Allemagne : Un éventail de nouveaux concepts dans le domaine automobile

L’Institut Fraunhofer de durabilité des structures et de fiabilité des systèmes (LBF, Darmstadt, Hesse) a présenté, du 4 au 6 juin 2013, au salon de Stuttgart « Automotive Testing Expo Europe 2013 » ses nouveaux concepts concernant la mobilité et la sécurité. Ainsi ont été présentés entre autres, le concept-car « Frecco 2.0 » ainsi qu’une voiture de course. Ce fut l’occasion pour le LBF de prouver sa forte interdisciplinarité grâce à ses recherches dans le dimensionnement de pièces mécaniques, le développement de système de surveillance et d’alerte définis sur mesure ou encore la mise en place de systèmes actifs de réduction des vibrations.

Le concept Frecco 2.0

rt de plate-forme technologique neutre afin d’intégrer tous les composants d’une voiture électrique. Dans le cadre du projet Fraunhofer de recherche sur les systèmes pour l’électromobilité (FSEM), les chercheurs du LBF ont mis en place une chaîne cinématique complète et ont développé un moteur destiné à être fixé sur le moyeu des roues. En ce qui concerne les tests sur les efforts verticaux, les effets de la propulsion ou les forces de freinage, le LBF possède un banc d’essai spécialement destiné aux véhicules électriques, qui est équipé de vérins hydrauliques renforcés afin de pouvoir s’adapter aux véhicules électriques et à leurs lourdes batteries. De plus, celui-ci permet de simuler les six degrés de libertés sur chaque roue.

Un nouveau système de protection des batteries

Pour l’intégration de la batterie dans la voiture, les chercheurs ont développé un système de protection de construction légère. L’objectif était de réussir l’intégration et la protection des cellules de la batterie. Ainsi, par exemple, la sonde de contrôle de température est installée sur le bâti mais prend ses informations, dans le coeur, c’est à dire dans les modules de la batterie. Le bâti se constitue d’un cadre d’aluminium renforcé par des panneaux en matériaux composites.

Une voiture de course dotée de capteurs « intelligents »

Comment augmenter la sécurité d’un véhicule? Pour tenter de répondre à cette question, les chercheurs du LBF présente un modèle de voiture de course équipé de nouveaux capteurs, une nouveauté permise par l’application de solutions issues du domaine de la mécatronique. Dans ce cas présent, le véhicule est équipé de 4 capteurs sans fil qui permettent de contrôler les vibrations du véhicule. Avec ces systèmes, une meilleure prévention des défaillances peut être réalisée et les véhicules peuvent être utilisés plus efficacement.

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Systèmes autonomes de production d’électricité : un jeune ingénieur de l’INP Toulouse autour du monde

En décembre dernier, Hugo Niccolaï, ingénieur diplômé de l’INP Toulouse, terminait un long périple de deux ans qui l’a conduit à faire escale au Bangladesh, au Laos, au Pérou, aux Philippines et en Tanzanie. Cinq escales, chacune d’une durée de 4 à 6 mois, son objectif étant de mettre ses compétences au service d’entreprises sociales du secteur de l’énergie. C’est ainsi que durant 24 mois, ce jeune ingénieur a travaillé à la mise en place de systèmes autonomes de production d’électricité à base d’énergies renouvelables dans des zones non couvertes par les réseaux électriques. De retour en France, dès le 17 janvier il a entamé un autre tour, celui hexagonal, d’abord devant les élèves ingénieurs de son école puis dans différentes grandes écoles et universités en France. Retour sur une expérience enrichissante.

