succès le chauffage des installations de péage à Saint-Arnoult sur l’A10 à l’aide de sa technologie Power Road.

D’autres acteurs poussent le raisonnement un cran plus loin en proposant d’optimiser la consommation énergétique de leurs centres de données (data centers), à l’image de la compagnie autoroutière ANAS en Italie8. En effet, la multiplication des véhicules intelligents a pour conséquence l’augmentation exponentielle des besoins de stockage de données et de calcul. Le secteur de l’informatique durable est en plein essor et les exploitants routiers et autoroutiers n’y échapperont pas.

Dans ce contexte, l’autoroute électrique représente un des versants de l’autoroute du futur qui a vocation à se transformer en un réseau thermique et électrique intelligent (smart grid) à même de satisfaire la demande énergétique, éventuellement en autoconsommation partielle.

Le raisonnement en silos actuel conduit toutefois à ne considérer que tout ou partie de ces enjeux. Il est donc essentiel que les concepteurs et constructeurs d’infrastructures routières pensent davantage « système » pour proposer des autoroutes énergétiquement intégrées.

NÉCESSITÉ D’UNE APPROCHE SYSTÉMIQUE DES INFRASTRUCTURES ROUTIÈRES

Les nouvelles offres de mobilité pourraient contribuer à ajuster dynamiquement l’offre d’infrastructure à la demande de déplacement en misant sur la tarification avancée de leur usage, mais elles nécessitent de sortir des schémas de pensée classiques.

Une composante de la route de 5e génération

Le concept de route énergétiquement intégrée est l’un des concepts clés de la route de 5e génération (R5G)9. Si les technologies d’alimentation des véhicules, les innovations en matière d’instrumentation des routes et les nouveaux matériaux et structures pour produire de l’énergie par la route elle-même font l’objet d’importants développements, certains domaines sont encore peu développés et constituent par là-même des gisements d’innovations encore peu explorés.

Ainsi, dans l’hypothèse actuellement vraisemblable où l’on continue à développer les énergies non renouvelables non pilotables et que la proportion d’énergie d’origine nucléaire décroît en conséquence, le besoin de stockage massif d’énergie ira croissant pour accompagner le développement de la mobilité décarbonée. Par exemple, l’heure de pointe du matin et du soir ne correspondant pas au pic de production d’énergie solaire, il faudra être en capacité de stocker l’énergie produite pour la restituer un peu plus tard.

Des projets financés par l’Ademe visent à transformer d’anciennes mines de Kaolin ou encore des parkings urbains (société Nature People First) en micro-STEP (stations de transfert d’énergie par pompage) (figure 2). Pourquoi alors ne pas étudier de telles transformations pour les structures de génie civil qui équipent les réseaux routiers ?

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Approche systémique de l’énergie dans les infrastructures routières.
Approche systémique de l’énergie dans les infrastructures routières.
Nicolas Hautière

En effet, c’est peut-être en intégrant les infrastructures routières dans les infrastructures de production et de distribution énergétique que l’on pourra mieux en réguler l’usage par une tarification intelligente et que l’on parviendra à briser le cercle vicieux qui oblige à augmenter sans cesse l’offre d’infrastructure à la demande de déplacement. Même s’il s’agit d’un problème aujourd’hui encore très ouvert, différents verrous scientifiques peuvent et doivent d’ores et déjà être traités. Parmi les sujets fréquemment cités, on peut mentionner les questions suivantes :

  • Quel est le coût complet du cycle de vie d’une route énergétiquement intégrée ?
  • Disposons-nous des ressources minérales, notamment de terres rares, en quantité suffisante pour concrétiser ces concepts ?
  • Comment recycler les matériaux fonctionnalisés, comme les panneaux solaires, ou les différents dispositifs électroniques de recharge des véhicules électriques ?

Développement du concept d'infrakathon

Pour jeter un œil nouveau sur cette problématique, des sessions interactives dédiées aux routes énergétiquement intégrées ont été proposées par l’Ifsttar depuis 2017 dans le cadre de formations initiale et continue afin d’illustrer ses enseignements sur la route du futur (photo 2). À l’image des hackathons destinés à trouver des solutions aux problèmes de traitement des données, a été présenté le concept d’infrakhaton, dont un exemple de défi est développé dans les paragraphes suivants.

