Dossier de veille : Quelles innovations pour les poids lourds de demain?

Les secteurs du fret et de la logistique sont en pleine mutation.

Si l’on en croit le Forum International du Transport (FIT), les volumes de marchandises transportées continueront de croître fortement, la demande mondiale de fret devant tripler entre 2015 et 2050 [2]. Les secteurs du fret et de la logistique sont en pleine mutation et connaîtront probablement des bouleversements plus importants encore dans l’avenir : la technologie, les modèles d’affaires, le comportement des consommateurs et la modification de la structure des échanges vont être modifiés. Si pour le FIT la décarbonation du transport de marchandises dépend beaucoup de l’amélioration des pratiques de logistique, les ruptures technologiques principales attendues pour le secteur sont les camions autonomes, l’électrification (hydrogène, batteries, rechargement direct via les routes…) ou l’utilisation de carburants de substitution (biocarburants ou carburants de synthèse).

Mais l’accès à ces technologies peut être couteux et difficile. D’autant plus qu’en France, le secteur se démarque par un très fort poids de ses PME (hors microentreprises) : ces dernières réalisent 45 % du chiffre d’affaires du secteur [3]. Ces PME n’ont pas toujours la structure ou les compétences nécessaires pour s’engager dans de tels bouleversements.

Dans cet article, nos experts vous en disent plus sur les axes d’innovation à venir pour le transport routier de marchandises et sur la manière dont la filière Carnauto peut aider les PME/ETI du secteur dans leur transition vers la décarbonation.

Les axes d’innovation

Le véhicule autonome

Les perspectives

La notion de véhicule autonome pour ce secteur peut faire référence soit à des camions sans conducteurs (autonomes ou éventuellement pilotables à distance), soit à des pelotons de véhicules semi-automatisés reliés par des systèmes de communication (platooning). Les objectifs de la conduite autonome sont multiples : réduction des accidents, réduction des charges (coûts de main d’œuvre) et réduction de la consommation de carburant (jusqu’à 10 % avec le platooning). Les convois routiers pourraient permettre également d’acheminer des chargements plus importants et d’éviter la congestion en circulant aux heures creuses.

Les verrous technologiques sont encore nombreux et la règlementation joue un rôle crucial.

Mais la mise en œuvre des camions autonomes se heurte à de nombreux obstacles, et il existe une forte incertitude concernant leur degré de déploiement. Les verrous technologiques sont encore nombreux. Certaines problématiques sont les mêmes que pour les voitures : technologie des capteurs, réseau, data et communication, intelligence artificielle et machine learning sont les axes de recherche privilégiés actuellement. La réglementation joue également un rôle crucial à cet égard puisque c’est en fonction du cadre en place que le secteur tirera plus ou moins parti des avantages de l’automatisation du fret routier. L’acceptabilité à la fois par les acteurs du secteur mais surtout par les autres usagers de la route est également à prendre en compte.

Le recours à cette technologie devra être encadré car selon les scenarios retenus par le FIT, il pourrait y avoir un effet rebond si les camions autonomes devaient prédominer dans le fret routier. En effet, cela pourrait ne pas avoir d’incidence sur le niveau mondial des émissions de CO2 car la baisse notable des coûts du fret ferait reculer les coûts de transport en général, en conséquence de quoi le volume global de transport gonflerait légèrement. À cela s’ajouterait un report modal du rail et des voies navigables intérieures vers la route.

L’actualité du domaine

La start-up américaine Locomation a testé cet été sa technologie de conduite semi-autonome à l’aide de deux camions se suivant lors d’un trajet de 675 kilomètres. : le second camion, en mode autonome, suit le premier dont le conducteur reste au volant. Locomation espère débuter la commercialisation de sa technologie dès 2022.

Il y a quelques mois, la société Plus.AI a fait circuler un camion sans conducteur sur 4 500 km aux Etats-Unis pour livrer une cargaison de beurre. Il s’agit de “la première expérimentation américaine de niveau 4 (voir les différents niveaux d’autonomie ici) à transporter une remorque réfrigérée entièrement chargée de marchandises périssables”. La société entend commercialiser ses camions autonomes d’ici à 2023, sous réserve de l’évolution des règlementations. Elle est aujourd’hui à la recherche de financement à la hauteur de 60 millions de dollars.