« Tout a commencé avec la lecture de l’ouvrage de Muhammad Yunus », déclare d’emblée Hugo Niccolaï qui rappelle que cet économiste et entrepreneur bangladais est le fondateur de la Grameen Bank, que l’on peut traduire par « banque des villages », considérée comme la première institution de microcrédit dans le monde. Une démarche originale qui vaudra à cet homme, que l’on a surnommé « le banquier des pauvres », le prix Nobel de la paix en 2006. « C’est ainsi que j’ai commencé à m’intéresser à l’entrepreneuriat social et que j’ai découvert qu’il existait des entrepreneurs sociaux qui montaient des projets de ce type à échelle humaine, qui plus est pour certains d’entre eux dans le domaine de l’énergie avec pour objectif l’électrification de zones isolées », précise-t-il. Des projets qui ne pouvaient que séduire un jeune ingénieur spécialisé dans les nouvelles technologies de l’énergie. D’autant plus qu’après avoir travaillé sur des projets, en particulier d’une ferme éolienne, à l’Université du Québec, ou encore de solaire photovoltaïque, de taille relativement importante dont il n’avait pu entrevoir qu’une partie forcément limitée, il rêvait d’appréhender un projet dans sa globalité. Il y avait bien la solution classique du stage. Cela dit, Hugo a préféré opter pour une autre solution, certes plus difficile à monter, mais tellement plus riche de promesses.

Différentes expériences vécues durant ses études avaient alors permis à cet élève ingénieur d’observer que beaucoup d’acteurs du nord commettaient encore des erreurs dans la mise en place de projets, en Afrique, en Amérique Latine et en Asie, faute notamment d’une meilleure connaissance des contraintes locales. D’où son souhait d’aller effectuer une analyse des réalités du terrain, autour de différentes expériences. Et c’est ainsi qu’avec l’aide de Platnet’Etudiants, une association créée en 2010 et présidée par Corinne Larchey qui permet à de jeunes volontaires de participer à des projets de développement économique dans un esprit citoyen, et le soutien financier de la Fondation Schneider Electric, d’EDF et de l’INP Toulouse, Hugo a réussi à bâtir son projet. « Nombreux sont ceux comme l’association Développement Sans Frontières (DSF) qui m’ont apporté de précieux conseils, me permettant ainsi d’aboutir dans ma démarche », tient-il à souligner. Après ? Il y a les contacts personnels, les connaissances, le culot et puis les souhaits pour que la mayonnaise finisse par prendre. Pour pouvoir se livrer ensuite à des comparaisons, il était important de choisir des expériences s’étant développées dans des conditions et des cultures très différentes. D’où le Bangladesh, où Hugo a pu travailler aux côtés de Mohammad Yunus, le Laos avec Sunlabob, et les Philippines avec Pamatec pour l’Asie, le Pérou et Practical Action pour l’Amérique Latine et la Tanzanie et EGG-Energy pour l’Afrique. « Par exemple, le choix du Pérou s’est fait parce que l’expérience retenue était celle d’une Organisation Non Gouvernementale (ONG), un modèle qu’il était intéressant de pouvoir comparer aux quatre autres entreprises déjà choisies dans les autres pays », indique-t-il.

Ces deux années passées dans 5 pays différents, au sein de 4 entreprises et de 1 ONG, auront été extrêmement riches d’enseignement pour Hugo. Ainsi, il a pu observer que beaucoup d’acteurs du nord, notamment des ONG, mettent en place des projets qui bénéficient de moyens financiers considérables. Pour autant, leur suivi n’est pas toujours assuré comme il le faudrait selon le jeune ingénieur. « En Tanzanie, j’ai dû convaincre des déçus du solaire photovoltaïque qu’il s’agissait pourtant d’une bonne solution », explique-t-il. Des acteurs du nord qui réalisent de très belles choses, certes, Hugo ne le conteste pas, mais qui encore trop souvent ont un impact négatif faute d’une présence nécessaire dans le pays, ne serait-ce que pour assurer le suivi technique des solutions installées. « Monter des projets durables nécessitent de co-construire avec des entrepreneurs locaux », lâche-t-il. Co-construire, une démarche « très tendance » qui reste néanmoins difficile à mettre en place. D’où l’idée de ce jeune ingénieur, fort de ses deux années d’expériences d’essayer de jouer le rôle d’interface entre ces deux types d’acteurs, ceux du nord qui disposent de moyens humains et financiers pour développer des solutions techniques de qualité, et ceux du sud qui, eux, possèdent tous les atouts pour les mettre en place localement de manière durable. « L’opérationnel, le relationnel, la logistique sont autant de domaines qu’ils sont à même de maîtriser. Alors pourquoi ne pas initier de véritables partenariats », s’interroge-t-il plein d’enthousiasme.

