Le blog de doc zaius

16 Mars 2016

S’il fallait qualifier le monde moderne dans les aspects qui le démarquent définitivement des temps anciens, le mot « communication » serait à coup sûr le plus approprié.
D’abord statique, de contenu limité et monodirectionnelle pour les média, elle a acquis une dimension universelle et interactive grâce d’une part aux technologies numériques, et d’autre part aux progrès des moyens de transmission de l’information par les ondes électromagnétiques, la fibre optique, les ultrasons, ou tout autre support comme les courants porteurs ou les satellites, la consécration étant apportée par l'Internet.
Cette conquête a permis de réunir les sociétés et les être humains, pour le meilleur et pour le pire. Aujourd’hui ce progrès s’étend aux objets eux-mêmes qui, d’inertes, deviennent « connectés » et vont acquérir non pas une indépendance, mais une possibilité de comportement plus souple et pourront être intégrés dans un ensemble fonctionnel concerté pour plus d’efficacité.
Un tel progrès apporte des bouleversements qui ne sont pas acceptés spontanément, car il est plus facile de changer la technologie que de faire évoluer les mentalités.
Plus une technologie est compliquée, moins elle est compréhensible. Elle peut être alors perçue comme « magique ».
Dans ce cas deux attitudes sont possibles:
- Soit l’acceptation sans réserve obtenue par la séduction et l’effet de mode. La publicité sait comment utiliser ces comportements.
- Soit le rejet de principe de toute nouveauté qui, faute d’être comprise (souvent mal comprise), est suspectée de contenir des menaces cachées.
Une nouvelle technologie peut également ne pas être perçue comme magique, mais susciter quand même des réserves pour plusieurs raisons:
- Soit la crainte d’avoir à assimiler une technique nouvelle génératrice de complications inutiles pour un bénéfice non évident.
- Soit la crainte d’avoir à subir une atteinte à la liberté et/ou une violation de l’intimité.
- Soit la crainte d’avoir à subir des nuisances nouvelles qui accompagneraient la mise en œuvre de cette nouvelle technologie.
- Soit encore une méfiance envers une possible augmentation de coût pour un service dont l’intérêt n’est pas bien perçu.
Il y a donc de nombreuses raisons de refus d’adhésion à toute innovation technologique.
Ces raisons ne sont pas toutes à rejeter.
L’Histoire nous a appris que tout nouvel outil possède deux utilisations: Il peut servir à faire le bien ou le mal.
Une arme peut servir à défendre le faible, ou à l’asservir.
Il en va de même évidemment pour tout progrès technologique.
Le laser, qui nous permet de lire les DVD, et qui a tant d’applications industrielles, peut être utiliser pour détruire à distance.
Internet, dont les apports sont immenses, est également générateur d'escroqueries et de fanatisme.
Les satellites, dont l’utilité n’est plus à démontrer, peuvent également permettre de tuer à distance.
Même le courant électrique domestique, sans lequel notre civilisation s’effondrerait, devient nocif dans certaines conditions et pour certaines personnes ( Rayonnement des lignes THT, ou des transformateurs moyenne tension, effet des champs magnétiques intenses).
Le GPS, dont certains ne peuvent plus se passer, permet aussi le traçage des individus.
Il est impossible de citer une seule innovation technologique qui échappe à la règle.
Il appartient à l’espèce humaine de savoir faire la balance entre les effets bénéfiques et les effets nocifs.
Cette nécessité de gérer le mal qui accompagne le bien a débuté avec l'invention de la massue, qui permet de chasser, mais aussi de tuer son ennemi désigné.
La médecine est depuis toujours confrontée à la nécessité du choix. Un médicament est à la fois utile pour une maladie, mais possède des effets secondaires qui peuvent être nocifs. L’AMM n'est délivrée qu'après un inventaire bénéfice/risques.
Le tri entre le bon et le mauvais usage n’est pas spontané pour certains. C’est pourquoi la société s’efforce de le prendre en compte à travers des organismes si possibles impartiaux.
Pour les problèmes de communication il existe la CNIL .
Le compteur communicant, nouvelle espèce technologique, fait appel à des moyens qui n’échappent pas à la « malédiction » du bien et du mal.