Le constructeur américain de camions Navistar, détenu en partie par la division Traton du groupe Volkswagen, a pris une participation minoritaire (non précisée) dans la société de technologies TuSimple, avec laquelle il veut développer des camions autonomes d’ici à 2024. TuSimple a annoncé récemment qu’il lançait un réseau de camions autonomes avec les entreprises de logistiques UPS, le transporteur US Xpress Enterprises et McLane, une division de services d’approvisionnement de Berkshire Hathaway. TuSimple a également annoncé en début d’année son rapprochement avec l’équipementier automobile ZF afin de développer et commercialiser une plate-forme technologique complète, clé en main, pour l’automatisation de la conduite des camions.

Daimler Trucks veut commercialiser d’ici 10 ans des camions autonomes de niveau 4. Pour y parvenir, elle a créé une division dédiée appelée l’Autonomous Technology Group en juin 2019, assortie d’un investissement d’un demi-milliard d’euros. Daimler Trucks a pris une participation majoritaire dans la société Torc Robotics, qui a développé une suite logicielle pour les véhicules autonomes il y a quelques mois. Daimler Trucks et Torc Robotics continuent les essais de camions automatisés sur les routes américaines (niveau 4 d’autonomie).

La société suédoise Enride développe une flotte de camions autonomes électriques supervisés à distance, une seule personne pouvant gérer, et si besoin prendre le contrôle, de plusieurs véhicules.

Le constructeur suédois Scania présente un concept de poids lourd entièrement autonome, baptisé AXL : ce véhicule, destiné aux chantiers, n’a pas d’habitacle. Un module avant intelligent embarque la technologie (radars, caméras, récepteurs GPS…) et remplace la cabine traditionnelle du chauffeur. Ce poids lourd fonctionne avec un moteur thermique alimenté par biocarburant.

La startup américaine Ike Robotics a séduit plusieurs entreprises de logistique avec ses camions autonomes. Ces camions ne sont pas adaptés pour les premiers et derniers kilomètres, mais plutôt pour les voies rapides.

Waymo a levé en mars 2,25 milliards de dollars pour assurer un déploiement international et lancer son service Waymo Via pour le fret autonome.

Le groupe Volvo, propriétaire entre autres des marques Volvo Trucks et Renault Trucks, a établi en octobre 2019 une nouvelle entité dédiée aux moyens de transport autonomes. Le constructeur souhaite développer des solutions pour les secteurs des mines, des ports ou du transport entre des centres logistiques, où l’usage de ces technologies devrait démarrer plus vite que sur route ouverte.

L’Europe a lancé un projet baptisé ENSEMBLE (ENabling SafE Multi-Brand pLatooning for Europe), d’expérimentations de convoi de camions semi-automatisé (platooning) sur ses routes. Les six grands constructeurs européens, DAF, Daimler, Iveco, MAN, Scania et Volvo Group (Volvo Trucks & Renault Trucks), prennent part à l’opération, de même que les équipementiers NXP, ZF et Wabco et plusieurs instituts de recherche comme l’Université Gustave Eiffel en France. Le projet a pour objectif l’interopérabilité et la sécurité des convois.

Electrification

Les perspectives

Le poids des véhicules et l’ampleur des distances parcourues rendent la transition énergétique dans le secteur du transport routier de marchandises difficile. Comme pour la voiture, deux technologies se confrontent pour l’électrification des poids lourds : l’hydrogène et les batteries. Chacune a ses avantages et ses inconvénients.

Le véhicule lourd à batteries reste une solution pertinente pour la logistique urbaine voire périurbaine.

Un des avantages de la batterie est son fort rendement. Mais ses inconvénients sont multiples : le premier d’entre eux reste la densité énergétique des batteries actuelles qui, pour une masse de batteries donnée (compatible avec sa capacité d’emport), limite de fait l’autonomie des véhicules, impose des recharges fréquentes et donc la disponibilité d’infrastructures de recharge le long des corridors de fret. Le véhicule lourd à batteries reste par contre une solution pertinente pour la logistique urbaine voire périurbaine.