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Publié par Pierre Thouverez

Techniques de l’Ingénieur : Aux vues de votre expérience et de votre expertise, quelles sont les marges de progrès des industriels en termes de performance énergétique aujourd’hui ?

Christophe Roland : Pour l’instant, les industriels travaillent sur leurs achats d’énergie et sur les techniques de production de leurs utilités. Peu d’entre eux remettent en cause leurs pratiques de production pour mieux consommer. Beaucoup considèrent que l’énergie est l’affaire des experts techniques, ce qui est vrai mais pas seulement, la production elle aussi à un rôle majeur à jouer dans l’amélioration de la performance énergétique.

Concrètement sur nos projets, nous identifions systématiquement des gaspillages énergétiques en production, en moyenne 12 % des consommations. Revisiter leurs pratiques de production avec les opérateurs pour les rendre moins énergivores, prend alors tout son sens. Cette approche participative est inspirée du Lean Manufacturing, et adaptée pour l’amélioration de la performance énergétique. Peu importe le degré d’expertise dans le management de l’énergie, cette nouvelle démarche apporte des résultats souvent surprenants et toujours rentables car ne nécessitant que peu d’investissement.

Techniques de l’Ingénieur : Quels sont les principales difficultés rencontrées par les industriels dans l’amélioration de leur performance énergétique ?

Christophe Roland : Nos clients, au démarrage d’une démarche de performance énergétique, s’interrogent sur les points suivant :

1.    Est-ce aussi rentable d’investir dans la performance que dans mon outil de production ? Autrement dit, les économies d’énergie coûtent cher car les investissements nécessaires sont conséquents de par leur technologie.

2.    De plus, la performance énergétique implique des investissements qui ne sont pas dans mon cœur de métier, puis-je encore me le permettre vu la conjoncture économique ?

3.    Encore un projet qui va mobiliser notre équipe, comment puis-je m’assurer d’un réel retour sur investissement ?

4.    La performance énergétique sert avant tout à travailler son image et à faire de la communication, Est-ce bien la priorité pour ma société ?

Plus globalement, ceux qui souhaitent améliorer leur performance énergétique déclarent souvent ne pas savoir par quoi commencer une fois le diagnostic énergétique réalisé. L’important est donc de les aider à construire la meilleure feuille de route possible.

Techniques de l’Ingénieur : Quels types de solutions à ce problème ?

Christophe Roland : Nos réponses aux questions de nos clients sont que :

1.    Il est vrai que si l’on se base sur des actions comme des travaux d’isolation, le remplacement d’un compresseur pneumatique ou l’achat d’une nouvelle chaudière, les retours sur investissement dépasseront souvent les cinq années. Maintenant, pour nous, l’enjeu n’est pas là. La performance énergétique est une discipline nouvelle et les gisements d’économies qu’elles proposent sont encore vierges. Ces gisements dépendent tous des choix de pratiques de production des industriels, il est donc important d’accepter de les remettre en cause. Adapter ses processus, ses pratiques et ses comportements va déboucher sur des économies d’énergie, mais pas seulement. En attaquant les problèmes sous l’angle énergétique, c’est souvent aussi l’occasion de régler des problèmes récurrents de qualité, de sécurité et de productivité.

