Atteindre zéro émission signifie électrifier des chantiers entiers

Image reproduite avec l'aimable autorisation de Moog Construction

Il y a un problème avec la manière dont le monde fait progresser l’électrification, en particulier dans le secteur de la construction.

Si les objectifs de l’électrification incluent une réduction drastique des émissions, une diminution de la quantité d’énergie nécessaire à la fabrication et un ralentissement de la consommation de matières premières, alors acheter des machines de construction électriques une par une et les déposer sur un chantier n’est ni productif ni efficace.

L’industrie de la construction investit de l’argent et des efforts dans la conception et le développement de solutions électriques, mais l’adoption tarde à se faire.

En revanche, selon les analystes d’Off-Highway Research, 41 320 excavatrices à moteur diesel ont été achetées en Amérique du Nord en 2022. Si les achats de véhicules électriques hors route ont augmenté du jour au lendemain, quelle solution durable pourrait être trouvée pour remplacer des dizaines de milliers de véhicules à moteur diesel qui pourraient durer des décennies ?

Selon un rapport du cabinet de conseil Roland Berger, la volonté d’électrifier les véhicules hors route découle en partie des réglementations gouvernementales visant à réduire les émissions et le bruit, ainsi que du désir d’efficacité énergétique.

« Les normes d’émission aux États-Unis, en Europe, en Chine et en Inde deviennent de plus en plus strictes. Bien que les véhicules lourds ne soient toujours pas tenus de respecter des objectifs spécifiques en matière de CO2, cela pourrait changer dès 2025… », note l’étude de Roland Berger. « Les principaux fabricants industriels, dont Komatsu, CAT, Hitachi, John Deere et Volvo, prévoient des économies de carburant de 20 à 50 % pour les véhicules tout-terrain électrifiés. »

Roland Berger prédit que les véhicules compacts et miniers ouvriront la voie à l'électrification. Des innovations existent déjà avec des machines telles que les chargeuses compactes entièrement électriques de Bobcat et les camions miniers fabriqués par Epiroc, ainsi qu'une technologie de charge pour prendre en charge ces équipements. Certains équipementiers d'équipement minier ont créé des services d'échange de batterie sur leurs énormes véhicules électriques afin d'augmenter l'autonomie et d'imiter la façon dont les propriétaires d'outils à main sans fil échangent les batteries pour continuer à travailler. Des chargeuses de 18 tonnes travaillent désormais sur des sites miniers avec une capacité de batterie utilisable allant jusqu'à 450 kWh et des batteries interchangeables. L'idée des batteries interchangeables est formidable, mais les batteries d'un véhicule minier d'un équipementier ne peuvent pas être échangées avec celles d'une machine d'un autre fabricant.

Quel que soit l’environnement, les professionnels de la construction se posent deux questions : quelle est la quantité de travail que je peux réaliser en une journée et quel est le coût de ce travail ?

Des chantiers électrifiants

Au lieu de se concentrer sur l’électrification de marques et de modèles de véhicules spécifiques en tant que projets autonomes, le monde de la construction devrait électrifier les chantiers et des flottes de véhicules entières.

Cela signifie séparer la machine de la batterie. Prenons l’exemple de la modularité, sous la forme d’un module de batterie haute tension, qui accélérerait l’adoption de l’électrification. En analysant ce qui doit se passer sur un chantier à zéro émission pour effectuer une journée de travail, les chefs de projet pourraient alors décider de la capacité de batterie dont leurs machines ont besoin. Par exemple, lorsque les travailleurs utilisent une perceuse, ils choisissent la taille de batterie adaptée au travail prévu ou s’assurent d’avoir suffisamment de batteries de rechange à disposition.

Une excavatrice ZQuip creusant sur le site d'essai de Moog Construction à West Seneca, New York, États-Unis.

Pour les machines de construction, il est essentiel de garantir une autonomie suffisante. Pour ce faire, les constructeurs et les clients ont l'impression qu'ils doivent équiper leur machine de la plus grande batterie possible (par exemple, 800 kWh) pour pouvoir travailler et avoir de l'énergie à revendre. Maximiser la taille de votre batterie ne fait que maximiser le prix de la machine.

Le défi n'est pas la maximisation mais l'optimisation. Mais même la batterie surdimensionnée d'une pelle électrique plus chère ne garantit pas de franchir un obstacle important à l'adoption : éliminer l'anxiété liée à l'autonomie et réaliser le travail quelles que soient les conditions.

Pour électrifier les chantiers et atteindre l'objectif zéro émission, le secteur de la construction doit commencer à convertir les véhicules de construction diesel-électriques existants en véhicules à batterie modulaire . Ces machines converties peuvent fonctionner avec des modules de batterie interchangeables à charge rapide qui s'adaptent à n'importe quelle marque et modèle de machine. De plus, lorsque les modules ne sont pas sur une machine, ils peuvent servir de groupes électrogènes : feux de position, chauffage ou refroidissement des remorques, etc.