Oui, il apporte du progrès, il est même la clé de la gestion de l’énergie électrique renouvelable. A ce titre il pourra difficilement être contourné.
Mais Oui, il apporte également des risques liés à une « intrusion » supplémentaire dans la vie des individus, avec les possibilités de nuisances habituelles apportées par les applications communicantes (Téléphone portable, GPS, Internet, RFID, commerce dématérialisé, clés numériques, etc, etc…).
Le déploiement du compteur communicant, Linky en France, est actuellement l’objet d’une polémique, surprenante au premier abord, eu égard à la relative indifférence qui a accompagné dans le passé le déploiement d’autres technologies similaires.
On peut citer par exemple le téléphone cellulaire, le GPS, le réseau internet, la domotique, les réseaux sociaux, Facebook, le paiement par carte bleue, le four à micro-ondes, le paiement sans contact, les achats sur le Net, la cuisinière à induction, le multiplexage automobile, la banque en ligne, le télé relevé des compteurs, la WiFi, etc, etc…
Toutes ces technologies utilisent largement le numérique, les échanges d’informations cryptées ou non, les ondes électromagnétiques de fréquences et de puissances variées, les courants porteurs, et certaines sont basées sur les échanges librement consentis de données personnelles et autorisent même le « traçage » des individus sans que cela soulève le moindre problème.
Aucune d’entre elles n’a jamais donné lieu à un mouvement populaire massif de refus et d’interdiction, si l’on excepte bien sûr les opposants professionnels.
A part une faible cohorte de misonéistes, toutes ces technologies ont été plébiscitées par les sociétés qui en sont même devenues esclaves consentantes.
(L’annonce officielle des dangers du téléphone portable utilisé collé à l’oreille pendant des heures, n’a pas été suivie d’une mise au rebut massive des smart phones, même pour les enfants).
La raison en est simple: les usagers en ont immédiatement perçu l’intérêt et l’utilité pour eux-mêmes, et les ont adoptées, faisant passer au second plan les inconvénients pourtant bien réels pour certains .
Aucune association n’a jamais exigé l’interdiction de l’automobile, pourtant source de plusieurs centaines de milliers de morts et de dix fois plus d’infirmes depuis son introduction.
Mais alors, pourquoi cette mobilisation contre le compteur communicant, qui utilise une technologie de communication éprouvée, déjà largement utilisée depuis des années ?
C’est simple à comprendre:
Autant l’usager est prêt à faire la queue toute la nuit pour acquérir le dernier Smart Phone car il en perçoit l’intérêt pour lui (Même si cette perception est fausse ou trompeuse), autant il rejette le fameux compteur, car il estime n’en avoir aucun besoin personnel.
Il est alors prêt à entendre toutes sortes d’arguments le confortant dans sa décision de rejet.
Que la plupart de ces arguments soient stupides, mensongers, partiaux, hors sujet, importe peu, pourvu qu’ils renforcent sa conviction.
Face à une telle attitude, les explications rationnelles sont sans portée. Même si les « arguments » présentés par les opposants ne sont même pas dignes d’être commentés, Ils ne sont pas sans efficacité auprès de personnes disposées à accepter un « prêt à penser » et pas du tout disposées à s’investir dans une réflexion sur la validité de la bouillie intellectuelle qu’on leur propose en guise d’argumentation.
Sur le fonctionnement du compteur communicant, tout a été dit, et expliqué abondamment dans des documents accessibles sur le Net. Inutile donc d’y revenir, ce n’est pas là que les opposants vont chercher leurs « arguments ».
Ce compteur communicant, indispensable au déploiement des énergies renouvelables, est soutenu par une initiative européenne.
La situation de cette affaire est exposée entre autres dans le rapport de la Commission Européenne du 17/06/2014 Ref SWD(2014)188-189 final.
Il y est rappelé en préambule:
« En conformité avec les dispositions du troisième paquet climat-énergie,
…
Sous réserve des résultats d’une évaluation économique à long terme des coûts et des avantages, les Etats membres sont tenus de préparer un calendrier (Sur une période de dix ans maximum en ce qui concerne l’électricité) pour le déploiement de systèmes de mesure intelligents ».