2.    Effectivement, investir dans sa production d’air comprimé ou de froid peut sembler ne pas faire partie de la valeur ajoutée du produit industriel. Maintenant, sans énergie, on ne produit rien ! L’énergie est un mal nécessaire que l’on peut mieux maîtriser. Soit, on considère que la production d’utilité ne fait pas partie de son cœur de métier, et là on pourra s’orienter vers une externalisation chez un facility manager dont c’est le métier. Soit, on ne veut pas supporter le risque d’une externalisation et il faudra harmoniser la production d’utilité au pilotage de l’outil de production.

3.    En commençant par une chasse au gaspillage énergétique approfondie, on peut facilement réduire ses consommations de plus de 10%, pratiquement sans investir. Cette première étape se fait dans un délai de quelques mois et mobilise les équipes autour d’un premier succès. Une fois la dynamique initiée, nous avons acquis suffisamment de crédibilité pour s’attaquer à des initiatives plus complexes.

4.    Derrière la performance énergétique, il y a un réel enjeu sociétal. Communiquer autour de consommer le juste nécessaire est un argument nouveau qui fait mouche auprès des médias mais qui nécessite de justifier des économies réalisées.

En conclusion, il faut considérer le management de l’énergie comme un vraie opportunité d’améliorer sa compétitivité à travers un projet transversal et fédérateur. Si la dynamique est supportée par la direction, il est possible de réaliser rapidement des économies tout en innovant. Concrètement, revisiter ses pratiques et ses processus avec le regard nouveau de l’énergéticien conduit systématiquement à de nouvelles idées et de nouvelles solutions.

Tout tient dans les principaux enjeux du management de l’énergie :

1.    Piloter avec des indicateurs pertinents et compréhensibles par tous
2.    Intégrer les dernières technologies de production d’utilités
3.    Mettre à niveau son plan de maintenance
4.    Trouver les solutions de revalorisation énergétique
5.    Revisiter ses modes opératoires pour consommer au juste nécessaire
6.    Responsabiliser la production sur ses consommations
7.    Intégrer la dimension énergie dans ses choix d’investissements
8.    Profiter des opportunités du marché de l’énergie
9.    Se projeter à moyen terme pour anticiper les évolutions de son mix énergétique

En savoir plus sur Okavango : www.okavango-energy.com

Bruno Decottignies

Les changements en cours en Arctique sont des perturbations majeures de l’environnement. « En Arctique, les températures s’élèvent 2,5 fois plus vite que dans le reste du monde», rappelle Alain Fuchs, Président du CNRS.

La banquise, la glace et la neige arctiques reculent à des vitesses vertigineuses. « Au cours des dernières décennies, la surface couverte par la glace estivale a décliné d’environ 50 %, l’épaisseur de cette couche de glace se réduisant d’environ 40% », précise-t-il.

Un nouveau record de fonte des glaces a été observé en 2012 avec une banquise ne recouvrant plus que 3,41 millions de kilomètres carrés au16 septembre. C’est 18 % de moins que le record de 2007 qui avait pris les scientifiques par surprise !

Les pertes de glace sont plus rapides que ce que prévoyaient les différents modèles numériques. À ce rythme, la banquise pourrait complètement disparaître en été dès 2030.

La glace de mer devient aussi plus vulnérable. La glace de première année prédomine, les périodes d’eau libre s’accentuent et les taux de fonte de surface augmentent. Parallèlement à la baisse de son étendue, la glace devient plus jeune et plus fine. D’après les recherches de Julienne Stroeve, du National Snow and Ice Data Center (NSIDC) à l’Université du Colorado à Boulder, en 2013, moins de 5 millions de km2 de couverture de glace (qui ne comprend pas que la banquise !) a 5 ans ou plus.

Cette part était 20 % plus élevée dans les années 1980 et le début des années 1990. Les glaces âgées qui restent, sont aussi moins épaisses qu’auparavant. 

