Relever les défis de l'électrification des engins de chantier mobiles
Avr 05, 2022
Les fabricants d'équipements de construction, dont le marché s'élève à 200 milliards de dollars, sont confrontés à un défi complexe. Ils doivent réduire considérablement leur dépendance à l'égard du carburant diesel, qui est l'élément vital de leurs machines mobiles, et passer à des technologies à plus faibles émissions. Dans le même temps, ils doivent continuer à fournir les performances que leurs clients attendent, tout en veillant à ce que le coût total de possession (TCO) rende viable l'adoption de ces machines plus propres. L'électrification jouera sans aucun doute un rôle important en permettant aux entreprises de construction d'atteindre leurs objectifs environnementaux et le nouveau rapport d'IDTechEx "Véhicules électriques dans la construction 2022-2042" fournit une évaluation complète des progrès actuels dans ce secteur émergent, avec des études de cas détaillées et des informations sur les technologies clés.
Pour effectuer les mêmes tâches que les machines diesel équivalentes, les éléments du groupe motopropulseur des véhicules de construction électriques doivent être dimensionnés pour offrir les mêmes performances. Pour cela, les spécifications du moteur et de la batterie doivent être correctement dimensionnées. Par conséquent, la clé du déploiement des machines électriques est la compréhension de leur cycle de travail quotidien typique et de leurs besoins en énergie. Comme le secteur de la construction utilise toute une série de machines mobiles tout-terrain différentes, la puissance maximale requise pour le moteur varie considérablement en fonction de l'application et de la taille de la machine. De même, le besoin énergétique quotidien total est régi par le cas d'utilisation de la machine, certains cycles d'utilisation ne nécessitant qu'un fonctionnement sporadique pendant la journée, tandis que d'autres machines fonctionnent presque en continu. Des systèmes modulaires sont nécessaires pour optimiser les performances et le coût des machines électriques.
Taille du moteur de la pelle électrique par rapport aux pelles à moteur à combustion. Source : IDTechEx - "Véhicules électriques dans la construction 2022-2042"
La plupart des fabricants, en particulier aux États-Unis et en Europe, ont concentré leurs premiers travaux de développement en matière d'électrification sur les machines de construction compactes, dont la petite taille et les exigences relativement légères en matière de cycle de travail signifient qu'une journée de travail typique de 8 heures peut être assurée avec une taille pratique de batterie Li-ion (<50 kWh) et de moteur électrique (<20 kW). Plusieurs voies potentielles pour la recharge de ces machines sont en cours d'exploration, y compris les solutions de grandes batteries, qui peuvent assurer une journée de travail complète sans recharge, les batteries plus petites avec possibilité de recharge rapide pendant la journée de travail, le fonctionnement par câble captif et l'échange de batteries. La taille optimale de la batterie pour chaque machine devra tenir compte de facteurs tels que le coût élevé des batteries tout-terrain, l'impact de la charge rapide sur l'autonomie de la batterie, la disponibilité d'une alimentation électrique régulière et le coût de l'installation d'une infrastructure de charge sur les chantiers.
Si les petites machines sont le point de départ naturel de l'électrification sur ce marché, ce sont les machines de construction plus lourdes qui contribuent le plus aux émissions de CO2 du secteur. Il est essentiel que les équipementiers proposent également des solutions zéro émission pour ces véhicules de plus grande taille. Le problème réside dans le fait que des machines telles que les grandes excavatrices peuvent demander plus de 75 kWh d'énergie par heure de fonctionnement. Cela signifie qu'il faut installer une énorme batterie là où un poste de travail continu de 8 heures est demandé. Les prix actuels des batteries Li-ion pour véhicules lourds hors route étant de l'ordre de 600 $ et plus par kWh, ces énormes batteries ont un coût qui entrave considérablement la viabilité du TCO.
La stratégie de chargement des grosses machines sera essentielle pour réduire les besoins en capacité de batterie installée. Différentes approches sont à l'étude. Par exemple, de nombreux équipementiers chinois ont opté pour une méthode de charge rapide en courant continu à deux pistolets, qui permet d'ajouter 300 kWh pendant la pause déjeuner, tandis que la société néerlandaise d'ingénierie en technologies propres Urban Mobility Systems a mis au point un système d'échange de batteries utilisant trois modules de 130 kWh. Le système UMS a été testé dans de grandes excavatrices Doosan et Hyundai.
L'amélioration de l'efficacité du groupe motopropulseur sera également cruciale. Presque toutes les machines de construction électriques actuelles ont remplacé le moteur diesel par des batteries et des moteurs électriques, mais elles utilisent toujours un système hydraulique standard, dont le rendement peut atteindre 30 % seulement. Pour remédier à ce problème, des entreprises telles que Danfoss développent une technologie hydraulique numérique qui améliore l'efficacité du groupe motopropulseur et réduit la consommation d'énergie, ce qui permet d'utiliser une batterie plus petite pour effectuer les mêmes journées de travail.
L'objectif final des machines de construction électriques est la mise en place de systèmes entièrement électriques, qui remplacent entièrement les systèmes hydrauliques et utilisent à leur place des actionneurs et des moteurs d'entraînement électriques. Doosan Bobcat a lancé une chargeuse à chenilles entièrement électrique, la T7X, au CES 2022. Développé avec Viridi Parente et Moog, l'amélioration de l'efficacité du système tout électrique permet d'utiliser une batterie de 62 kWh alors que, si le véhicule avait employé l'hydraulique, la batterie aurait dû avoir une capacité de plus de 300 kWh pour offrir la même endurance. Il faudra poursuivre les travaux de développement au cours de la prochaine décennie pour que les systèmes entièrement électriques soient déployés à plus grande échelle. Les actionneurs électriques sont actuellement coûteux et ne sont pas encore en mesure de répondre aux exigences des grandes machines de construction.
L'innovation est nécessaire pour réaliser l'électrification dans ce secteur difficile, et les entreprises avant-gardistes engagent déjà des efforts et des ressources pour relever ces défis. IDTechEx prévoit que la part électrique du marché des véhicules de construction représentera plus de 100 milliards de dollars par an d'ici 2042.
Pour en savoir plus, le nouveau rapport d'IDTechEx "Véhicules électriques dans la construction 2022-2042" analyse les travaux d'électrification en cours sur la gamme des types de machines de construction, y compris les excavatrices, les chargeurs sur roues, les grues et les télescopiques. Le rapport fournit les perspectives indépendantes d'IDTechEx sur 20 ans pour le marché des véhicules de construction électriques, avec des prévisions pour les ventes, la demande de batteries et les revenus du marché, par type de machine, et des prévisions régionales distinctes pour l'Europe, la Chine et les États-Unis.
Pour plus d'informations sur ce rapport, veuillez consulter www.IDTechEx.com/EVConstruction. Le rapport sur les véhicules électriques dans la construction fait partie du portefeuille de recherche plus large d'IDTechEx sur la mobilité, qui suit l'adoption des véhicules électriques, les tendances des batteries, l'autonomie et la demande sur terre, en mer et dans les airs. Pour en savoir plus, consultez le site www.IDTechEx.com/Mobility.