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Transports électriques

Le moteur thermique est condamné... et c'est une excellente nouvelle !

Toyota : concept car électrique -Tokyo 2019
Toyota : concept car électrique -Tokyo 2019

 

Le Salon de Tokyo 2019 (jusqu'au 4 novembre) vient confirmer l'avènement proche de cette révolution technologique et économique.

Les Japonais, très peu présents aujourd'hui dans le "tout électrique", arrivent en force : Toyota, Nissan, Mazda, Lexus... y présentent une kyrielle de véhicules et de concept car électriques, à 4, 3 ou deux roues.

C'est bien le signe que le fruit est mûr !

 

Comme l'écrit le journal Le Monde : " Il faut croire que, partout dans le monde, l’électrification accélérée de l’automobile constitue un horizon indépassable."

Pourquoi ?

Les raisons sont à la fois politiques et économiques.

 

Le moteur thermique, avec les émissions qui l'accompagnent, a mauvaise presse ; partout dans le monde des associations, des citoyens, se mobilisent. Les politiciens ne peuvent ignorer ce qui tend à devenir un mouvement de masse.

 

D'ici 2025, la Norvège souhaite que 100% de ses voitures soient des unités hybrides électriques ou hybrides. Les Pays-Bas prévoient d'interdire toutes les ventes de voitures à essence et à moteur diesel d'ici la même année. En 2030, l'Allemagne envisage d'interdire les moteurs à combustion interne. La France et la Grande-Bretagne visent à mettre fin à leurs ventes de voitures à essence et à moteur diesel en 2040. La Chine, actuel leader dans le domaine de la voiture électrique, avance à marche forcée.

 

 La décarbonisation est plus que jamais à l'ordre du jour pour faire face à l'urgence du changement climatique.

 

Cependant, pour que le véhicule électrique soit propre, deux conditions doivent au minimum être remplies :

 - que les réseaux électriques soient principalement alimentés par des énergies renouvelables.

Actuellement, la part de l’énergie renouvelable dans le monde est passée de 22% en 2001 à 33%. L’Europe est à 36%, la Chine à 26% et les États-Unis à 18%.

Mais la progression s'accélère, notamment grâce au solaire (voir l'article ci-dessous).

 - que les matériaux constituant les batteries soient recyclés. Les projections actuelles indiquent qu'à court terme,  le recyclage pourrait fournir jusqu'à 50% des matériaux nécessaires (actuellement moins de 10%) dans la chaîne d'approvisionnement des batteries lithium-ion, en réduisant les coûts jusqu'à 20%.

 

A partir de là, l'aspect économique intervient : très rapidement les véhicules électriques devront être moins chers et plus performants que les voitures à essence.

 

D'ores et déjà,  pour les voitures à kilométrage élevé, telles que les taxis, qui parcourent en moyenne 70 000 km / an, le coût total de possession d'un véhicule électrique (le prix d'achat, l'assurance, le carburant et l'entretien), est bien inférieur à celui d'une voiture à essence. Cela signifie que les flottes institutionnelles et commerciales vont probablement passer très vite à l'électricité, une étape majeure dans le déploiement de l'électrification.

 

Pour atteindre la parité des coûts avec les voitures à essence personnelles, qui parcourent en moyenne 12 000 à 15 000 km / an, le prix des batteries doit se situer à environ 100 USD / kWh contre une valeur actuelle de 180 USD à 200 USD / kWh. Les projections pour l’année de la parité des coûts - véhicules électriques / voitures à essence - la situent avant 2025.

 

Comment ?

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Le moteur de la VW ID.3 ! (200 CV)

La batterie, l'élément clé

Le moteur d'une voiture électrique se distingue par sa simplicité et un coût d'entretien bien inférieur à celui d'un moteur thermique.

 

C'est donc la batterie qui est au coeur des investissements en recherche/développement.

 

Le principe de la batterie nous est connu depuis le lycée : une cathode, une anode, un électrolyte, un séparateur (membrane poreuse).

 

La réaction chimique, une oxydo-réduction, permet un transfert d'électrons.

La borne négative (-)  correspond à l'anode, où se produit la réaction d'oxydation qui va fournir les électrons. La borne positive (+) correspond à la cathode où se produit la réaction de réduction qui va consommer les électrons.

Dans un accumulateur, ces rôles s'inversent selon que l'appareil débite (actif) ou se charge (passif).

 

Les cathodes et anodes d'un accumulateur sont donc alternativement positives et négatives selon leur état, charge ou décharge.

 

Dans le cas des batteries Li-ion qui alimentent aujourd'hui les moteurs électriques de voiture, ce sont les ions lithium (sels de lithium), qui circulent - au sein d'un solvant - entre les électrodes pour générer l’énergie.

La cathode, est principalement constituée d'un mélange de nickel, de manganèse et de cobalt, aux proportions variables. L'anode est en graphite.

 

Ce modèle a encore de beaux jours devant lui, mais sa technologie est actuellement en développement de façon à améliorer sensiblement la densité énergétique produite (environ 250 Wh/kg).

Partout dans le monde des équipes de recherche sont mobilisées pour obtenir des batteries Li-ion dont la densité électrique serait au moins doublée, avec une charge plus rapide, une autonomie plus longue, une durée de vie prolongée, une sécurité accrue... pour un prix inférieur !

En France le hub de l'énergie, inauguré en 2018, est le siège du Réseau sur le stockage électrochimique de l’énergie (RS2E) porté par le CNRS, qui fédère 17 laboratoires de recherche CNRS/Universités, 16 partenaires industriels et trois établissements publics (CEA, IFPEN et Ineris) spécialisés dans le transfert de technologie.

