La transmission de puissance des engins mobiles connaît une transformation rapide, sous l'effet des pressions réglementaires, de la demande de technologies respectueuses de l'environnement et de la nécessité de réduire les coûts d'exploitation. Cet article explore les tendances actuelles, le rôle de l'hydraulique et les différents niveaux de machines électriques qui façonnent l'avenir du secteur.

Lors de la récente réunion des distributeurs Danfoss, Chad Larish, ingénieur principal chez Danfoss Power Solutions, a présenté un aperçu pertinent de la situation actuelle des technologies hors route et de leur évolution en matière d'électrification.

Tendances actuelles du marché

L'essor mondial des engins mobiles électrifiés s'accélère, stimulé par des réglementations strictes en matière d'émissions et une importance croissante accordée au développement durable. Les zones zéro émission en Europe et dans certaines villes américaines incitent les fabricants d'équipements d'origine à innover et à développer des machines électrifiées. De plus, des considérations telles que le coût total de possession, notamment les économies de maintenance et de carburant, suscitent un intérêt croissant pour les alternatives électriques pour diverses applications, des chantiers de construction aux opérations d'entrepôt.

Applications à l'origine de l'électrification : selon Chad Larish, les sites d'exploitation confinés et les zones urbaines deviennent des marchés clés pour la transition du diesel à l'électrique. Les nacelles élévatrices en sont un parfait exemple, l'électrification gagnant rapidement du terrain. « Il y a quelques années, en Chine, seulement 30 % environ des nacelles élévatrices étaient électriques, mais ce chiffre dépasse aujourd'hui 70 % », explique Larish. Il est intéressant de noter que cette évolution n'est pas motivée par la réglementation, mais par des avantages pratiques : la disponibilité généralisée de l'électricité sur les chantiers de construction, les économies de carburant, la réduction des coûts de maintenance et des autonomies de deux jours.

Les machines compactes et peu sollicitées, en particulier celles dont la durée de fonctionnement est courte, sont bien adaptées à l'électrification. La réduction de la taille ou la suppression des moteurs facilite la transition pour les équipements conçus pour des autonomies plus courtes, comme ceux qui peuvent être rechargés via les infrastructures urbaines. L'électrification des machines et équipements utilitaires de taille moyenne fonctionnant dans des environnements confinés, tels que les chantiers ou les aéroports, où les besoins de mobilité sont relativement limités, suscite également un intérêt croissant.

Cependant, des défis subsistent. Les limitations actuelles des infrastructures de recharge font que les machines électriques n'atteignent souvent qu'environ trois heures d'autonomie, contre quatre à six heures prévues. La solution simple consistant à ajouter des batteries supplémentaires s'avère peu pratique en raison de l'augmentation du poids et des coûts, ce qui rend indispensable la résolution des problèmes d'efficacité hydraulique.

Phases d'électrification

1. Phase 1 : Moteur électrique

La première étape vers l'électrification consiste à remplacer les moteurs diesel par des moteurs électriques à batterie, sans autre modification significative du système. Les batteries alimentent les moteurs électriques, marquant ainsi la première incursion dans l'électrification. Cette phase est axée sur les fonctionnalités et l'apprentissage des tenants et aboutissants de l'intégration des batteries. « De nombreux clients explorent l'électrification avec prudence, apportant des modifications minimales au fur et à mesure qu'ils se familiarisent avec la technologie des batteries et les normes de tension », explique Larish. Pourtant, le défi demeure : ces machines ont souvent une autonomie limitée, ce qui suscite de nouvelles innovations en matière d'efficacité.

2. Optimisation de l'hydraulique

Avec l'adoption des machines à batterie, les inefficacités des systèmes hydrauliques deviennent plus visibles, nécessitant une optimisation pour améliorer l'efficacité et l'autonomie des machines. Les progrès des technologies hydrauliques visent à minimiser les pertes d'énergie, grâce à des innovations telles que des pompes plus performantes et des systèmes intelligents de gestion des débits. Cette phase adopte une approche globale visant à maximiser les bénéfices de la puissance électrique tout en maintenant l'efficacité hydraulique là où c'est nécessaire.

Selon Larish, il n'existe pas de solution universelle pour accroître l'efficacité hydraulique. Selon les besoins de la machine, vous pouvez conserver la pompe existante, qu'il s'agisse d'une pompe à vitesse fixe ou à cylindrée variable, ou envisager des pompes à vitesse variable et à cylindrée fixe. Quel que soit le type choisi, l'objectif est d'obtenir un débit optimal, ce qui nécessite une meilleure coordination entre le moteur électrique, la pompe, la vanne et la demande. Cette intégration exige des systèmes machines plus intelligents que les configurations traditionnelles.

Les pompes à cylindrée fixe, qui ne permettent pas de variations de cylindrée, dépendent de la vitesse pour le débit. Leur efficacité est optimale à des débits élevés, avec des pressions ou des couples plus faibles. Cependant, lorsque le couple augmente et que la vitesse diminue, le rendement a tendance à baisser. De plus, dans les machines dynamiques à débits variables, les variations constantes de vitesse peuvent générer un bruit indésirable pour les opérateurs.

