Efficacité accrue pour les pelles électriques

En 2014, d’ingénieux constructeurs en mécanique et en électricité de l’EPFZ ont conçu la première pelle à batterie au monde. Ce projet a conduit, un an plus tard, à la création de Suncar AG. Depuis, l’entreprise aide les fabricants de machines de chantier et d’engins de travail à électrifier leurs machines et leurs véhicules. Cette entreprise de cleantech, dont le siège se trouve à Oberbüren (SG) et qui dispose d’un département R&D à Schlieren (ZH), compte aujourd’hui 50 employés, dont 40 ingénieurs. Dans le cadre d’un projet de développement actuel, les concepteurs de Suncar se sont penchés sur l’électrification des pelles mobiles. Traditionnellement, celles-ci sont entraînées par un système hydraulique alimenté par un moteur diesel. 

Ces dernières années, différents fabricants ont commercialisé des machines électrifiées équipées d’un moteur électrique à la place d’un moteur à combustion. Dans le cadre d’un projet de R&D de l’Office fédéral de l’énergie (OFEN), les constructeurs de l’entreprise sont allés encore plus loin : grâce à des moteurs électriques supplémentaires et à une architecture de véhicule plus efficace, ils ont travaillé à réduire davantage la consommation d’énergie des pelles sur chenilles et à explorer les limites actuelles de l’électrification des machines.

À cette fin, ils ont coopéré avec la société allemande KTEG, qui entretient des relations techniques étroites avec le fabricant japonais Hitachi Construction Machinery. Une pelle sur pneus de type Hitachi ZX150W à moteur diesel a servi de base. Sur cette base, les experts de Suncar ont conçu l’architecture électrique complète du véhicule, y compris le câblage, les logiciels et la gestion thermique, et l’ont mise en œuvre conjointement avec la structure métallique préparée par KTEG. Il en est résulté une pelle sur pneus dont le degré d’électrification n’avait jusqu’alors jamais été atteint dans cette catégorie de véhicules et qui ouvre de nouvelles perspectives sur le plan technique : non seulement le moteur diesel a été remplacé par un moteur électrique, mais la transmission est désormais également assurée par un moteur électrique. De plus, deux autres moteurs électriques ont été installés : l’un assure l’entraînement de la rotation, l’autre fait partie d’un système de levage électrohydraulique permettant de lever et d’abaisser la flèche à laquelle sont fixés la pelle ou d’autres outils de travail.

C'est ainsi qu'est né le prototype d'une pelle électrique, dans laquelle, outre le moteur diesel, des éléments fondamentaux du système hydraulique ont également été électrifiés. Il en résulte une machine de chantier nettement plus économe en énergie : au cours d'une journée de travail type, le prototype consomme jusqu'à 40% d'énergie en moins qu'une pelle électrique dans laquelle seul le moteur diesel a été remplacé par un moteur électrique. « Ce gain d’efficacité souligne clairement le potentiel que recèle l’électrification des engins de chantier », déclare Rik Bättig, chef de projet chez Suncar. À titre de comparaison, l’ingénieur en mécanique évoque les moteurs à combustion interne. Dans ce domaine, les approches innovantes n’ont conduit, au mieux, qu’à des gains d’efficacité de quelques pourcents.

La faible consommation de la pelle mobile entièrement électrifiée repose notamment sur la récupération d'énergie. La récupération d'énergie, par exemple lors des freinages, est plus simple avec des moteurs électriques qu'avec des systèmes hydrauliques. Les sous-systèmes du prototype permettent de réaliser des économies variables : pour la transmission, elles dépassent 70%. Pour l'entraînement de pivotement de la tourelle, elles atteignent même jusqu'à 80%, et pour le système de levage, de 50 à 80%. Sur une journée de travail de huit heures, le véhicule économise environ 165 kWh d'électricité, ce qui correspond à une valeur financière d'environ 6'500 francs sur une année.

La baisse des coûts d'exploitation s'accompagne toutefois d'une augmentation des coûts de fabrication de la pelle mobile. Il n’existe pour l’instant pas de calcul de rentabilité définitif pour un produit commercialisable. Il est clair que l’électrification a un effet positif sur le climat : dans une analyse simplifiée du cycle de vie incluant les processus de fabrication des composants et de la pelle, le prototype électrique génère environ 80% d’émissions de CO2 en moins par rapport à une pelle fonctionnant au diesel.

L'électrification directe des entraînements hydrauliques sur les engins de chantier n'en est encore qu'à ses débuts. Les composants nécessaires à cet effet ne sont disponibles qu'en quantité limitée. Une partie des composants utilisés pour la conversion de la pelle mobile Hitachi a été développée spécialement pour ce projet par les fournisseurs. « Notre projet a ainsi eu un impact dont pourront désormais bénéficier d’autres fabricants de machines qui souhaitent remplacer progressivement les systèmes hydrauliques des engins de chantier par des systèmes électriques », estime M. Bättig. L’imposition des pelles mobiles à haute efficacité énergétique ne dépendra finalement pas seulement de la technologie, mais aussi de leur acceptation : les moteurs électriques peuvent offrir une sensation de conduite légèrement différente par rapport aux commandes hydrauliques traditionnelles. Même si les moteurs électriques sont en principe plus performants, les conducteurs de pelles doivent parfois s’y habituer, comme l’ont montré plusieurs semaines d’essais du prototype sur des chantiers pilotes à Bâle et à Lucerne.

La demande en pelles fonctionnant sans diesel et silencieuses est particulièrement forte sur les chantiers situés dans des zones résidentielles. Dans les pays scandinaves, il existe déjà des dispositions légales en faveur de la construction sans émissions. Rik Bättig souligne en outre que le prototype issu du projet P+D devrait être prêt pour la production en série d’ici un an. La prochaine étape consistera à mettre au point l'interface avec le système de commande Hitachi et l'intégration des nouveaux composants électriques pour la production en série. De plus, la pelle électrique doit passer d'autres tests pratiques et atteindre un rapport coût-efficacité attractif.