L’utilisation d’hydrogène permet de palier en partie le problème d’autonomie.

L’utilisation de l’hydrogène, stocké sous forte pression dans un réservoir, combinée avec une pile à combustible qui transforme l’hydrogène en électricité, permet de pallier en partie ce problème d’autonomie en se rapprochant de l’autonomie actuelle d’un véhicule Diesel. C’est pourquoi une des priorités de la Stratégie nationale pour le développement de l’hydrogène décarboné en France présentée le 8 septembre dernier est le développement d’une mobilité lourde à l’hydrogène décarboné. 7 milliards d’euros seront investis dans cette filière, dont 2 milliards d’euros d’ici à 2022. L’inconvénient essentiel de l’hydrogène est son faible rendement par rapport à la batterie.

Les systèmes de routes électriques sont prometteurs pour le transport de marchandises lourdes sur longues distances, mais ne présentent guère d’intérêt pour les poids lourds qui sont utilisés sur des routes plus petites et moins fréquentées.

Concernant les systèmes de routes électriques, trois techniques d’alimentation sont possibles [2] :

• À l’aide de caténaires aériennes : le système consiste à transmettre l’énergie au moyen d’un bras mobile monté sur le toit des véhicules ;
• Par conduction : l’énergie passe dans des rails fixés au sol et est transmise au véhicule par un collecteur de courant glissant ;
• Par induction au sol : l’énergie de la route est transmise au véhicule en mouvement sans fil via un champ magnétique. Cela exige l’installation de bobines génératrices d’un champ électromagnétique dans la chaussée et de bobines réceptrices qui permettent la production d’électricité à l’intérieur du véhicule. L’alimentation électrique se fait sans contact mécanique. Les véhicules doivent être dotés de sources d’énergie autonomes (par exemple, batteries ou piles à combustible à hydrogène) pour pouvoir rouler en dehors du réseau électrifié, les batteries se rechargeant lorsqu’ils y circulent de nouveau.

Les systèmes de routes électriques sont donc prometteurs pour le transport de marchandises lourdes sur longues distances, mais ne présentent guère d’intérêt pour les poids lourds qui sont utilisés sur des routes plus petites et moins fréquentées.

Il semblerait qu’il y ait un réel marché pour le rétrofit des poids lourds.

L’électrification des poids lourds ne concerne pas que les véhicules neufs : il est possible de remplacer les moteurs thermiques de véhicules anciens par un moteur électrique (batterie ou hydrogène) ou par la mise en place d’un système d’injection permettant l’utilisation de gaz naturel, c’est le rétrofit (voir notre article du 16 juin sur le sujet). Le rétrofit est autorisé en France depuis peu, ses conditions de mise en œuvre ont été définies par décret du 13 mars 2020. Il semblerait qu’il y ait un réel marché pour le rétrofit des poids lourds, contrairement à celui des voitures qui resterait plus confidentiel.

L’actualité du domaine

Plusieurs constructeurs et équipementiers misent sur le camion hydrogène :

• Le constructeur automobile allemand Daimler et son concurrent Volvo vont s’allier pour construire des piles à hydrogène pour poids lourds.
• Bosch développe, pour une commercialisation à horizon 2022 ou 2023, des groupes motopropulseurs à PAC H2 pour poids lourds.
• Toyota s’associe à Hino pour développer un camion à hydrogène.
• Hyzon Motors (Filiale de Horizon Fuel Cell, fabricant de piles à hydrogène de forte capacité) vient d’inaugurer, dans l’état de New-York, une usine dédiée à la production de camions, autobus et fourgonnettes à pile à combustible.
• Hyundai a dévoilé récemment son premier camion à hydrogène. Et l’industriel français FAURECIA va équiper les systèmes de stockage à hydrogène pour des poids lourds de Hyundai Motors.
• En partie financé par l’Union Européenne, le projet Hydrogen Fuel Cell Trucks for Heavy Duty Zero Emission Logistics (H2HAUL) compte aujourd’hui 15 partenaires. Il vise à développer l’usage de l’hydrogène dans le domaine du transport routier en expérimentant différents types de poids-lourds et les infrastructures associées.
• Air liquide en France mise sur l’hydrogène pour les camions et lance la construction de la première station haute pression de grande capacité en Europe.