[La nécessité du compteur communicant n’a donc pas germé dans la cervelle malade d’un ingénieur de EDF, mais correspond à un consensus établi par les énergéticiens au sein des instances européennes ].

« En ce qui concerne l’électricité, l’objectif est d’équiper au moins 80% des consommateurs d’ici 2020 si la mise en place des compteurs intelligents donne lieu à une évaluation favorable »

[ Il s’agit de l’évaluation économique ci-dessus, désignée ACA ci-après]

« la directive relative à l’efficacité énergétique soutient le développement de services énergétiques fondés sur des données provenant de compteurs intelligents ainsi que le développement d’effacement de consommation et d’une tarification dynamique »

[L’objectif technique est ainsi précisé, il s’agit de pallier les fluctuations de demande de puissance électrique en incitant les consommateurs à négocier un programme d’effacement de consommation, en proposant des avantages tarifaires ].

« La directive respecte et promeut le droit des personnes à la protection des données à caractère personnel …..Article 8 de la charte des droits fondamentaux de l’Union Européenne »

On ne parle donc pas d’un projet local fantaisiste, mais d’une initiative européenne dont la mise en œuvre est déjà bien engagée.

A la date de parution du rapport, près de 45 millions de compteurs intelligents ont déjà été installés dans trois Etats membres ( Finlande, Italie et Suède).
A la même date, la situation des ACA (Analyse Coûts Avantages) est la suivante:
- ACA positifs dans 16 Etats membres ( sur 27):
Autriche, Danemark, Espagne, Estonie, Finlande, France, Grèce, Irlande, Italie, Luxembourg, Malte, Pays-Bas, Pologne, Roumanie, Royaume Uni, Suède.
- ACA négatif dans 7 Etats membres:
Allemagne, Belgique, Lettonie, Lituanie, Portugal, République Tchèque, Slovaquie.
- ACA non encore disponibles pour 4 Etats membres:
Bulgarie, Chypre, Hongrie, Slovénie.
Le rejet de l’Allemagne doit être nuancé: Ce pays a décidé que seuls seront équipés les plus gros consommateurs (plus de 6000 KWh par an), ce qui n’est pas absurde.
La Suède est déjà équipée à 99%, et l’Italie à 90%.
Une grosse majorité des Etats membres a donc déjà donné un avis positif et la plupart ont déjà commencé le déploiement.
Voir en particulier:
[https://ec.europa.eu/energy/en/topics/markets-and-consumers/smart-grids-and-meters]
Et
[http://www.europarl.europa.eu/RegData/etudes/BRIE/2015/568318/EPRS_BRI%282015%29568318_EN.pdf]

L’ACA est une concession aux analystes économiques pour qui tout projet doit être justifié par une rentabilité financière, si possible à court ou moyen terme.
Le long terme intéresse assez peu les financiers qui recherchent une rentabilité court terme.
Or le véritable intérêt du compteur communicant n'apparaîtra qu'en 2025-2030 lorsque la part des renouvelables dans le mix électrique deviendra prépondérante.
En permettant de lisser la demande de puissance sur le réseau, le compteur communicant permettra de sortir plus vite du nucléaire puisque les fluctuations des énergies intermittentes deviendront moins gênantes, et plus faciles à compenser.
Mais allez donc expliquer cela à des financiers ou des analystes qui ne s’intéressent qu’aux dépenses immédiates sans prendre en compte les avantages à long terme.
Comme dit le philosophe:
« Quand le sage montre la Lune, l’imbécile regarde le doigt ».
Tôt ou tard il sera bien obligé de la regarder, la Lune.

La dure existence d'un réacteur nucléaire.

