Atteindre la neutralité carbone à l’horizon 2050, lutter contre les pollutions urbaines, limiter la dépendance énergétique aux matières premières critiques et gagner en compétitivité, tels sont les grands enjeux de la mobilité à faible impact environnemental, sur route, en mer ou dans les airs. Des objectifs ambitieux auxquels le CEA contribue fortement depuis plus de 20 ans sur l’ensemble de la chaîne de valeur en R&D, depuis les matériaux et composants jusqu'aux systèmes intégrés. Le CEA intervient ainsi aussi bien sur la conception des chaînes de traction des véhicules que sur la production énergétique dédiée à la mobilité électrique. Il est aussi engagé dans le développement de nouvelles générations de carburants pouvant se substituer aux énergies fossiles.

La mobilité électrique

Pour accompagner les constructeurs dans le développement de véhicules électriques sûrs, performants et à faible empreinte carbone, le CEA mobilise ses compétences sur toute la chaîne de valeur : conception et réalisation de composants de chaînes de traction 100 % batteries ou bien hybrides batteries/pile à combustible, suivi de leurs performances en situation réelle et de leurs interactions avec les infrastructures de recharge. Les activités du CEA portent également sur la production d’énergie électrique ou d’hydrogène bas carbone permettant une mobilité durable.

Pour faire face à l’émergence et l’augmentation de l’usage des véhicules électriques, les équipes du CEA travaillent aussi sur le développement de réseaux énergétiques intelligents, capables de décider eux-mêmes du moment opportun pour recharger la batterie et par quel vecteur énergétique.

De nouvelles générations de batteries

Sur les sites du CEA à Grenoble et à Chambéry (CEA-INES), plus de 150 chercheurs travaillent dans la filière des batteries électriques, dédiée notamment aux transports. Grâce à leurs compétences en chimie, dans les domaines des matériaux et de l’électronique, mais aussi dans les technologies de l’information, les chercheurs peuvent accompagner les industriels dans le développement de solutions pour abaisser le coût des batteries, accroître leurs performances, et les rendre les plus sûres et fiables possible.

Optimiser la technologie Lithium-ion

L’expertise du CEA se situe sur la chimie des matériaux qui constituent les électrodes et l’électrolyte de la batterie. Les solutions proposées par les chercheurs visent deux critères de performances :

• Le gain en densité d’énergie, qui détermine en particulier l’autonomie des batteries ;
• Le gain en densité de puissance, qui influence la vitesse à laquelle l’accumulateur se recharge ou se décharge.
  

Le CEA développe de nouvelles générations d’accumulateurs lithium-ion à bas coût, à forte sécurité intrinsèque, pour des besoins soit de forte densité d'énergie (véhicule électrique), soit de forte puissance (véhicule hybride).

Développer l’électronique de gestion et les organes de sécurité

Autre enjeu de R&D : mettre au point l’électronique de gestion des accumulateurs. En effet, cela conditionne fortement leur durée de vie. Les chercheurs du CEA conçoivent les capteurs et l’électronique qui vont équiper les batteries pour mesurer en temps réel leur état de charge et de santé. Il s’agit d’optimiser les niveaux de charge, de prévenir toute réaction électrochimique dangereuse et d’instrumenter les packs de batteries pour en faciliter la maintenance.

Par ailleurs, en vue de l’utilisation courante du véhicule, il faut renseigner au mieux le conducteur, en toutes circonstances, des performances qu’il peut attendre du véhicule. En effet, de nombreux paramètres peuvent influencer sa consommation électrique, et donc son autonomie : type de trajet (urbain, autoroute), profil de la route (plat, montagne), conditions météorologiques et environnement (fonctions d’essuie-glaces, de chauffage, d’éclairage) … Le CEA développe donc les capteurs et logiciels qui fourniront ces informations.

Les batteries tout-solide

Le CEA explore la technologie dite « tout- solide », pour une nouvelle génération de batteries plus sûres et performantes. Ces futures générations de batteries à l'étude passent par des procédés d'élaboration d'électrodes sans solvant, intégrant des électrolytes hybrides et solides, associés à des électrodes négatives de lithium métallique.

Hydrogène et pile à combustible

Une pile à combustible fonctionne grâce à de l'hydrogène et de l'oxygène. La réaction chimique mise en jeu génère de l'énergie électrique et thermique et libère uniquement de l’eau. Elle permet d’augmenter significativement l’autonomie des véhicules électriques, en particulier celle des véhicules lourds. Le CEA travaille depuis des années au développement de piles à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC) basse température pour leur compacité et leur rendement. Associée à un stockage d’hydrogène sous une pression de 700 bar aux standards internationaux, la technologie devient concurrente des véhicules thermiques sur le critère du temps de recharge.