Le véhicule lourd à batterie est lui plus destiné aux trajets courts et à la logistique des derniers/premiers kilomètres. Ainsi Renault Trucks a lancé en 2018 sa première gamme de camions 100% électriques. Ces camions permettent d’effectuer les opérations de collecte de déchets et de distribution en zone urbaine sans émission de polluants et avec beaucoup moins de bruit. Tesla a présenté son camion électrique a batteries et avance jusqu’à 800 km d’autonomie. Il faudra néanmoins équiper les routes des infrastructures nécessaires, les Megachargers, solution de charge spécifique qui promet 1 MW de puissance, pour 80% de charge en 30 minutes.

Dans le domaine des routes électriques, la start-up israélienne Electreon, spécialisée dans les solutions et infrastructures électriques sans fil, vient de signer avec EnBW, le géant allemand de la mobilité électrique, pour équiper l’Allemagne de sa première route de recharge de batteries sans fil. En effet, EnBW a pour objectif de concevoir une ligne de bus totalement équipée d’une solution de charge par induction. La Suède a ouvert la première route électrifiée au monde pour camions. La Suède teste également un tronçon de route électrique pour tester la technologie par induction.

Concernant le retrofit, la société e-Néo travaille sur la conversion de camions lourds en misant sur l’hydrogène, avec la collaboration de transporteurs régionaux.

Les carburants de substitution

Les perspectives

Le gaz naturel compressé (GNC) ou liquéfié (GNL) apparaît comme une alternative déjà opérationnelle pour les camions aujourd’hui. Fin 2019, cette énergie s’appuyait sur un réseau public de distribution de 116 stations-service (83 GNC, 4 GNL, 29 mixtes), et l’ouverture d’une cinquantaine de sites supplémentaires est prévue en 2020, selon l’Observatoire du véhicule industriel (25 GNC, 2 GNL, 22 mixtes). L’autonomie des véhicules est d’environ 600 km avec le GNC, et jusqu’à 1 500 km avec du GNL. Quelle que soit sa forme, par rapport à un camion roulant au diesel Euro VI, ce carburant diminuerait de 90% les particules et le dioxyde d’azote (NO2), de 55% les oxydes d’azote (NOx), réduit de 10% les émissions de CO2 et a un effet bénéfique sur les émissions d’oxydes d’azote et de particules.

Le gain en matière de CO2 peut être maximisé jusqu’à 80-90 % en cas d’utilisation de bio méthane ou bioGNV produit à partir de déchets. Dans un rapport rendu public en mai 2019, l’IRU affirme qu’un mélange de GNL composé de 80% de gaz naturel et de 20% de biométhane, est le carburant alternatif au diesel le plus fiable pour les véhicules lourds.

L’actualité du domaine

Il existe de plus en plus de camions roulant au biodiesel, un biocarburant obtenu à partir d’huile végétale ou animale. Le biodiesel peut être utilisé seul dans les moteurs (B100) ou mélangé avec du gazole (B30, B20, B10, etc.).

Récemment, Renault Trucks a annoncé avoir livré 40 camions roulant au B100 pour les transports Mazet.

La filiale logistique de Système U vient de mettre en circulation ses premiers camions roulant au Diester, un biocarburant remplaçant le diesel.

Le groupe Avril a lancé en 2018 le carburant Oleo100, qu’il présente comme le premier carburant français 100% végétal, renouvelable et tracé. Ce nouveau biocarburant à base de colza est pour l’heure destiné aux professionnels du transport (de marchandises et de voyageurs) et aux collectivités locales qui possèdent une flotte captive. Début 2020, trois cents camions roulaient déjà à l’Oleo100.

La coopérative sucrière Tereos a annoncé le 13 janvier 2020 qu’elle allait tester auprès des transporteurs de betteraves, « en situation réelle de campagne », le carburant ED95 sur son site de production d’Escaudoeuvres près de Cambrai (Nord). Ce carburant est composé d’environ 95% d’éthanol issu notamment de résidus provenant de la transformation de la betterave et de 5% d’additif. Il permet de faire rouler des poids lourds, cars et bus équipés d’une motorisation adaptée. Il s’agit d’un partenariat avec le constructeur Scania.

