Selon le Conseil mondial de l'énergie, les besoins énergétiques mondiaux vont doubler d'ici 2050. Face à cette situation, pour alléger la pression sur les sources d'énergie existantes, les innovateurs du monde entier utilisent de nouvelles technologies et de nouveaux matériaux pour développer des « routes intelligentes », capables de capturer, stocker et redistribuer l'énergie au moment et à l'endroit où elle est nécessaire. Des routes revêtues de panneaux solaires résistants, appelés « cellules photovoltaïques », commencent à voir le jour à travers le mond. La première route test a été inaugurée en Normandie en 2016 .En décembre 2017, la première autoroute à panneaux solaires au monde a été ouverte à la circulation à Jinan, dans la province de Shangdong en Chine. Aux États-Unis, Solar Roadways, une startup basée dans l'Idaho, a travaillé, au cours des cinq dernières années, sur trois contrats avec le ministère américain des Transports, dont l'un impliquait la construction d'un prototype de parking à Sandpoint, Idaho.
Chaque vitrage photovoltaïque de Solar Roadways peut générer 67 watts d'électricité, et cette énergie est ensuite utilisée pour alimenter des éléments chauffants destinés à faire fondre la neige ou à faire fonctionner les LED des marquages et signaux routiers. Un microprocesseur facilite également la communication sans fil entre les panneaux et les véhicules. Solar Roadways a également conclu un partenariat pour intégrer une technologie qui permettrait à ses panneaux solaires de charger dynamiquement les véhicules électriques lorsqu'ils roulent dessus. « Nos panneaux ont été soumis aux mêmes tests que les routes conventionnelles, dans plusieurs laboratoires de génie civil aux États-Unis, et ont obtenu des résultats supérieurs », explique Julie Brusaw, co-fondatrice de Solar Roadways. « Il y a plus de 72 520 kilomètres carrés de surfaces goudronnées, et ce uniquement dans les 48 États des États-Unis contigus, et nous estimons que la couverture de ces surfaces avec nos panneaux permettrait de produire plus de trois fois l'énergie électrique que le pays utilise chaque année. »
UN AVENIR ENSOLEILLÉ ?
Cependant, tout le monde n'est pas convaincu de l'efficacité des routes à panneaux solaires. Les intempéries, l'ombre et la saleté peuvent interférer avec la capture solaire. L'installation des panneaux sur des surfaces planes, plutôt que sur une surface inclinée comme c'est le cas pour la plupart des fermes solaires, limite également leur efficacité. Par exemple, la route de 1 kilomètre inaugurée en Normandie est recouverte de 2 800 mètres carrés de panneaux solaires et devait générer 800 kilowattheures par jour, mais son rendement réel au cours de la phase pilote n'a atteint que la moitié de ces prévisions.
Construire 2 kilomètre de route standard à deux voies aux États-Unis coûte en moyenne 5,6 million à 0,6 million de dollars américains (1 million à 1,8 million d'euros), selon les chiffres de l'American Road and Transportation Builders Association. La moitié du prix de la route solaire.
« Des résultats impressionnants ont été obtenus sur le plan de l'ingénierie, mais il est complètement ridicule de penser que les routes solaires peuvent apporter une contribution significative au réseau par rapport aux fermes solaires standard ou à d'autres alternatives renouvelables », détaille Andrew Thomson, ingénieur en énergie renouvelable chez CWP Renewables, une entreprise spécialisée dans le développement des énergies, basée en Nouvelle-Galles du Sud, en Australie.
« De longues routes solaires seraient compliquées et coûteuses à construire, car elles nécessiteraient des centaines de points de connexion. Réussir à les rendre praticables constitue donc un défi insensé. Il serait beaucoup moins cher et beaucoup plus efficace d'installer des panneaux solaires conventionnels sur le bord des routes ou de les installer sur les toits, les parkings et dans les champs, comme nous le faisons de plus en plus en Australie. Dans quelques années, nous aurons tellement d'énergie que nous ne saurons plus quoi en faire. »
L'ÉNERGIE CINÉTIQUE DES ROUTES
Cependant, les panneaux solaires ne sont pas la seule option pour rendre les routes intelligentes. D'autres projets étudient la faisabilité financière et technique de convertir la pression du poids des véhicules sur les routes en énergie électrique. Le concept implique l'intégration de cristaux piézoélectriques dans les revêtements routiers. Lorsque les véhicules roulent sur la route, leurs roues exercent une force qui déforme les cristaux, ce qui permet de générer de l'électricité.
