Le remplacement de la batterie nécessite moins de batteries que vous ne le pensez.

Moteur principal Janus Electric utilisé par OZ Minerals. Photo fournie par Qube.

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Lorsque j’ai écrit il y a quelque temps un article sur Janus Electric, une entreprise australienne de camions électriques spécialisée dans les conversions semi-électriques à moteur diesel et le système de changement de batteries, je l’ai mis de côté dans mon esprit, jusqu’à ce que je tombe sur une interview du PDG de Janus, Ben Hutt. L’intervieweur a demandé quel était l’augmentation supplémentaire des coûts liés aux batteries pour faire fonctionner les camions en tant que flotte en mode de changement de batteries. Il a répondu qu’il s’agissait d’environ 30 %. Janus devrait le savoir, puisqu’ils mettent en place ou gèrent des corridors de transport pour camions lourds. Il s’avère que j’avais déjà effectué des calculs il y a longtemps montrant comment ce procédé ingénieux fonctionne.

D’abord, lorsque j’ai étudié les opérations d’échange de camions, j’ai utilisé le concept de transaction de recharge unitaire, l’élément le plus fondamental pour recharger les batteries. Avec le temps, j’ai dessiné des illustrations de ces transactions unitaires afin de montrer leur fonctionnement ainsi que la manière dont ces cellules s’agrandissent. Si une image vaut mille mots, c’est aussi un excellent moyen de comprendre le fonctionnement d’un système et de représenter mathématiquement les processus. Lorsque j’ai découvert la citation du PDG de Janus, je me suis immédiatement souvenu d’un concept que j’avais abordé dans un petit article intitulé « Planification des stations et chargeurs pour véhicules électriques ». Illustrons cela en comparant la transaction unitaire la plus simple et sa manière d’évoluer. Il s’agit d’une analyse sans attente, où chaque étape d’expansion s’effectue par superposition de méthodes. Faisons-le à l’aide d’images. Voici à quoi ressemble une transaction unitaire :

Afin de permettre aux transactions unitaires de couvrir des distances plus longues, nous pouvons recourir à ce que j’appelle le regroupement en chaîne. En faisant partir chaque camion à intervalles réguliers, toutes les camions sont disposées de telle manière qu’il y ait toujours une camion en route entre les stations. J’appelle cela le regroupement en chaîne parce que la configuration ressemble à une chaîne : il n’y a qu’une camion entre les stations de remplacement équipées de batteries mobiles, ainsi qu’une batterie en cours de charge lente dans la station. Nous pouvons illustrer ce principe en reliant les transactions unitaires entre elles — voir la Figure 2.

Remarquez que ce concept fonctionne dans les deux sens. Nous pouvons inverser l’image, montrant des camions qui se déplacent dans la direction opposée. Il est facile de comprendre comment nous pouvons créer un système de stations reliant deux points extrêmes à n’importe quelle distance arbitraire. Le rapport entre les batteries, les camions et les stations est identique à celui d’une transaction unitaire. On pourrait appeler cela un cycle en chaîne. Cela a du sens, car les camions se déplacent toujours de l’endroit de prise en charge vers la destination, puis pour y déposer le chargement, avant de revenir. Voyez à quel point il est simple de déterminer l’échelle sur la Figure 3 ?

Si les départs des véhicules sont planifiés par étapes, nous ne pouvons avoir qu’un seul camion en route, avec une batterie de remplacement à chaque station. De cette manière, nous pouvons organiser les départs de façon à ce qu’un camion soit toujours en route vers la station suivante, et il y ait toujours une batterie mobile et une batterie de remplacement pour chaque camion. L’extension de ce système est simple.

Ensuite, nous pouvons utiliser la méthode du remplissage des itinéraires. Au lieu d’un seul camion entre les stations, nous choisissons un nombre différent pour ceux en route. Si nous choisissons trois, il y aura toujours trois camions équipés de batteries mobiles et une batterie de remplacement. Pendant l’intervalle entre les camions en route, le pack batterie peut se recharger, puis le camion reçoit un nouveau pack et laisse un autre en cours de charge. Cela réduit le nombre de batteries utilisées ainsi que la demande maximale d’énergie. C’est ici que l’on voit comment Janus peut disposer d’un surcoût de batterie de seulement 33 % pour les remplacements, avec trois camions en route comme illustré dans la figure 4.

Cet article montre comment les livraisons par camion peuvent s’intensifier par vagues, avec plus d’un camion envoyé en même temps. Le volume de fret transporté par les flottes peut ainsi augmenter de manière programmée. L’effet de plusieurs départs simultanés est illustré à la Figure 5.

Les batteries peuvent être remplacées en 4 minutes, et les arrivées s’adapteront en conséquence. En réalité, par exemple, pour un groupe de quatre camions, tous seront pris en charge en 16 minutes, et tout remplacement ultérieur ne nécessitera pas d’attente car les arrivées se succéderont tous les 4 minutes. L’intervalle de temps entre ces vagues de camions peut être supérieur au temps nécessaire pour remplacer plusieurs batteries.

La taille des batteries mobiles peut être réduite afin d’augmenter leur capacité de charge. Le fonctionnement est illustré dans la figure. Des stations espacées d’une distance égale à la moitié de la taille initiale réduisent celle de la batterie de moitié. La quantité totale de batterie du système reste identique, mais la taille de la batterie mobile est divisée par deux, ce qui augmente la capacité de charge du camion, comme le montre la figure 6.

Finalement, les concepts de transaction par unité permettent d’afficher et de comparer facilement la demande maximale en puissance et les besoins énergétiques des systèmes. L’analyse graphique montre comment fonctionne le système de remplacement de batteries, comment il s’adapte en fonction des besoins, ainsi que la manière de minimiser la demande maximale en puissance du réseau et les coûts liés aux batteries des stations de remplacement, de manière flexible et prévisible.

Conclusion

Les illustrations des unités de transaction constituent un moyen utile pour visualiser les besoins en rechargement des batteries des véhicules électriques. Les camions peuvent fonctionner avec un coût d’infrastructure de remplacement des batteries équivalent à un tiers seulement du nombre total de batteries qu’ils possèdent. Des illustrations graphiques montrent facilement comment les opérations du système de transport peuvent réduire au minimum la demande maximale d’énergie sur le réseau, les besoins en batteries et les coûts de capital du système, grâce à des concepts tels que l’organisation progressive des départs, le remplissage optimal des itinéraires et plusieurs départs simultanés. Ces illustrations facilitent la planification des opérations initiales et de l’expansion, ainsi que l’analyse des coûts de capital et d’exploitation. Dans les systèmes de transport électriques, il est avantageux d’organiser et de coordonner les livraisons en une chaîne continue, adaptée aux corridors de transport entre les ports et les grands entrepôts, les mines ainsi que d’autres destinations concentrées. Il n’est pas nécessaire d’avoir une batterie de remplacement pour chaque camion. En utilisant le remplissage optimal des itinéraires, l’infrastructure batterie du système…

Les besoins en énergie peuvent être réduits à une fraction des exigences liées aux batteries mobiles. D’autres exemples montrent comment d’autres stratégies répondent aux besoins de transport entre entrepôts et centres de vente, ainsi comment la granularité du système s’adapte aux besoins de livraison locaux à chaque niveau et pour chaque distance de trajet. Il existe encore d’autres concepts à explorer pour le fonctionnement des stations distantes.