14 Mars 2016

Un réacteur nucléaire est fréquemment comparé à une cocotte minute ou à une chaudière de chauffage central.
Certes, il en utilise certains principes de base, mais il en diffère par quelques "petits" détails.
Une meilleure image serait celle d'un équilibriste posé sur un fil tendu au-dessus du cratère d'un volcan en activité, et qui devrait garder cette position durant quarante années, voire davantage.
Encore que, si notre homme tombe, il disparaît sans causer d'autre dégât qu'à lui-même.
Tandis que si notre réacteur "perd l'équilibre", les dégâts seront autrement importants comme on a pu s'en rendre compte à deux reprises en moins d'un quart de siècle.
La conduite d'un réacteur ne supporte pas l'approximation.
La description des multiples avatars susceptibles de précipiter la catastrophe nous entraînerait trop loin et pourrait causer maints cauchemars chez le lecteur non prévenu .
Le maintien d'un réacteur en bon état de fonctionnement est une sorte de guerre de tranchées perpétuelle, une traque permanente du moindre petit écart de paramètre qui pourrait déclencher un enchaînement d'incidents dont l'issue est souvent fatale s'il n'y est pas mis bon ordre dans les plus brefs délais.
Heureusement le personnel est aidé dans sa tâche par une armée de dispositifs automatiques redondants qui se chargent de l'essentiel du travail de régulation, de détection des écarts de fonctionnement, et d'application des mesures de correction nécessaires.
A condition bien sûr que les sondes, les soupapes, les tuyaux, les pompes, les relais électromagnétiques, les voyants d'alarmes, les électrovannes, les détecteurs de niveaux, les manomètres, et autres commandes manuelles ou non, soient de bonne composition et consentent à se comporter conformément au cahier des charges et sans défaillance.
La perfection n'étant pas de ce monde, la présence permanente d'une équipe de spécialistes est requise pour prendre les décisions lorsque des choix s'imposent concernant la conduite à tenir en présence d'une anomalie. En l'occurrence, des procédures précises doivent être suivies, qui sont décrites dans des "cahiers de consignes" dont l'exhaustivité doit être le gage de la bonne marche du système.
Le principe est que rien ne doit être laissé au hasard ni à l'improvisation.
Un réacteur n'aime rien tant que la tranquillité. Lorsqu'un état d'équilibre est obtenu, il vaut mieux ne rien faire pour le perturber, il faut surtout éviter les variations brusques car elles nuisent à la santé des différents organes, et donc à la longévité de l'ensemble. Les chocs thermiques et les vibrations sont particulièrement redoutés.
Toutes les installations de production d'électricité, parmi lesquelles 58 réacteurs nucléaires, sont raccordées au réseau et ont entre autres pour tâches de contribuer au maintien de la fréquence de 50 Herz et de la tension, dans des limites précises.
A chaque instant, l'ensemble de ces installations est géré de manière à fournir exactement la puissance demandée par les utilisateurs.
Il existe une très faible capacité de stockage d'électricité, constituée par un parc de STEP (Station de Transfert d'Energie par Pompage) qui sert surtout à amortir les à-coup de puissance sur le réseau.
Les utilisateurs "appellent" de la puissance en fonction de leurs besoins du moment, et c'est aux gestionnaires du réseau de s'arranger pour la leur fournir.
Pour cela il existe chez ERDF un service important de prévisions de consommation, dont la tâche est d'analyser les besoins et les habitudes des consommateurs (particuliers, commerçants, industriels) afin d'établir des prévisions permettant de gérer au mieux les installations de production.
La puissance électrique demandée par ce réseau est fluctuante, elle peut varier de +/- 50% selon l'heure, le jour, la saison, les conditions météo (Chauffage électrique).
Il est donc nécessaire de pouvoir faire varier la puissance injectée dans le réseau, au rythme de la demande.
Tant que l'électronucléaire ne participe que pour une faible part à la production électrique d'un pays, il est effectivement possible de conserver les réacteurs à leur puissance nominale et de suivre la demande en agissant sur les autres moyens de production (Thermiques en général).
Mais lorsque, comme en France par exemple, le nucléaire constitue l'essentiel des moyens de production électrique, il devient nécessaire d'ajuster la puissance du parc en modifiant la puissance des réacteurs eux-mêmes.
Les réacteurs doivent donc travailler en "régime flexible" selon le mode de "suivi de charge".