Les systèmes piézoélectriques ont déjà connu un succès modéré. À la fin de l'année 2011, un projet pilote sur une autoroute de province de Hardenberg aux Pays-Bas, mené par l'Université de Twente et l'agence d'ingénierie Tauw, a démontré que ces systèmes généraient suffisamment d'électricité pour alimenter les capteurs routiers et d'autres applications à faible consommation d'énergie.
Les ingénieurs de l'Université de Lancaster au Royaume-Uni s'appuient sur les recherches de 2011 et espèrent développer un système piézoélectrique qui produira plus d'énergie à grande échelle. La California Energy Commission (CEC), une agence gouvernementale d'État, fait de même aux États-Unis. Elle a investi 2 millions de dollars américains (1,78 million d'euros) dans deux projets indépendants de piézoélectricité, menés par Pyro-E, une entreprise de technologie de collecte d'énergie basée à Los Angeles, et l'Université de Californie à Merced.
« Les deux entités ont construit des prototypes de générateurs piézoélectriques à ultra-haute densité, qui, testés sous une charge de compression lors d'essais en laboratoire, ont généré un niveau significatif de puissance électrique », explique Prab Sethi, chef de projet senior chez CEC. « À présent, ils fabriquent des systèmes électroniques de puissance intégrés, pour conditionner l'électricité collectée afin qu'elle puisse être utilisée pour alimenter les feux de signalisation et les bornes d'appel, charger les batteries ou les voitures électriques ou alimenter le réseau électrique. » Des démonstrations sur le terrain seront effectuées sur des routes privées ou sur des campus universitaires vers la fin de l'année 2019.
Une fois les phases pilotes terminées, le CEC évaluera la viabilité des systèmes piézoélectriques, comparée à d'autres sources d'énergie renouvelables, en termes de génération d'électricité, de durée de vie attendue, de durabilité, de coût et de potentiel marketing.
« Si cela est concluant, nous chercherons comment augmenter la production d'électricité tout en réduisant les coûts d'investissement, avant de tester la technologie sur les principales autoroutes », commente Prab Sethi. « Cette technologie pourrait aider la Californie à atteindre son objectif de produire 60 % de son électricité à partir de sources renouvelables d'ici 2030. »
Si cette technologie est un jour effectivement intégrée au vaste réseau routier de Californie, les chercheurs envisagent de l'utiliser pour alimenter les feux de signalisation et les bornes d'appel, recharger des batteries ou les voitures électriques ou alimenter le réseau électrique.
COLLECTE D'ÉNERGIE HYBRIDE
Parallèlement, d'autres chercheurs travaillent sur la production d'énergie à partir de diverses combinaisons de technologies. Par exemple, l'Université du Texas à San Antonio travaille sur un système hybride auto-alimenté, qui convertit les vibrations des véhicules et l'énergie thermique des revêtements routiers chauffés par le soleil en énergie électrique. Conçu pour s'intégrer sous n'importe quelle surface de route, le système fonctionne indépendamment du réseau électrique national, et constitue donc un système idéal pour fournir de l'énergie aux zones rurales éloignées. Les chercheurs rapportent que les résultats des systèmes pilotes sur les routes du campus universitaire sont prometteurs.
« Nous avons optimisé le système pour qu'il fonctionne dans notre climat chaud, où les flux de circulation sont élevés, et nous avons enregistré une source continue de 29 mégawatts d'énergie provenant de la conversion de chaleur, et de 15 mégawatts provenant de la conversion d'énergie piézoélectrique », détaille Samer Dessouky, professeur au Département de génie civil et environnemental de l'Université du Texas à San Antonio. « Cela suffit pour faire fonctionner des LED de faible puissance dans les feux de signalisation ou les lampadaires, et pour activer les capteurs qui collectent des données sur la circulation et l'état structurel de la route, ce qui permet d'améliorer la sécurité et de réduire les coûts d'entretien. »
Toutefois, cela ne signifie pas que le système est prêt pour une application commerciale.