Aujourd’hui, les biocarburants liquides de première génération, comme le biodiesel, conduisent à des gains en CO2 d’environ 40%. Fabriqués à partir de matières premières pouvant entrer en compétition avec l’usage alimentaire (sucre, amidon ou huile), leur incorporation dans les carburants est limitée dans les nouvelles réglementations et remplacée par les carburants dits de 2^nde génération (BtL ou biomasse to liquid) produits à partir de ressources lignocellulosiques, qui présenteront un gain en CO2 de 85 à 90 % par rapport à la référence fossile.

Les carburants de synthèse, e-fuels, fabriqués à partir d’H2 et de CO2 préalablement capté, en sont encore au stade de la recherche.

Enfin, notons un regain d’intérêt, notamment en Allemagne, pour le moteur à combustion interne fonctionnant à l’hydrogène. En France, l’association CARA European Cluster for Mobility Solutions s’intéresse au moteur à Combustion Interne à Hydrogène et a mis en place un Think Tank le 15 septembre dernier aux côtés de Volvo Trucks, IFP Energies nouvelles et CETHIL pour réfléchir aux avantages et enjeux de cette technologie : réduction du CO2 sur l’ensemble du cycle de vie, indépendance énergétique, méthodes et systèmes d’essais…

La sécurité

L’amélioration de la sécurité, surtout vis-à-vis des usagers vulnérables comme les piétons et des 2 roues, est un axe d’innovation important dans le domaine des véhicules lourds. La règlementation devrait être de plus en plus exigeante à ce sujet, notamment en rendant obligatoire certains équipements d’Aide à la Conduite (ADAS). En particulier, les dispositifs permettant de réduire les risques liés aux angles morts font l’objet de nombreux développements.

• Continental commercialise depuis cet été RightViu, une technologie d’aide à la conduite qui sécurise les manœuvres des poids lourds notamment lors de l’engagement du véhicule dans les carrefours en milieu urbain. Un capteur basé sur la technologie radar et placé au niveau du rétroviseur droit détecte les obstacles et permet au chauffeur de tourner à droite en toute sécurité. Ce système peut être installé en seconde monte.
• Volta Zero, le camion de la société suédoise Volta Trucks, est doté de caméras de rétrovision, d’une caméra à 360°, d’une autre de recul, d’un assistant actif au maintien de voie (Lane assist), ainsi que d’un avertisseur d’angle mort, Blind Spot Monitoring (BSM) en anglais.
• Valeo a développé Valeo XtraVueTM Trailer, un dispositif qui permet de visualiser l’environnement se situant derrière un ensemble tracté. Le système utilise des caméras et des logiciels développés par Valeo et associe, en une seule image homogène, les flux captés par la caméra du véhicule et celle de la remorque, de sorte que le conducteur peut voir, sur un écran situé face à lui, tout ce qui se passe derrière son véhicule, comme si l’attelage était devenu transparent.
• Scania a conçu un système qui avertit le conducteur lorsqu’un objet se déplace dans l’angle mort du camion.
• Le groupe Daimler propose désormais le Sideguard Assist (une aide de détection latérale des usagers vulnérables) pour l’ensemble de ses véhicules, dont ceux déjà en circulation. Le système est composée de deux capteurs radar à courte portée installés sur le châssis, côté droit, pour éviter des accidents lorsque des piétons, cyclistes ou utilisateurs de trottinettes se trouvent dans l’angle mort.
• Le nouvel Actros de Mercedes-Benz Trucks n’a plus de rétroviseur principal ni grand angle. Ils sont remplacés par des caméras électroniques (Mirror Cam) montées à gauche et à droite du cadre de pavillon et de deux écrans quinze pouces montés à l’intérieur de la cabine.

Il existe d’autres axes d’amélioration de la sécurité des camions. Les pneumatiques par exemple sont également des éléments clés pour les véhicules lourds. Dans ce domaine, Michelin et AS 24 (réseau européen de stations-service et filiale du groupe Total) expérimentent dans trois stations-service équipées le diagnostic automatisé de l’état des pneumatiques des poids lourds. Il s’agit d’un outil scanner implanté au sol.

