Le terme d’hybridation, pour un système embarqué, est le plus souvent employé pour décrire un système utilisant en coopération au moins deux types d’énergie de natures différentes (généralement thermique et électrique). L’hybridation est déjà répandue dans plusieurs secteurs, qu’il s’agisse de l’automobile, du naval ou encore de l’aéronautique.
Dans le cas d’une voiture hybride par exemple, on peut allier une partie thermique (moteur à combustion), pour le fonctionnement en continu, à une partie électrique (batterie et moteur électrique), pour des phases transitoires telles que de fortes accélérations. Mais l’on oublie souvent que l’hybridation n’est pas seulement l’association de 2 types d’énergies différentes : il peut aussi s’agir de différentes sources électriques combinées au sein d’un même système.
Pourquoi allier plusieurs sources dans un système embarqué ?
L’énergie est l’utilisation d’une puissance (le plus souvent exprimée en watts) pendant une durée (par exemple en une heure). Cette énergie peut s’exprimer en joules ou en watts par heure (Wh). Chaque source électrique a ses spécificités, qu’il s’agisse de piles à combustibles (PAC), de batteries ou encore de super-condensateurs.
Les PAC peuvent fournir de l’énergie sur une durée de l’ordre de la dizaine d’heures à la journée, voire plus (dépendant de la taille du réservoir d’hydrogène), avec une faible puissance, là où les batteries, en fonction de leur type (certaines sont faites pour la puissance, d’autres plus pour l’énergie), vont produire de l’énergie de quelques dizaines de minutes à quelques dizaines d’heures à des puissances plus élevées. De leur côté, les super-condensateurs vont pouvoir fournir de très fortes puissances, mais de l’ordre de la seconde à la minute.
Ci-dessous, un diagramme de Ragone montrant en abscisse la densité de puissance (plus elle est élevée, plus le système peut fournir de fortes puissances à masse égale), et en ordonnée la densité d’énergie (plus elle est élevée, plus le système peut fournir longtemps de l’énergie à puissance et masse égale).
Stan Zurek (raster), CC BY-SA 3.0 https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0, via Wikimedia Commons
L’hybridation permet d’allier les avantages de chacune des sources et d’en atténuer les limites et inconvénients. En combinant ces 3 sources (PAC, batterie et super-condensateur), on se rapproche de ce que donne un moteur à combustion ou une turbine à gaz, à savoir une énergie longue doublée d’une puissance suffisante.
Il faut prendre en compte également le temps de réaction (dynamique) des différentes sources : lors du démarrage, une PAC a besoin d’un certain temps avant de délivrer toute sa puissance, elle est le plus souvent aidée par une batterie.
L’objectif est donc de chercher la complémentarité qui permette de répondre au besoin demandé.
Le choix de l’hybridation 100% électrique permet de progresser vers une énergie renouvelable, loin des émissions de gaz à effet de serre induites par les moteurs à combustion, à condition de produire de l’électricité à partir de sources décarbonées (éolien, hydraulique ou nucléaire par exemple).
Les éléments à prendre en compte dans l’hybridation
L’un des aspects complexes de ce type d’hybridation est de bien pouvoir interconnecter les différentes sources, car elles ne fonctionnent pas aux mêmes tensions et avec les mêmes dynamiques.
Il faut ensuite ajuster la stratégie de gestion des différentes sources en fonction du besoin utilisateur et de ce que l’on peut concrètement réaliser. Cela conduit entre autres à identifier le nombre de sources à hybrider. La réponse là encore dépend du besoin : avantages en termes de masse, de volume, de coût…
La question de la maintenance est aussi importante dans plusieurs secteurs. Dans le cas de l’avion plus électrique, par exemple, le remplacement des transmissions pneumatiques et hydrauliques par de l’électrique permettrait d’abaisser les coûts d’entretien. Sa durée de vie serait ainsi supérieure par rapport aux technologies actuelles. Au niveau des sources elles-mêmes, en hybridant une batterie et un super-condensateur, moins d’efforts brutaux sont demandés à la batterie, ce qui offre un meilleur vieillissement sur le long terme et donc une durée de vie supérieure.
Des perspectives d’avenir prometteuses
Le but est de se rapprocher le plus possible de ce que permet un moteur à combustion aujourd’hui. L’électrique a une densité de puissance et une densité d’énergie plus faibles, mais un rendement supérieur au thermique : il y a moins de pertes d’énergie au niveau du système.
Sur certains points, l’électrique dépasse déjà le thermique. À titre d’exemple, une Renault Zoé obtient de meilleures performances que la plupart des voitures thermiques au départ arrêté. De même, sur l’accélération, la Tesla model 3 est plus performante que les plus grosses voitures américaines.
Pour aller encore plus loin, une avancée au niveau des batteries est nécessaire. L’arrivée de batteries de type solide est très attendue, car elle promet une densité d’énergie 2 à 4 fois supérieure à une batterie lithium-ion classique. Aujourd’hui, elle existe déjà dans les laboratoires industriels, mais ne sera pas produite en grande série avant quelques années.
Les perspectives de développement sont importantes : en Europe notamment, en visant la disparition des voitures thermiques d’ici 2040, un grand nombre de batteries devront être fabriquées. La création de l’Automotive Cells Company (groupes PSA et Total), co-entreprise dédiée à ce projet, souligne déjà ce mouvement.
Grâce aux ponts et échanges entre les industries et secteurs, les technologies permettront au “tout électrique” de progresser à grands pas.
Du côté d’Ametra Group, la cellule R&D Ametra Research travaille déjà sur des projets d’hybridation de source 100% électrique pour des systèmes embarqués au sein du projet HELIOS.
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