Des poids lourds rechargés en moins d’une heure

Processus de recharge sur le site pilote d’Oberbüren.

Les camions électriques nécessitent des stations de recharge performantes. Un consortium de recherche a développé une station de recharge mobile de l’ordre du mégawatt et l’a testée sur le terrain. Grâce à ses courants de charge et de décharge élevés, une grande batterie tampon permet d’offrir des fonctions et des applications supplémentaires.

Texte : Benedikt Vogel, sur mandat de l’Office fédéral de l’énergie (OFEN)
Photos : Fabio Reichmuth, Designwerk Technologies AG

Les poids lourds électriques à batterie lourde sont actuellement utilisés principalement pour des distances courtes et moyennes, par exemple dans la logistique de distribution, du recyclage ou des chantiers. Des distances d’environ 500 km peuvent être parcourues sans recharge intermédiaire. Dans le transport longue distance, en revanche, les véhicules à batterie atteignent encore leurs limites. La cause réside dans le poids et le volume des batteries (et ainsi dans la densité énergétique disponible) : pour une autonomie de 1000 km, un grand poids lourd de 40 t nécessiterait une batterie de 1400 kWh, soit un poids de 9 t. Mis à part le poids élevé, cette solution serait coûteuse et inappropriée en raison de la réduction de la charge utile.

Les avantages d’un réservoir tampon

« Une alternative consiste à installer dans le poids lourd une batterie plus petite, mais à la recharger pendant la journée. Avec une infrastructure de recharge rapide très performante, de l’ordre du mégawatt, cette batterie peut être rechargée en nettement moins d’une heure, par ex. pendant la pause déjeuner des conducteurs », explique Steffen Reuter, responsable du développement de la technique de recharge chez Designwerk Technologies AG (Winterthur). Dans ce contexte, Designwerk travaille sur des stations de recharge rapide à haute puissance pour le transport lourd. Dans le cadre d’un projet R&D de l’OFEN, l’entreprise a développé, construit et testé sur le terrain une station de recharge rapide en collaboration avec la Haute école spécialisée de Suisse orientale et la Haute école spécialisée de Berne.

Jusqu’à présent, les camions électriques tirent en général leur électricité de bornes de recharge utilisant la norme CCS (Combined Charging System), développée pour les voitures de tourisme. Mais cela devrait bientôt changer : plusieurs fabricants travaillent actuellement sur une norme de recharge plus puissante, le Megawatt Charging System (ou MCS). Le « Mega-Charger » développé par Designwerk fait partie de cette catégorie. Le système de recharge – telle est sa particularité – est logé dans un conteneur mobile. Il peut ainsi être mis en service rapidement et avec une grande flexibilité sur site. Le Mega-Charger comprend une batterie tampon haute puissance. Ainsi, le Mega-Charger n’a pas besoin d’une puissance de raccordement au réseau de l’ordre du mégawatt ; 400 kW ou moins suffisent.

Le connecteur de recharge du Mega-Charger (à droite) utilise la norme MCS et est plus volumineux que les connecteurs classiques avec norme CCS (à gauche).

Prototypes en essai sur le terrain

Après sa conception et sa construction, le Mega-Charger a été soumis à un test sur le terrain avec jusqu’à dix cycles de recharge par jour pendant neuf mois chez Galliker Transport AG à Altishofen (LU). Un deuxième Mega-Charger a également été utilisé pendant quelques semaines dans un dépôt autoroutier à Oberbüren (SG) à des fins de mesure et de tests. Lors de ces opérations pilotes, la station de recharge mobile avec batterie tampon a démontré son bon fonctionnement. Un prototype de véhicule équipé d’une grande batterie de 1000 kWh – pour donner un exemple – a été rechargé de 10 à 90% en 52 minutes.