Les pompes à cylindrée variable offrent une plus grande flexibilité. En ajustant l'angle du plateau oscillant, la cylindrée peut être réduite et la vitesse optimisée pour un meilleur rendement. Une autre technologie favorisant l'optimisation hydraulique est le contrôle de marge variable. Ce contrôle permet d'améliorer le rendement hydraulique en adaptant la marge du circuit aux besoins précis. Un test réalisé par Danfoss dans une application forestière en Finlande a montré une économie de carburant de 10 % grâce à cette approche.

La technologie de pompe volumétrique numérique de Danfoss est un exemple marquant d'optimisation du rendement hydraulique, notamment lorsqu'elle est associée à son système Editron. Les pompes volumétriques numériques utilisent des électrovannes pour contrôler chaque cylindre tour par tour, offrant des temps de réponse plus rapides et réduisant les pertes d'énergie jusqu'à 90 % par rapport aux pompes conventionnelles.

3. Énergie récupérable

Dans cette phase, l'accent est mis sur la capture et le stockage de l'énergie pendant le fonctionnement des machines. Des technologies comme le freinage régénératif, qui capte l'énergie provenant de l'abaissement des flèches ou des freinages, sont intégrées aux machines afin d'améliorer encore le rendement et de réduire la consommation énergétique globale.

Si la récupération d'énergie dans la batterie est un objectif idéal pour de nombreuses machines, la complexité et le coût du système doivent être justifiés par les économies d'énergie réalisées. De plus, toute modification de l'architecture de récupération ne doit pas compromettre les performances, la fonctionnalité ou la sécurité existantes.

La régénération consiste à réaffecter l'huile hydraulique d'un vérin sous pression à une autre partie du circuit pour le remplir. Cela permet à la fonction de s'abaisser par gravité, éliminant ainsi le besoin de pompe. Les machines à fonction unique, comme les machines de levage, sont plus susceptibles de bénéficier des technologies de récupération.

4. Actionneurs électromécaniques

Les machines qui éliminent totalement les systèmes hydrauliques traditionnels adoptent des actionneurs électromécaniques (EMA). Bien que prometteurs pour des applications spécifiques, comme les environnements urbains ou les environnements industriels contrôlés avec un accès facile aux infrastructures de recharge, ces systèmes présentent des défis liés au coût, à la complexité et à la robustesse par rapport aux systèmes hydrauliques.

"Plusieurs plateformes prototypes utilisent des EMA, mais chacune présente ses propres défis. Leur efficacité en matière de récupération d'énergie est moindre et leur résistance aux chocs est inférieure à celle des systèmes hydrauliques", explique M. Larish. "Les conceptions entièrement électriques ont des exigences supplémentaires."

Les actionneurs électrohydrauliques (EHA), qui utilisent une configuration hydrostatique, sont plus courants dans les applications hydrauliques industrielles. En revanche, les actionneurs électromécaniques incluent des conceptions telles que les vis à billes, les vis à rouleaux, les crémaillères et les courroies plates. Ces actionneurs offrent des rendements compris entre 60 % et 85 %, contre 40 % pour les systèmes hydrauliques. Cependant, ces actionneurs peuvent être encombrants et nécessitent une protection supplémentaire car ils ne sont pas aussi résistants aux chocs et aux vibrations que les systèmes hydrauliques. De plus, leur coût a tendance à augmenter, ce qui augmente le prix du produit final.

Défis et considérations

• Rendement : Bien que les moteurs électriques soient très efficaces (85 à 95 %), l’optimisation du système global reste un défi, notamment pour les sous-systèmes hydrauliques où des pertes d’énergie peuvent se produire au niveau des pompes, des vannes de régulation et de la régulation de débit.

• Coût et encombrement : La technologie des batteries reste coûteuse, et de nombreux clients hésitent à investir dans des machines dont le coût peut être plus du double de celui des modèles diesel. L’ajout de batteries supplémentaires pose également des problèmes d’encombrement, notamment pour les équipements compacts où chaque kilo compte.

• Solutions spécifiques à l’application : La voie vers l’électrification complète varie selon l’application. Si les équipements compacts et les nacelles élévatrices sont des candidats idéaux pour l’électrification, les machines plus imposantes, comme les pelles de 25 tonnes ou les machines utilisées dans les zones reculées, rencontrent des obstacles, notamment en termes d’infrastructure de recharge et de forte demande en énergie.

Orientations et innovations futures

L'industrie explore des solutions hybrides combinant énergie électrique et énergie traditionnelle, offrant un équilibre entre efficacité, performance et rentabilité. Les innovations en matière de technologie d'échange de batteries et d'architectures hybrides devraient répondre aux besoins variés de diverses applications tout en repoussant les limites de l'électrification mobile.

Si l'électrification mobile représente l'avenir de machines plus propres et plus performantes, la transition vers des flottes électriques plus mobiles est complexe. De l'optimisation des systèmes hydrauliques existants à l'exploration de solutions électromécaniques avancées, les équipementiers comme les clients évoluent dans un paysage d'innovations technologiques et de conformité réglementaire.