Exit le Lithium, vive le Vanadium ?

23 Janvier 2015

Depuis 107 ans ( au sens propre) la voiture électrique souffre du handicap de la batterie dont la capacité ne lui permet pas de parcourir les grands espaces comme le permet un simple petit réservoir en tôle rempli d’essence ou de gasoil.

Ces dernières années on a pu croire que ce handicap allait être levé grâce à la mise au point des batteries au Lithium. Hélas il a fallu déchanter. La capacité énergétique spécifique des ces nouvelles batteries est seulement trois fois meilleure que celle de l’ancêtre au Plomb. Il faut alors embarquer un surpoids de 300 kg pour obtenir une autonomie de 150 km sur une voiture moyenne, à condition de limiter les performances sous peine de s’arrêter aux fraises avant la distance promise par le catalogue.

Et pourtant, dans la théorie, le Lithium laisse espérer des performances dix fois supérieures. La différence tient en un mot: Industrialisation.

Pour transformer une expérience de laboratoire en application pratique de terrain il faut parcourir un chemin de croix semé d’obstacles qui, tous, imposent des compromis se traduisant par des réductions des performances obtenues en labo. En l’occurrence il s’agit de respecter le cahier des charges automobile, l’un des plus sévères en ce qui concerne la fiabilité, la robustesse, la gamme de température, la sécurité des personnes, la durée de vie, tout en respectant des limites de coût de production, de poids, et des conditions de fonctionnement ne nécessitant ni personnel spécialisé ni maintenance fréquente.

Certes on peut attendre dans un futur à moyen terme des améliorations de la batterie au Lithium, dont la capacité énergétique spécifique sera augmentée. Mais le système souffrira toujours d’un inconvénient majeur: les deux fonctions Puissance et Energie sont confondues dans un même organe, ce qui interdit les combinaisons nécessaires selon les utilisations.

Dans une voiture à moteur thermique l’organe de puissance est le moteur, et la réserve d’énergie est dans un réservoir séparé. On peut alors choisir l’un et l’autre en fonction des besoins: la puissance du moteur est choisie en fonction de la gamme ( Citadine, familiale, sportive,…) et le réservoir de carburant est choisi indépendamment du moteur.

Pour augmenter l’autonomie d’une voiture électrique il faut augmenter la capacité de la batterie, dont le poids et le coût deviennent vite prohibitifs. Pour faire la même opération sur une voiture thermique il suffit d’augmenter la taille du réservoir en tôle, dont le coût est dérisoire.

Cet inconvénient n’a évidemment pas échappé aux ingénieurs, qui travaillent depuis plusieurs décennies à l’étude de systèmes électriques dans lesquels la puissance et la réserve d’énergie seraient séparées. Le premier système connu est la Pile à combustible. En tant que « phénomène de laboratoire » son principe a été découvert en 1 839 par William Grove. Utilisée sous le nom de « Grove cell » par la compagnie « American Telegraph » jusqu’en 1860, elle a donné les preuves de son utilité. La NASA l’a ensuite utilisée pour son programme spatial habité.

Son usage dans l’Automobile n’était pas envisagé compte tenu de l’abondance du pétrole et de la méconnaissance des problèmes de réchauffement climatique, le CO2 n’était pas encore l’ennemi.

La pile à Hydrogène est l’exemple le plus basique de pile à combustible. Elle réalise l’opération inverse de l’électrolyse de l’eau. De l’Hydrogène est fourni à la pile. Par un procédé électrochimique , sur lequel nous ne nous étendrons pas pour éviter de dire n’importe quoi, la liaison entre l’électron et le proton de l’atome H est dissociée; les électrons partent à l’extérieur et constituent le courant électrique, les protons traversent la pile à travers une membrane complaisante et tout ce beau monde se reconstitue de l’autre coté et donne de l’eau par réaction avec l’Oxygène de l’air, tout ceci étant horriblement schématisé. Nous l’avons déjà évoquée dans un article du 5 Avril 2014 à propos de la bicyclette électrique. Le procédé est industrialisé dans des stations fixes et sur certains véhicules de transport en commun, le problème étant le réseau de distribution de l’Hydrogène sous pression.

Certains modèles de voitures particulières sont déjà proposés en version pile à combustible: TOYOTA Mirai, autonomie de 500 km.

HONDA FCX

Etc…. Industrialisables dès 2015/2016.