« Le système n'est, en aucun cas, prêt à concurrencer les systèmes de production d'énergie verte existants (tels que les panneaux solaires), et nous cherchons encore à résoudre les problèmes techniques liés à l'installation de notre solution sur les grands axes routiers », précise Samer Dessouky. « Une plus grande optimisation sera a priori possible, après le déploiement sur site, pour maximiser les fonctionnalités à long terme, car les transducteurs piézoélectriques, les générateurs thermoélectriques et les matériaux à changement de phase, plus efficaces qu'auparavant et produits en plus grandes quantités, sont de moins en moins chers. »
UTILISATION ALTERNATIVE
Ailleurs, les chercheurs se concentrent sur les solutions d'électrification et d'induction électromagnétique qui permettent de recharger les véhicules électriques (VE) lorsqu'ils se déplacent. L'entreprise israélienne ElectReon, par exemple, est en train de mettre au point une technologie dynamique de transfert d'énergie sans fil, qui peut être utilisée pour recharger les véhicules électriques lorsqu'ils circulent à Tel-Aviv.
« Bien que cette électricité ne soit pas produite à partir de la route, elle constitue une méthode idéale pour transférer de l'énergie renouvelable aux VE, afin qu'ils puissent circuler sur de longues périodes sans devoir transporter des batteries lourdes ou effectuer des recharges dans des stations traditionnelles », explique Noam Ilan, vice-président du développement commercial chez ElectReon. « Les essais que nous avons menés avec une voiture électrique du constructeur Renault-Nissan ont montré que notre système robuste peut transférer efficacement et de manière stable l'énergie électrique aux voitures, dans différentes conditions. »
Un projet pilote prévu en 2019 avec la Dan Bus Company, de Tel-Aviv permettra de tester le potentiel du système sur les bus publics. Selon Noam Ilan, ElectReon espère être prêt pour un déploiement commercial complet en 2020.
La Suède, qui cherche quant à elle à se doter d'une infrastructure de transport exempte de combustibles fossiles d'ici 2030, a mis en œuvre plusieurs projets novateurs. Depuis 2017, les camions hybrides circulant sur un tronçon de route entre Hillsta et Sandviken peuvent se connecter à des points électriques aériens pour recharger leurs batteries. En 2018, la première route au monde à recharger des véhicules électriques à partir d'une voie électrifiée intégrée a été inaugurée tout près de Stockholm. Développé par le consortium local eRoadArlanda, le système se compose de deux voies de rails électrifiés, installées sous la route. Les voies transfèrent l'énergie vers des bras mobiles fixés sous les VE lorsque ceux-ci passent. La route test initiale est longue de 2 kilomètres, mais la prochaine fera 20 à 30 kilomètres.
ElectReon pilote également un projet mené par un consortium d'entreprises, visant à électrifier un tronçon de 1,6 kilomètre sur une route de 4,1 kilomètres, entre l'aéroport et la ville de Visby, sur l'île suédoise de Gotland. Cela permettra de recharger, sans fil, les camions et les autobus électriques.
ROUTES INTELLIGENTES
L'objectif ultime serait bien sûr de concevoir des routes capables de produire leur propre électricité, plutôt que de la collecter à partir de sources renouvelables. Alors que ce type de routes est en cours d'expérimentation, de nouvelles technologies de virtualisation, de simulation et de modélisation 3D pourraient aider les chercheurs à concevoir des matériaux plus performants et plus rentables, pour faire de ce rêve une réalité.
Gunnar Asplund, inventeur et directeur de la recherche et du développement chez eRoadArlanda, est réaliste quant aux défis à relever.
« C'est une excellente idée de concevoir des routes qui produisent leur propre énergie, mais la plupart des routes intelligentes feront partie de très petits réseaux électriques isolés », souligne-t-il.
Cependant, chez Solar Roadways, Julie Brusaw voit cela comme un avantage.
« La construction de nouveaux parcs solaires ou éoliens occupe les terres et cause des problèmes à la faune qui les habite. En revanche, nous disposons déjà de millions de kilomètres de routes », explique-t-elle. « Contrairement aux fermes solaires ou éoliennes centralisées, les routes solaires ou intelligentes permettraient de créer un réseau décentralisé, qui ne pourrait pas être coupé à la suite de cyberattaques, renforçant ainsi la sécurité du pays. Les infrastructures routières et les réseaux électriques désuets doivent être modernisés pour répondre aux futures demandes d'énergie, et nous développons actuellement la technologie qui le permettra. »
Pour en savoir plus sur la modélisation et la simulation pour créer des routes intelligentes, consultez : https://go.3ds.com/WwG