Les nouvelles batteries à électrolyte solide

Au centre d’une multitude de programmes de recherche, la technologie de batteries tout solide est l’une des pistes les plus prometteuses et les plus avancées.

 

Le système repose sur une conception entièrement solide ce qui permet de se passer de solvant, évitant ainsi les risques d’incendie en cas de surchauffe ou de court-circuit, comme on a pu l'observer sur certains véhicules (Telsa) et smartphones (Samsung). De plus les batteries Li-ion supporte mal les basses températures ; à partir de -5°C des dendrites (excroissances) se forment sur l'anode, ce qui peut provoquer des courts-circuits. Enfin au-dessus de 35°C la durée de vie est affectée.

 

 Ces nouvelles batteries promettent une autonomie comparable (800 kms) à celle des modèles à combustion interne, ainsi que des temps de charge similaires au remplissage du réservoir. 

 

John B. Goodenough, qui vient de recevoir le prix Nobel de chimie 2019, à l'âge de 97 ans (avec Stanley Whittingham et Akira Yoshino) pour sa contribution à la mise au point de la batterie lithium-ion, vient de proposer un modèle particulièrement performant.

 

Dans ce modèle, l'électrolyte se compose d'une plaque de verre qui fait office de séparation entre l'anode et la cathode. L'anode peut être constituée de différents métaux (lithium, potassium ou sodium). La capacité de charge et de décharge, donc l'autonomie, est doublée, la durée de vie est augmentée. Autre point très intéressant, le temps de recharge se compte désormais en minutes et non plus en heures.

Même la plage thermique d'utilisation de la batterie solide est plus confortable : là où l'électrolyte liquide fonctionne de façon optimale pendant 15 ans à condition de ne pas dépasser 35 °C (d'où certains systèmes de refroidissement couplés aux batteries), cette batterie peut fonctionner entre -20 °C et 100 °C sans nécessiter de refroidissement.

 

Ce modèle, qui couple des anodes au lithium métal avec des électrolytes à l'état solide, est sur le point d'aboutir chez de nombreux fabricants.

Chaque atome d’une anode au lithium métal peut stocker et libérer de l’énergie pendant le cycle de charge-décharge, alors qu'avec les anodes en graphite actuellement utilisées dans les batteries lithium-ion, seul un atome de lithium pour six carbones peut stocker ou libérer de l’énergie.

A noter que que de nombreuses équipes travaillent sur des anodes au sodium (omniprésent sur la planète, contrairement au lithium) et qu'il n'est pas exclu que des batteries au sodium performantes soient mises sur le marché d'ici une dizaine d'années.

 

Ainsi Toyota a annoncé qu'il disposerait de batteries avec des anodes en lithium et des électrolytes solides pour ses véhicules électriques d'ici le début des années 2020. Les prochaines Toyota tout électrique (6 modèles sont annoncés !) en seront dotées.

 

En Europe, au Japon et en Chine, tous les constructeurs sont sur le pont. En Chine, des startups fleurissent et les premières chaînes de production ont démarré.

 

Qing Tao Energy Development Co, une startup de l’Université technique de Tsinghua, vient de créer une nouvelle ligne de production de batteries à électrolyte solide à Kunshan, dans l’est de la Chine. Les rapports indiquent que la société a atteint une densité énergétique de plus de 400Wh/kg (à comparer aux batteries lithium-ion de nouvelle génération qui sont limitées à 250-300Wh/kg).

Sa capacité de production sera de 700 MWh en 2020.

 

L'impact sur la géoéconomie

L'électrification des transports marque un tournant dans l'économie énergétique. Depuis plus d'un siècle, le pétrole est la pierre angulaire du transport et son industrie n'a cessé de croître, parallèlement à l'industrialisation et à l'amélioration du niveau de vie. Mais le pétrole est abondant dans relativement peu de pays et ceux-ci assument une importance géoéconomique démesurée car le pétrole destiné aux transports est un besoin sociétal essentiel. 

 

L'électrification des transports signifie que le pétrole va perdre l'un de ses marchés principaux et donc son pouvoir économique et politique international.

 

Sur le plan économique la fin du tout pétrole est donc aussi une bonne nouvelle.

 

Au contraire la lumière du soleil et le vent sont disponibles partout et la production d’électricité est essentiellement une entreprise nationale.

 

Il reste le problème du stockage (voir ci-après) et encore une fois de la mise au point de batteries qui ne rendent pas les populations dépendantes de quelques pays gros producteurs.

 

Pour les véhicules électriques, actuellement, le recours au lithium (qui n'est recyclé qu'à 1% pour des problèmes de pureté) est incontournable. La figure ci-dessus montre que le minerai n'est exploité que dans très peu de pays :

- le triangle sud-américain, Argentine-Chili-Bolivie, largement dominant,

- l'Australie,

- la Chine et les Etats-Unis.

 

Voila pourquoi les chercheurs travaillent à marche forcée pour mettre au point une batterie sodium-ion à électrolyte solide.

 

 

 

Annoncée pour 2019, la Fisker EMotion (le concurrent de Tesla) ne devrait pas voir le jour avant 2021. En effet le constructeur a décidé de basculer vers la technologie de la batterie solide, grâce à une "électrode tri-dimensionnelle" capable d'offrir une capacité multipliée par 2,5 par rapport à une batterie classique lithium-ion.

L'autonomie, atteindrait les 800 km, tandis que la recharge ne demanderait qu'une minute !

Cette batterie est développée par Sakti3 , filiale à 100% de Dyson Ltd.