La technologie est au point, reste le problème du réseau de distribution d’Hydrogène ( qui n’est pas le moindre…).

Le problème d’autonomie est alors résolu puisque le réservoir séparé permet, avec la même pile, de moduler la réserve d’énergie.

Parallèlement au développement de la pile à combustible, d’autres travaux ont conduit à la mise au point d’une autre type de générateur électrochimique: Les batteries redox à circulation ( Redox flow cell).

Ces travaux sont menés dans le cadre de la recherche de procédés de stockage de l’électricité en grands volumes, indispensables à la gestion des énergies solaires.

On sait ( On devrait savoir) que les énergies Eolienne, Solaire thermique et photovoltaïque ne sont utilisables à grande échelle qu’à la condition de disposer de systèmes de stockage de masse de l’électricité pour compenser l’intermittence des dites énergies. Faute d’un tel système le réseau ne pourrait pas supporter un taux d’énergies renouvelables supérieur à 20% environ.

( Ce « petit » contretemps est très rarement évoqué par les média volontiers laudateurs du tout renouvelable, c’est pourquoi il est bon de le rappeler).

Les seules installations de stockage de masse disponibles aujourd’hui sont les STEP ( Station de Transfert d’Energie par Pompage). Elles sont utilisées pour l’équilibrage du réseau et le soutien des demandes de pointe. En construire de nouvelles nécessite de disposer d’emplacements disponibles; la France possède 435 barrages, la plupart des sites favorables sont déjà occupés. C’est pourquoi la recherche de dispositifs de stockage de masse d’électricité est un souci majeur pour les pays qui ne disposent pas de l’espace nécessaire à l’implantation de STEP.

La batterie Redox à circulation rappelle la disposition des piles à combustible; deux compartiments séparés par une membrane sont reliés à deux électrodes. Chaque compartiment contient une solution liquide de composés constituant deux couples Redox différents. Les deux couples redox mis en jeu doivent avoir des potentiels standards suffisamment éloignés pour créer une différence de potentiel intéressante ( 1 à 2 Volt). Les électrons passent à l’extérieur par les électrodes et les charges positives passent par la membrane pour assurer l’électro neutralité. Les solutions liquides sont injectées dans leurs compartiments respectifs à l’aide de pompes. La capacité énergétique de l’ensemble ne dépend que de la taille des réservoirs qui contiennent les solutions.

Le fonctionnement est réversible et peut donc assurer la fonction de stockage-restitution.

De nombreux couples Redox ont été essayés et les solutions à base de Vanadium se sont révélées parmi les plus intéressantes. Le Vanadium présente une structure électronique qui lui confère des valences multiples: +2 , +3 , +4, +5 , et donc des états d’oxydation très variés. Il est possible d’avoir d’un coté le couple Redox V2+/V3+ et de l’autre le couple V5+/V4+, donc d’utiliser le même produit des deux cotés, ce qui présente des avantages considérables.

Les nombreux avantages de ce dispositif n’ont pas manqué d’intéresser l’automobile, par sa simplicité de mise en œuvre, le stockage du «carburant» à faible pression, la possibilité d’obtenir une grande autonomie. Bien sûr il faudra surmonter les problèmes d’industrialisation mais des démonstrateurs existent déjà.

Le prototype de véhicule présenté par NanoFlowCell AG au dernier salon de Genève est équipé d’une cellule de 600V /50 A, soit 30 KW alimentée par un réservoir de 2x200L pour une consommation annoncée de 20 KWh/100km. L’autonomie est comprise entre 400 et 600 km selon le mode de conduite.

L’institut Fraunhofer a récemment présenté un prototype de 25 KW pour un encombrement de 50x50 cm, un rendement de 80% annoncé, et un courant max de 500 Ampères, avec électrolyte au Vanadium, qui conviendrait très bien pour un prototype de véhicule.

De même que pour le Lithium il se posera le problème des ressources disponibles en Vanadium. Les principaux producteurs sont la Chine (48%), l’Afrique du Sud (21%), la Russie ( 11%), puis les USA.

Sans être le sauveur de l’automobile électrique, car il reste encore de nombreux obstacles à lever, le Vanadium peut se révéler un challenger à la hauteur du problème.

Le prochain évènement: « European Advanced & Stationnary Battery conference » 26-29 Janvier 2015, Mainz, Germany. Apportera beaucoup d’éclaircissements.

Affaire à suivre…