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Participants à l’infrakhaton organisé par l’Ifsttar lors de la « training week » de janvier 2019 du projet européen Smarti réunissant des jeunes chercheurs de l’Europe entière.
Participants à l’infrakhaton organisé par l’Ifsttar lors de la « training week » de janvier 2019 du projet européen Smarti réunissant des jeunes chercheurs de l’Europe entière.
Projet Smarti

Un gestionnaire routier exploite un viaduc sur une autoroute urbaine située en bord de mer. Le trafic sur ce viaduc est saturé aux heures de pointe et le gestionnaire ne dispose pas des moyens financiers pour élargir cet ouvrage. Au large de l’agglomération urbaine traversée par cette autoroute, est prévu un projet de parc éolien offshore.

Serait-il économiquement viable pour le gestionnaire de transformer son ouvrage d’art en une micro-STEP à même de stocker l’énergie captée par les éoliennes lorsque le vent est fort et de la déstocker lorsqu’il n’y a pas de vent ? Cela pourrait se faire par exemple en transformant l’ouvrage d’art en une forme d’aqueduc de nouvelle génération et en intégrant des conduites forcées dans les piles ou culées du pont. Le maître d’ouvrage achèterait donc l’énergie à bas coût et pourrait la revendre avec un bénéfice lui permettant de financer son ouvrage, voire d’internaliser l’entretien de son réseau. Dans cette optique, il pourrait électrifier une voie dans chaque sens de son autoroute et recharger les différents véhicules qui l’empruntent et pratiquer des tarifs de recharge incitatifs ou dissuasifs selon la période de la journée et ainsi réguler la demande sur ses infrastructures (concept proche du « yield management »).

Dans cette vision, les problématiques scientifiques, techniques et réglementaires sont innombrables et constituent autant de pistes d’action pour les acteurs de la recherche et de l’innovation dans le domaine des infrastructures de transport. Au-delà de la R & D, l’objectif de cet exercice est d’amener les nouvelles générations d’ingénieurs routiers à intégrer la logique d’approche systémique de l’innovation rendues possibles par les nouvelles technologies.

Pour donner un peu de perspective historique et de crédibilité à ces propos, on peut rappeler que le barrage de l’usine marémotrice de la Rance entre Dinard et Saint-Malo, construit dans les années 1960, n’est rien moins qu’un ouvrage d’art routier énergétiquement intégré, alors que le pont Châteaubriand situé à quelques kilomètres de là, sur la RN 176, attend depuis plus de vingt ans son passage à 2 x 2 voies.

CONCLUSION

La route électrique est un concept qui séduit car il contribue à répondre aux enjeux de la transition énergétique du transport routier et de la réduction des émissions de CO2 selon le mix énergétique en place dans les pays où cette technologie sera déployée.

C’est une composante essentielle du concept de route énergétiquement intégrée proposé dans cet article, qui vise à repenser fortement la façon dont sont conçus et exploités les réseaux routiers. Si le coût d’investissement est nécessairement élevé en matière d’infrastructures routières, de nouveaux modèles économiques vertueux peuvent voir le jour dans lequel la route est susceptible de jouer un rôle actif, par exemple en effaçant une partie de l’intermittence des solutions de production d’énergie renouvelable non pilotables et en mettant de l’énergie à disposition des usagers de la route à un tarif à même de réguler au mieux les usages futurs des infrastructures routières.

RÉFÉRENCES

  1. N. Hautière, H. Aniss, J. Dumoulin, E. Chailleux, P. Hornych et S. Laporte, « Des techniques routières innovantes à la route innovante », Routes-Roads n° 374, septembre 2017.

  2. T. Ohira, “A battery-less electric roadway vehicle runs for the first time in the world”, in 2017 IEEE MTT-S International Conference on Microwaves for Intelligent Mobility (ICMIM), 2017, pp. 75-78.

  3. S. Assawaworrarit et al., “Robust wireless power transfer using a nonlinear parity-time-symmetric circuit”, Nature, vol. 546, pp. 387-390, 2017.

  4. C. Rizet, C. Cruz, M. Koning, TH Hoai Thu, « Scénarios de réduction des émissions de CO2 du transport routier de fret », Rapport Ifsttar, convention DGITM 14332, 2017.

  5. CGDD, MTES, « Concept d’autoroute électrique – Évaluation socio-économique », 2017.

  6. D. Connolly, “Economic viability of electric roads compared to oil and batteries for all forms of road transport”, Energy Strategy Reviews, vol. 18, December 2017, pp. 235-249.

  7. W. Pizzaferri, « Une autoroute électrique entre le Havre et Paris ? », TEC n° 240, janvier 2019.

  8. ANAS, “Smart road”, 2018.

  9. N. Hautière, « La Roadmap « Évolutions de la route » - Route de 5e génération – route communicante », Nicolas Hautière, RGRA n° 955, juin 2018.

Revue RGRA