La modularité en pratique

Imaginez convertir une excavatrice Caterpillar à moteur diesel en un modèle électrique tout en faisant la même chose avec une chargeuse sur pneus Komatsu et une chargeuse sur chenilles Bobcat, puis en étant capable d'utiliser le même module de batterie sur les trois machines fonctionnant sur un chantier.

L'excavatrice peut nécessiter trois ou quatre modules de batterie haute tension, la mini-chargeuse sur chenilles, un module et la chargeuse sur pneus, deux. La combinaison des modules de batterie sur chaque machine se déchargerait séquentiellement, bien qu'ils puissent être programmés par logiciel pour fournir de l'énergie en parallèle.

Cette approche permet aux clients de disposer de machines à zéro émission avec une capacité de batterie adaptée à la tâche à effectuer. Supposons que la pelle tombe en panne d'énergie. La chargeuse sur pneus peut s'arrêter à côté et connecter l'un de ses modules de batterie pour « recharger » le module de la pelle ou même prêter l'un de ses modules de batterie à l'aide d'un chariot télescopique. Avec un modèle comme celui-ci, les opérateurs de machines peuvent échanger les batteries entre les machines, effectuer une charge de machine à machine avec un câble haute tension ou charger rapidement une machine à partir d'un module autonome ou d'un système de charge rapide.

Moog a collaboré avec Bobcat sur sa chargeuse compacte sur chenilles entièrement électrique T7X, qui a été présentée au CES en 2022. (Photo : Bobcat)

Prenons l’exemple d’un chantier de construction avec six machines utilisant des modules de batterie interchangeables : deux nécessitent une capacité de batterie de 800 kWh tandis que quatre nécessitent 400 kWh chacune. L’énergie totale pour la journée équivaut à 3,2 mWh, soit vingt-trois modules de batterie de 140 kWh. En revanche, les véhicules tout électriques traditionnels que fabriquent certains constructeurs sont équipés, par exemple, d’une batterie de 800 kWh sur chacune des six machines mentionnées ci-dessus. Dans ce scénario, le propriétaire paierait 50 % de plus pour la capacité de batterie qui n’est pas utilisée. La valeur de la modularité est double. Tout d’abord, toutes les machines disposent d’une alimentation électrique à charge rapide qui est interchangeable. Ensuite, la capacité énergétique correspond au travail requis. En d’autres termes, le chantier dispose toujours de la bonne quantité d’énergie lorsque cela est nécessaire. Les propriétaires et les locataires d’équipements ne devraient pas payer pour une énergie dont ils n’ont pas besoin.

Une partie de la promesse de l’électrification réside dans l’intégration de logiciels qui contrôlent et surveillent des fonctionnalités qui ne sont pas possibles avec les machines diesel-hydrauliques traditionnelles.

Le concept d'un module de batterie interchangeable sur tous les types de machines comprendrait une couche logicielle permettant à un moteur électrique, à un contrôleur intelligent et à un kit thermique de réguler la température du module de batterie pour fonctionner efficacement dans tous les climats.

Les propriétaires d'équipements, les sociétés de location et les distributeurs pourraient ainsi être informés du type de travail effectué par leurs machines et de la quantité d'énergie consommée. Savoir à l'avance qu'un module de batterie est faible permet à un opérateur de remplacer un module en moins de temps qu'il n'en faut pour faire le plein de diesel.

Si la machine est la propriété d'une entreprise de location, le logiciel du module de batterie alerte l'entreprise pour qu'elle livre un ou plusieurs modules sur le chantier. La machine reçoit son module de batterie neuf lorsque l'opérateur peut faire une pause et changer les batteries. Cela élimine l'anxiété liée à l'autonomie et garantit que le propriétaire de l'équipement ne paie que pour la puissance de batterie dont il a besoin pour le travail sur ce chantier, pour cette journée.

Faire fonctionner la conversion diesel-électrique

La conversion des machines diesel en machines électriques à batterie à l'aide d'une approche modulaire permet de résoudre les problèmes qui ralentissent l'adoption. Voici comment cela peut fonctionner : le processus de conversion nécessite le retrait du moteur diesel, du réservoir de carburant, du contrepoids et des flexibles. Le reste du système hydraulique reste le même. En fait, avec un faisceau de modules de batterie installé ultérieurement dans l'empreinte du moteur, la conversion électrique devient simplement un moyen propre de faire tourner la pompe hydraulique de la machine. Un ou plusieurs modules de batterie servent de contrepoids. Et avec le moteur retiré, les mécaniciens trouveront beaucoup plus facile d'accéder au système hydraulique pour la réparation et l'entretien.

À chaque machine convertie, la valeur pour les propriétaires, les exploitants, les sociétés de location et les distributeurs augmente, car un module de batterie standard alimente n’importe quelle machine, partout dans le monde. Si l’industrie parvient à passer de la vente de machines électriques à l’électrification de chantiers et de flottes entières, elle parviendra à réduire son empreinte carbone de la manière la plus productive et la plus économique possible.

Chris LaFleur est directeur général de ZQuip.