De façon plus générale, Alain Fuchs rappelle que « la couverture de neige de début d’été de l’hémisphère nord est en train de disparaître à un rythme sans précédent d’environ 18 % par décennie » et que « la calotte glacière du Groenland fond à un taux 5 fois plus important que dans les années 90, contribuant significativement à l’élévation du niveau de la mer ». 

Mais les perturbations ne s’arrêtent pas là. Si « le pergélisol fond et libère des gaz à effet de serre, comme le méthane, à un rythme alarmant », il ne faut pas oublier que « de nombreux organismes vivant dans l’Océan Arctique sont très bien adaptés à un type de banquise plus épaisse et plus âgée, les rendant eux et l’écosystème arctique bien plus vulnérables aux changements », ajoute-t-il. 

Maigre consolation : les changements en cours ouvrent de nouvelles perspectives économiques pour l’exploitation de la pêche, les minéraux rares, le pétrole et le gaz et le tourisme. L’ouverture d’une route maritime réduirait la distance entre l’Europe et l’Asie d’environ 25 %. 

Pour comprendre l’ensemble de ces mutations, une base de données scientifique est nécessaire. C’est l’objectif de « Chantier Arctique », un programme national de recherche sur les grands enjeux scientifiques de l’Arctique en sciences de l’environnement, écologie, géosciences, sciences humaines et sociales et sciences de la santé.

Pour lancer la phase de prospective de ce chantier, un premier congrès national a été organisé du 3 au 6 juin au Collège de France. Les objectifs étaient de réunir pour la première fois toutes les disciplines impliquées en Arctique, attirer de nouveaux chercheurs et développer des approches innovantes.

Les chercheurs présents ont réalisé un premier inventaire interdisciplinaire des compétences, et des activités scientifiques en cours et projetées afin de définir les priorités de recherche et préparer la rédaction d’un livre blanc sur la recherche en Arctique. Le premier appel à propositions sera publié au deuxième semestre 2014.

Par Matthieu Combe, journaliste scientifique

En 2010, la part du nucléaire était de 27 % dans le mix électrique japonais. Pour la seule région de Kanto qui comprend l’agglomération très peuplée de Tokyo, 40 % de l’électricité délivrée par TEPCO (Tokyo Electric Power Company) provenait de la fission de l’uranium 235. Le tiers de la population japonaise réside dans cette région. Le reste du mix comprenait 63 % d’électricité d’origine fossile, principalement du gaz naturel liquéfié importé par bateau, et 10 % des renouvelables, principalement des barrages hydroélectriques.  

La catastrophe de mars 2011 au complexe nucléaire de Fukushima Daiichi a conduit à la fuite de substances radioactives dans la biosphère et la chaîne alimentaire, et à la fermeture de l’intégralité du parc nucléaire du pays. La question de les rouvrir, ou non, reste entière. Dans l’urgence, le Japon a augmenté de manière significative sa consommation de combustibles fossiles. 

Synergie entre l’eau et le soleil

Les énergies renouvelables sont aujourd’hui très populaires et très demandées par la population japonaise qui craint la réouverture des centrales nucléaires. Remplacer l’atome par le solaire est généralement rejeté d’un revers de la main par les sceptiques des énergies renouvelables, en arguant du caractère intermittent de cette ressource durable. Mais « le japon possède la plus grande capacité de stockage par pompage-turbinage du monde, un total de 24,6 GW » soulignent les chercheurs (1GW = 1000 MW). 

Dans leur étude, les chercheurs américains estiment que si, au lieu d’assister les centrales nucléaires, les STEP japonaises actuelles étaient couplées avec des panneaux solaires couvrant les toitures disponibles et adaptées sur des bâtiments de Tokyo, la combinaison obtenue permettrait de remplacer environ 26,5 % l’électricité d’origine nucléaire consommée par la capitale japonaise  en 2010. Les scientifiques ont déterminé que 43,1 GW de solaire PV sur toiture combiné aux 7,28 GW de capacités STEP de la région de Kanto permettrait de délivrer en base une puissance de 4,8 GW 91 % du temps, soit l’équivalent de l’électricité délivrée par 5 réacteurs nucléaires. Et aussi de gérer les périodes de pointe de la demande

Le solaire est une énergie intrinsèquement intéressante étant donné que les êtres humains sont diurnes : la production solaire a lieu précisément quand la demande électrique est élevée. Les chercheurs basent leurs affirmations sur une étude approfondie des espaces de toiture disponibles, sur 34 ans de données d’insolation dans la région, et sur l’hypothèse d’une efficacité énergétique des systèmes de collecte solaire de 13 %. 

