Énergie

Edit:19 mai 2017, Cre:01 janv. 1970

Véhicules électriques

Historique

Il a existé nombre de véhicules électriques aux USA (camionnettes essentiellement) au début du XXème siècle.

La faible autonomie et la vitesse modeste ont conduit rapidement à leur abandon au profit des véhicules à moteur à explosion.

Les batteries

Le poids et l'entretien important des batteries au plomb a peu évolué pendant près d'un siècle.

On a vu apparaitre dans les années 60 les batteries au Cadmium-Nickel, plus performantes, mais posant un problème de pollution.

Les batteries ont évolué avec l'apparition des modèles Nickel-Métal hydride (NiMh) puis Lithium-Ion (Li-Ion) dans les années 90.

La demande importante de batteries pour les ordinateurs portables puis les téléphones mobiles a créé une industrie et favorisé le développement de ces batteries.
Le Lithium est un métal très léger qui n'est pas toxique ni polluant mais qui brûle très bien.

Bien que nettement plus performantes (environ 4 fois plus que les batteries au plomb à poids égal), les batteries Lithium-Ion ont longtemps posé des problèmes de défaillances subites, bien avant la fin normale de vie. Par ailleurs, ces batteries ne supportent pas la température qui les fait vieillir prématurément. Leur prix est aussi relativement élevé.

Dans le cadre d'utilisation à haute puissance on doit gérer la température des batteries à l'aide de système de refroidissement ou d'une climatisation.
Les progrès sur ces batteries permettent désormais leur utilisation pour des véhicules électriques, avec une autonomie répondant à 80 ou 90% des besoins (200 à 300 km). Par ailleurs, il est possible de les recharger beaucoup plus vite que les autres batteries, ce qui permettrait un 'dépannage' aisé d'un véhicule en fin d'autonomie.

Les supercondensateurs

Il existe aussi une nouvelle technologie, les 'supercondensateurs', offrant un moyen de stockage de l'électricité moindre que les batteries, mais pouvant être remplis ou vidés très rapidement avec un très bon rendement. Ceci permet de récupérer l'énergie de freinage et d'amortir les à-coups sur les batteries, améliorant du même coup leur capacité et leur durée de vie. Dans le cadre d'un usage urbain ou les pertes de roulement et les pertes aérodynamiques sont faibles, récupérer l'énergie de freinage permet d'améliorer l'autonomie de manière considérable.

Moteurs

Les moteurs électriques et l'électronique associée ont fait de grands progrès en terme de poids, de rendement et de fiabilité (moteurs sans balais 'brushless' à aimants permanents). Il existe des moteurs pouvant développer une puissance de pointe de 100kW et une puissance continue de 40kW qui pèsent moins de 30 kg chez UQM, sans nécessiter de boite de vitesse. On trouve aussi des moteurs-roues, dont la compacité est exceptionnelle puisqu'ils sont logés dans le corps de la roue, chez TM4. Les aimants permanents performants reposent cependant sur l'usage de métaux dits 'terres rares' actuellement uniquement produits en Chine, ce qui pose des questions de dépendance industrielle.

Faisabilité actuelle

L'évolution des batteries et des autres composants permet désormais la construction de voitures ou de camions électriques utilisables quotidiennement à grande échelle.

Oui mais:

  • Une voiture électrique est fondamentalement différente d'une voiture à moteur à explosion et elle doit être conçue spécifiquement.
    Les propositions actuelles sont pour la plupart basées sur des véhicules ordinaires modifiés, ce qui est loin d'être optimal, mais permet de disposer de pièces à faible cout et de faciliter l'entretien.
  • Un des problèmes majeur est le chauffage ou le refroidissement, qui consomme une bonne part de l'énergie disponible, réduisant d'autant l'autonomie. La solution est d'utiliser une 'pompe à chaleur' (un climatiseur air/air réversible), ce qui réduit la consommation énergétique de chauffage par un facteur 3 à 4. La chaleur étant disponible 'gratuitement' avec un moteur à explosion, on ne s'est jamais préoccupé des pertes thermiques qui sont considérables sur les véhicules actuels. Une reconception est nécessaire, comportant une isolation thermique correcte, des doubles vitrages et un emplacement ad-hoc pour la pompe à chaleur. La voiture étant branchée à l'arrêt, préchauffer l'habitacle avant le départ permettrait quelques économies de batterie.
  • Le faible volume des moteurs électriques permettrait de récupérer une partie de la place à l'avant, pour les batteries par exemple, mais le compartiment 'moteur' doit être redessiné à cet effet. Rien n'oblige une voiture électrique à être surélevée comme les prototypes que l'on voit actuellement.
  • La chaleur générée par le moteur devenant très faible et l'absence de pot d'échappement permettrait d'avoir des 'dessous' nettement plus propres et d'améliorer l'aérodynamique.
  • Même s'il y a peu d'entretien sur une voiture électrique, il faut quand même créer un réseau de distribution et d'entretien, et c'est un problème majeur (voir sur le site de Cleanova leur commentaires à ce sujet).
  • Tant qu'il n'existe pas de marché suffisant, les véhicules ne sont pas optimisés, ni techniquement ni en termes de coût. Il faut d'abord créer un marché suffisant. Une politique d'état volontariste permettrait d'accélérer le processus resté un peu bloqué actuellement. Avec un problème important au bout de la ligne, c'est celui de la fiscalité des carburants fossiles, qui rapporte énormément à l'état. Ceci étant, nous sommes actuellement très loin d'un envahissement du marché par les voitures électriques.
  • Il existe actuellement des limitations quand au nombre de véhicules avec des batteries Lithium pouvant être garés simultanément dans un parking, à cause des risques d'incendie. Ceci est probablement le problème le plus délicat à gérer pour les véhicules électriques.

Le futur proche

Qu'est-ce qui existe ou est en préparation ?

  • La Chevrolet volt, première voiture hybride à batterie rechargeable, en vente aux USA depuis décembre 2010.
  • Des 'kits' ISE de modification de bus/camion basées sur des batteries 'Sodium-Soufre' (moins performantes mais plus robustes que les batteries Lithium-Ion) et avec un système de récupération d'énergie de freinage par 'supercondensateurs'. Le système de freinage à supercondensateur et une partie de l'électronique sont monté sur le toit, ce qui est facile, mais très inesthétique. Site en anglais. Ils s'agit de véhicules hybrides ou tout électriques.
  • Un scooter Vectrix avec un moteur de 20kW(27 CV) et une batterie Ni-Mh de 3.7kWh, récupérant l'énergie de freinage avec des supercondensateurs par une poignée tournante 'à l'envers'. Performant, mais cher (78540 Euros).
  • Un roadster Tesla hautes performances à batteries Lithium-Ion et moteur de 187kW(254 CV), autonomie 400 km: Pour frimeurs argentés: 92 000 US$ (pour remplacer la Porsche...). Site en anglais.
  • Les vélos à assistance électrique (VAE), dont la technologie est devenue mature pour autant qu'on accepte d'en payer le vrai prix (1700-3000 Euros), permettraient de couvrir plus de 50% des besoins de déplacements actuels. Leur faible poids et les limites règlementaires offrent une autonomie raisonnable (~50 km) pour une capacité de batterie de 300Wh. Cette capacité est 80 à 100 fois inférieure à celle requise pour une voiture électrique, ce qui permettra un déploiement relativement rapide à grande échelle. Le coût d'exploitation en électricité est marginal (< 10 euros par an). On estime à 120 millions le nombre de vélos électriques circulant en Chine (production ~20 millions/an) et à un million par an le nombre de VAE vendus en Europe. Malheureusement ces vélos n'ont pas eu de succès en France du fait de la mauvaise qualité des produits fournis, au contraire de ce qui se passe en Allemagne ou en Europe du nord (lien en anglais).