Le Mega-Charger est nettement plus coûteux qu’une station de recharge classique, principalement en raison des batteries tampons. Toutefois, le Mega-Charger permet l’utilisation de camions avec des batteries plus petites pouvant ensuite être rechargées pendant les pauses d’exploitation au cours de la journée. Cela se traduit par des « avantages structurels en termes de coûts », comme le souligne la Haute école spécialisée de Suisse orientale (OST) dans une comparaison des coûts totaux de possession (Total Cost of Ownership). Ainsi, un camion peut transporter une charge utile plus importante grâce à la batterie plus petite.

Plusieurs circuits de refroidissement

La norme MCS a été formellement adoptée, le type de connecteur et le protocole de communication ont été définis. La construction d’une station de recharge MCS comporte néanmoins encore plusieurs défis, souligne Steffen Reuter, notamment en matière de refroidissement : la station de recharge fonctionne avec des courants pouvant atteindre 1500 ampères. Pour transmettre de tels courants dans des câbles flexibles, ceux-ci, ainsi que les connecteurs, doivent être refroidis, ce qui se fait à l’aide d’huile. S’y ajoutent deux circuits eau-glycol pour le refroidissement de l’électronique de puissance et de la batterie.

Du côté du véhicule également, un refroidissement est nécessaire en raison des courants élevés. Sur les camions électriques actuels, les ports de recharge CCS sont déjà intégrés au système de refroidissement, mais en raison des sections réduites des câbles de connexion et des broches des connecteurs, ils ne peuvent pas transmettre de courants élevés en continu, généralement seulement 500 A. « Dans un avenir proche, les camions électriques devraient être équipés du MCS et conçus pour des courants nettement plus élevés, supérieurs à 1000 A. Pour y parvenir, de nouvelles solutions de refroidissement des véhicules – en particulier pour le port de recharge et la batterie – doivent être développées », déclare Niels Ross, chef de projet technique de recharge chez Designwerk.

Protocole de mesure du site pilote d’Oberbüren : avec une puissance de charge initiale d’environ 1,1 MW (orange), la batterie de
1000 kWh d’un camion électrique est rechargée de 10 à 90 % en 52 minutes (vert).
Graphique : rapport final de l’OFEN Mega-Charger

Quantité d’énergie chargée via le Mega-Charger sur le site pilote de Galliker Transport AG à Altishofen (LU). Durant les deux
premiers tiers de la période du projet, les quantités d’énergie restaient encore limitées. Entre les semaines calendaire 35 et 45,
une moyenne de 5720 kWh par semaine a été chargée via le Mega-Charger, ce qui correspond à une distance parcourue
d’environ 52 000 km. Jusqu’à dix camions étaient rechargés chaque jour sur le Mega-Charger.
Graphique : rapport final de l’OFEN Mega-Charger

Un complément pour les stations de recharge fixes

À l’avenir, les bornes de recharge fixes avec norme CCS ou MCS devraient couvrir la majorité des besoins de recharge du transport lourd. Aussi, le Mega-Charger mobile est plutôt un produit de niche, destiné à être utilisé dans des situations où des puissances de charge élevées doivent être disponibles rapidement, par ex. pour des solutions temporaires et flexibles. Le succès du Mega-Charger dépendra donc non seulement des coûts, mais aussi de la disponibilité de poids lourds électriques performants. Il sera également crucial de savoir dans quelle mesure les entreprises trouveront des cas d’utilisation appropriés et des concepts d’exploitation pour cette station de recharge haute puissance. Il convient d’évaluer, en fonction de l’usage prévu, si les stations de recharge de l’ordre du mégawatt doivent être mobiles et nécessitent une batterie tampon.

L’analyse du cycle de vie

Dans le cadre du projet, la Haute école spécialisée de Suisse orientale a réalisé pour le Mega-Charger une analyse du cycle de vie. Les émissions de gaz à effet de serre étaient légèrement supérieures à celles du scénario de référence (camion électrique classique avec batterie plus grande mais charge utile plus faible), soit 39 contre 32 g eq CO₂/kWh. Si l’on considère les émissions par kilomètre, elles sont à peu près du même ordre (environ 45–50 g eq CO₂/km). Si l’on tient compte du poids des marchandises transportées, le Mega-Charger obtient de meilleurs résultats grâce à sa charge utile plus élevée.