Le pays du soleil levant pourrait faire honneur à son nom

En installant une surface solaire 5,6 fois supérieure à la surface disponible en toiture, c’est la totalité de l’électricité nucléaire qui pourrait alors être remplacée par le solaire. « Nous avons estimé que 1700 km² de solaire PV, couplé à 18,1 GW de STEP seraient suffisants pour remplacer la totalité de la capacité nucléaire 2010 de TEPCO » indiquent les chercheurs. L’agglomération tokyoïte serait alors intégralement libérée du nucléaire grâce au solaire. 1700 km², c’est 0.4 % de la surface de l’archipel nippon.  Selon le ministère japonais des sciences, 30 000 kilomètres carrés ont été  contaminées aux césiums 134 et 137 à la suite de la catastrophe de Fukushima Dai-Ichi. Et un secteur de 20 km autour de la centrale nucléaire a été évacué (1256 km²).  

Un coût non rédhibitoire et qui évolue favorablement

L’équipe américaine estime que le coût de production de l’électricité en baseload délivrée par ce système synergique hydro-solaire serait de 0.206 dollars par kWh sur la base d’une période de 25 ans (1 dollar = 0.75 euro). « Ces coûts sont comparables avec ceux du prix de l’électricité résidentielles au Japon (0.241 dollars par kWh en 2010) » rappellent les chercheurs. Si l’énergie solaire en excès est incluse, énergie qui peut être valorisée, le coût tombe alors à 0.162 dollars (soit 12 centimes d’euros). Et les scientifiques ajoutent que « de nombreuses études montrent que les coûts du solaire PV vont continuer à baisser parallèlement à l’augmentation des volumes de production ». Le prix de revient du kWh du nucléaire de nouvelle génération EPR s’élève à environ 10,5 centimes d’euros selon Per Lekander, analyste chez UBS, un prix confirmé par de nombreux experts. 

Boom du solaire au Japon: 1500 MW au premier trimestre 2013.

Le Japon est aujourd’hui la cinquième puissance solaire du monde en termes de puissance installée cumulée (5,9 GW en 2012), derrière l’Allemagne (32,4 GW), l’Italie (16,3 GW), la Chine (8,3 GW) et les USA (7,7 GW). Le développement de grands systèmes photovoltaïques était déjà en cours au Japon avant la catastrophe nucléaire de 2011, ceci dans le cadre de la « PV2030 Initiative ». Mais Fukushima a conduit à accélérer drastiquement la cadence.

Grâce à un cadre règlementaire attractif mis en place par le gouvernement après à la catastrophe, 1500 MW ont été installés durant le premier trimestre 2013. Et selon les experts de Bloomberg, ce sont au total entre 6,9 et 9,9 GW qui seront installés au pays du soleil levant en 2013. Si cette dynamique se maintient, ce sont alors plus de 50 GW qui pourraient être installés d’ici 2020. Le Japon pourrait alors rejoindre le champion allemand, voir le dépasser.

En France, le Président de la République François Hollande s’est engagé à baisser de 25 points la part du nucléaire dans le mix électrique. Le solaire PV représente aujourd’hui (2012) selon RTE 0.7 % du mix électrique de l’hexagone.

Par Olivier Danielo

En savoir plus :

• Potential for rooftop photovoltaics in Tokyo to replace nuclear capacity (Stoll et al 2013)