Les avantages de la pile à combustible se retrouvent surtout dans certains transports lourds (routier, ferroviaire et fluvial, voire aérien), pour lesquels le poids, l’encombrement et l’énergie embarquée des batteries restent pénalisants, voire incompatibles avec le cahier des charges.

Hybridation pile à combustible / batterie

Un véhicule pile à combustible est systématiquement hybridé avec une batterie selon différentes architectures d’hybridation dépendant de l’usage du véhicule. Une fois ces deux éléments choisis et dimensionnés, il faut établir une loi de commande qui détermine, à chaque instant, lequel de la pile ou de la batterie doit fournir l'électricité pour une utilisation optimale de l'énergie. Pour cette application, les équipes du CEA ont adapté et optimisé un algorithme de programmation dynamique spécialisé. La version actuelle du logiciel est au cœur de nombreux projets tel que le projet Gen-Z, dont l'objectif est d'équiper un véhicule de rallye d'une pile à hydrogène pour le Paris-Dakar de 2023.

Produire de l’hydrogène bas-carbone par électrolyse

Afin que l'hydrogène utilisé pour la pile à combustible soit également bas carbone, le CEA a développé un système de production d’hydrogène par électrolyse de vapeur d’eau à haute température (EVHT) présentant un rendement électrique de l’ordre de 85 %, autorisant à terme la production d’un hydrogène bas carbone compétitif avec les procédés traditionnels basés sur l’usage de ressources fossiles comme le reformage du gaz naturel. Cette technologie est de plus réversible et peut fonctionner en mode pile à combustible en produisant de l'électricité ou en mode co-électrolyse dioxyde de carbone/vapeur d’eau permettant la production d’un gaz de synthèse, précurseur d’ électro-carburants.

Les carburants

La combustion de l’hydrogène

Aujourd’hui, les constructeurs aéronautiques envisagent d’utiliser l’hydrogène dans un réacteur d’avion traditionnel qui devra être adapté. La combustion de l’hydrogène avec de l’air se ferait via une turbine. Les travaux que commence à engager le CEA, portent sur le stockage cryogénique de l’hydrogène. En effet, l’hydrogène, à bord d’un avion, devra être stocké de façon liquide, cryogénique à -253 °C, dans des réservoirs sous pression et respecter un certain nombre de contraintes de sécurité et d’encombrement. Par ailleurs, un avion ayant une durée de vie moyenne de 20 à 30 ans, les réservoirs devront être conçus pour durer près de trois décennies. Le stockage cryogénique de l’hydrogène est aussi étudié par le CEA pour la mobilité lourde.

Les électro-carburants

Le principe d’un électro-carburant est de fabriquer un carburant non pas à partir d’une ressource fossile ou biologique mais à partir de l’électricité. On produit ainsi un hydrogène bas -carbone à partir d’une énergie nucléaire et/ou renouvelable. On fait réagir cet hydrogène bas-carbone avec du CO₂ récupéré, soit dans un processus industriel, au niveau d’une usine par exemple, ou par la capture du CO₂ dans l’atmosphère. Cette réaction permet de convertir l’hydrogène et le carbone en molécules gazeuses : cela peut être du méthane mais également des liquides tels que des alcools, comme le méthanol, directement utilisable sur un véhicule thermique, ou encore des éléments plus complexes, comme le gasoil ou le kérosène. C’est ce que l’on appelle le power-to-gas et le power- to- liquid. Ces carburants de synthèse sont également appelés e-fuels ou powerfuels.

Possédant de solides compétences sur la maîtrise des procédés (électrochimiques, thermochimiques,…) et des matériaux, les équipes du CEA sont impliquées dans le projet de démonstrateur industriel de power-to-gas, Jupiter 1000. 

Les biocarburants de 3^e génération

Le CEA travaille sur une troisième génération de biocarburants produits à partir de mico-organismes, en particulier de micro-algues. Les recherches sur les biocarburants de troisième génération sont menées par le CEA sur la chaîne amont : les souches de micro-algues qui produisent les molécules énergétiques grâce à la photosynthèse et les procédés de cultures et d’extraction associés.

Analyse multi-critères de la solution la plus performante et la plus durable

Pour accompagner ses partenaires et leur apporter des éléments de comparaison sur différentes solutions technologiques les plus efficaces et les moins coûteuses en termes de mobilité durable, le CEA met en place aujourd’hui des outils de méthodologie d’analyse multi-critères. Sont pris en compte dans cette étude les aspects technico-économiques et environnementaux, les contraintes réglementaires et la dimension sociétale, telle que le comportement des usagers face à ces nouveaux modes de mobilité.