Comparaison batteries

Quelques chiffres (équipements en modules):

Supercondensateurs 7 Wh/kg Et en labo 85 Wh/kg... Maxwell BoostCap
Des milliers de Farad...
Plomb-Acide 25 Wh/kg 140 ans d'expérience
Attention aux décharges profondes.
Ni-Cd 55 Wh/kg Polluant
Ni-Mh 60 Wh/kg Importante autodécharge Cobasys
Batteries industrielles refroidies par air.
Li-ion 200 Wh/kg Attention au refroidissement. Au format industriel: Saft
Li-ion-nanophosphates 164 Wh/kg Beaucoup plus robustes que les Li-Ion classiques. A123 Film
Valence
Sodium-Soufre 115 Wh/kg Doivent être maintenues chaudes (300°C).
Pour des véhicules de flotte
Zebra
Lithium-Soufre 300 Wh/kg++ En début d'industrialisation Les batteries Licerion. SION power Polyplus
Lithium-sulphide 200 Wh/kg++ OXIS Energy

Les batteries Lithium-Ion aux nanophosphates A123 sont produites à grande échelle depuis Juin 2006 pour les outils portatifs Dewalt et c'est la ruée aux USA. Leur énergie massique n'est pas meilleure que ce qui existe (100 Wh/Kg), mais elles sont beaucoup moins chères, plus robustes et elles brulent nettement moins aisément. Elles peuvent être rechargées à 80% en environ 5 minutes du fait de leur faible résistance interne (ce qui facilite aussi la récupération d'énergie de freinage). Sur Internet, on se les arrache et il y a beaucoup d'agitation chez les modélistes. On peut trouver les packs Dewalt au royaume-uni. Un article en anglais sur leur usage dans les véhicules électriques.
D'autres sociétés ont en préparation des batteries similaires Valence (déjà cité), AltairNano et 3M.

Une solution non encore démontrée, qui serait la solution ultime: des supercondensateurs ayant une capacité égale ou supérieure à celle d'une batterie: Durée de vie en centaines de milliers de cycle, ça ne chauffe pas, la récupération d'énergie se fait avec un excellent rendement et il n'y a absolument aucun entretien. Sous réserve de démonstration effective...
Les supercondensateurs EEstor. La solution EEstor est celle d'un diélectrique supportant une très haute tension pour améliorer la capacité (3600V, à titre de comparaison les Maxwell ont 3.6V de tension nominale). Une autre voie est l'augmentation de la surface par des nanotubes. Tout celà reste du domaine de la recherche mais est extrêmement prometteur.
Toshiba developpe des batteries Lithium-Ion qui pourraient être rechargées à 80% en 1 minute.

Bilan

On voit donc qu'après des années d'attente et de sérieux freinages, on arrive enfin à quelque chose de tout à fait utilisable. La très grande majorité des déplacements quotidiens se fait sur courte ou très courte distance, la nécessité d'une importante autonomie ne se fait sentir que pour 10 à 15% des déplacements. La question est donc de savoir s'il faut disposer de véhicules différents suivant les usages ou s'il faut ajouter le poids permanent d'un générateur (véhicule hybride) qui sera peu utilisé.

Malgré leur faible capacité par rapport à des batteries, les supercondensateurs sont utilisables par un bus ou un tramway pour aller d'un arrêt au suivant. Ceci devrait grandement simplifier la distribution électrique, proposant en quelque sorte des trolleybus sans trolley, se chargeant à chaque arrêt. L'arrêt est lui même basé sur des supercondensateurs, réinjectant en un temps bref le courant collecté en continu sur le réseau. Une flotte est en développement en Chine.

Aux état-unis, on parle beaucoup de piles à combustibles à hydrogène, générant de l'électricité pour un véhicule 'hybride'. Cette solution est complexe et nécessite la mise en place d'une infrastructure de distribution d'hydrogène, chère et compliquée. Un véhicule purement électrique à seulement besoin de prises de courant... Actuellement, les véhicules électriques les plus performants ont plus d'autonomie et sont considérablement plus simples que les véhicules à pile à combustible. Les promesses des nouvelles batteries telles que les Lithium-Soufre (qui existent uniquement en petits modules actuellement) pourraient tout simplement balayer toutes les autres techniques.

Compromis techniques

Même si le roadster Tesla est un véhicule particulier qui n'est pas destiné à tout le monde, on trouve sur leur site un blog qui explique en détails les compromis techniques nécessaires à la réalisation d'une voiture électrique. Cependant, leur système de batteries (Lithium-Ion) très complexe pourrait être grandement simplifié et sensiblement moins cher avec des batteries A123 qui chauffent peu et ont un comportement intrinsèquement plus sûr. Le chauffage direct au lieu d'une pompe à chaleur est aussi une option technique discutable.

(c) Pierre ROUZEAU
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Page mise à jour le 19/05/2017 21:50