L’apport de Carnauto

Les innovations nécessaires pour le poids lourd de demain se trouvent dans le domaine de l’électrification (notamment hydrogène), les carburants de substitution, le véhicule autonome et l’amélioration de la sécurité. Les experts Carnauto peuvent intervenir dans tous ces domaines en soutien aux PME. En effet, l’action de Carnauto se focalise plus particulièrement sur 3 défis d’avenir :

• Les motorisations et vecteurs énergétiques
• Les matériaux et architectures
• Les TIC et la mobilité

La filière Carnauto travaille activement sur le sujet des poids lourds, on peut citer par exemple :

• Les équipes du CERTAM, membre fondateur de l’Institut Carnot ESP (Energie et Systèmes de Propulsion), ont développé de larges compétences dans le domaine de la métrologie avancée, en vue de caractériser les phénomènes physiques d’un moteur à combustion interne, en partant de la préparation du mélange air-carburant dans la chambre, jusqu’à la caractérisation de ses émissions polluantes, tant d’un point de vue nature, concentration ou encore toxicité. Ce centre R&D est équipé de 12 cellules d’essais moteurs, permettant d’accueillir différentes typologies de motorisations, dont la puissance maximale et le couple maximal peuvent respectivement atteindre 1000 kW et 4500 Nm. Cet environnement d’essais est dédié aux acteurs majeurs du domaine poids-lourd, et dispose d’un équipement de pointe en termes de métrologies. En effet, l’association de ce banc d’essais dynamique à l’expertise de l’Institut Carnot ESP, à travers le savoir-faire des équipes CERTAM, représente un outil pertinent pour la mise au point des solutions de mobilité éco-efficiente actuelles et à venir.
• L’Institut Carot ARTS a participé au projet ROAD (Refrigerated Optimized Advanced Design) qui avait pour objectif de développer une nouvelle génération de semi-remorques frigorifiques assurant la chaîne du froid avec des technologies plus performantes, permettant de réduire son impact environnemental (bruits et émissions de gaz) tout en améliorant les conditions d’exploitation (sécurité et ergonomie).
• Le CEA List déploie son expertise en matière d’intelligence artificielle et en robotique pour le développement du véhicule autonome. En 2018, les chercheurs de cet institut Carnot ont réalisé une première mondiale avec la RATP et IVECO BUS avec la démonstration du garage pleinement autonome d’un bus. Cette technologie pourra également s’appliquer au domaine des poids lourds.
• L’Institut Carnot IFPEN apporte à ses partenaires industriels des produits et services innovants et compétitifs dans les domaines de la mobilité électrifiée, connectée et à faible impact environnemental. La plateforme bancs d’organe moteur participe entre autres à la réduction des émissions des moteurs thermiques en concourant au développement et au test de catalyseurs. Elle est certifiée ISO 9001 pour ses activités de recherche et d’innovation dans les systèmes et technologies durables de l’énergie, des transports et de l’environnement et est particulièrement adaptée pour les mesures concernant les poids lourds. L’IFPEN participe également au projet LongRun « Development of efficient and environmentally friendly LONG distance poweRtrain for heavy dUty trucks aNd coaches »  qui vient d’être lancé dans le cadre du programme européen Horizon 2020. Son but est de développer un ensemble complet de chaînes de traction pour poids lourds et autocars plus respectueux de l’environnement avec des objectifs concrets à atteindre : 10 % d’économie d’énergie, 30 % de réduction des émissions de polluants (NOx, CO et autres) et un pic de rendement thermique à 50 %.

Crédits Icônes :

• Autonomous truck by Guilhem from the Noun Project
• Electric truck by Gonzalo Bravo from the Noun Project
• Fuel truck by Chanut is Industries from the Noun Project

Références :

[1] Chiffres clé du transport, édition 2020

[2] Forum International du Transport, Perspectives des transports 2019.

[3] INSEE, Statistiques et études, De fortes charges d’exploitation dans le transport routier de marchandises, 05/02/2020.