La plupart des réacteurs (Sinon tous) peuvent fonctionner dans ce mode, avec des possibilités d'amplitude plus ou moins grandes, mais ce régime entraîne une fatigue supplémentaire du matériel, dont on doit tenir compte dans le programme de maintenance.
La licence d'exploitation de chaque réacteur définit ainsi le nombre total de cycles de variation de charge admissibles en fonction de la conception d'origine du réacteur et du types de transitoires autorisés.
La modulation de puissance (Suivi de charge) est obtenue par deux procédés classiques: Le positionnement des barres de contrôle et/ou la concentration d'acide borique dans le circuit primaire.
Notons au passage que, pour les réacteurs français de première génération (900 MWe) type Fessenheim, la modulation de puissance par l'acide borique (mode A) est largement utilisée. C'est un mode efficace mais lent.
( Contrairement à ce qui a pu être dit à propos de la récente controverse sur Fessenheim, l'arrêt d'un réacteur de génération 1 avec injection de Bore n'est pas une procédure exceptionnelle).
Lors de la modulation de puissance, il se produit des variations de température dans le circuit, qui entraîne une fatigue de la plupart des composants par changements cycliques de charge mécanique. Cette fatigue entraîne une usure prématurée, cause de changements structuraux.
Chaque réacteur est donc spécifié pour un certains nombre de cycles d'amplitude et de temps de transition autorisés.
La fatigue liée à la modulation de puissance concerne entre autres:
- La cuve, qui doit supporter les écarts de température importants préjudiciables à la fiabilité à long terme (fragilisation de l'acier).
- Les piquages des tuyaux de raccordement des boucles du circuit primaire, fatigue des soudures, fuites éventuelles.
- Le revêtement en acier inox de l'intérieur de la cuve, les contraintes thermiques peuvent provoquer des microfissures sous le revêtement.
- Les fourreaux de passages des barres de contrôle et de l'instrumentation, qui traversent le couvercle de cuve et doivent assurer l'étanchéité. Ils n'aiment pas les chocs thermiques.
(Ils sont contrôlés lors des visites annuelles, et sur certains il existe des sondes de détection de fuites d'eau primaire).
- Les crayons de combustibles, avec des écarts de dilatation entre les pastilles et la gaine, entraînant des fissures et des fuites de combustible dans le circuit primaire.
- La densité de puissance dans le cœur, qui subit des variations liées aux divergences de température.
- Les vannes du pressuriseur, dont la fréquence de travail est augmentée considérablement.
- Le pressuriseur lui-même, qui travaille beaucoup plus en mode suivi de charge qu'à puissance constante.
- Les barres de contrôle, qui n'arrêtent pas de faire le yo-yo dans les gaines, qui s'usent beaucoup plus vite.
- Le mécanisme de commande des barres de contrôle, fortement sollicité.
- Les pompes, qui n'apprécient guère les changements de régime fréquents, qu'il s'agisse des pompes primaires ou du circuit secondaire vers les générateurs de vapeur.
- Les générateurs de vapeur eux-mêmes, dont les tubes échangeurs de chaleur sont mécaniquement sollicités, avec un régime de vibrations variable en fonction des variations de température. Les risques sont des ruptures au niveau des tubes échangeurs ou des canalisations de raccordement au circuit primaire.
- Etc…
Beaucoup de monde dont il faut vérifier périodiquement l'état de santé.
Les barres de contrôle doivent faire l’objet d’un suivi particulier en raison de leur rôle essentiel dans la sureté. En cas de problème pouvant affecter la partie nucléaire de l'installation (Cuve du réacteur, circuit primaire, circuit secondaire, combustible, température, pression, pressuriseur, pompes primaires et secondaires) il faut arrêter immédiatement le réacteur. Ceci est obtenu en déclenchant la chute des barres de contrôle au sein des grappes de crayons combustibles, la réaction est alors stoppée en deux secondes.
L'arrêt est ensuite conforté par injection d'acide borique dans le circuit primaire si nécessaire.
Lorsque le réacteur est ainsi "arrêté" le cœur continue à chauffer et dégage environ 7% de sa puissance nominale, ce qui fait quand même 210 MW sur un réacteur de 1000 MW électriques (3 000 MW thermiques).
Il faut donc continuer à le refroidir sous peine de fusion du cœur et accident niveau 7+ (Fukushima). Le cœur est considéré comme froid au bout d'un mois seulement.
Il est donc indispensable que les barres de contrôle soient en parfait état, ainsi que le mécanisme de commande et les gaines de coulissement.
Si les barres de contrôle sont coincées, on a toujours la solution d'arrêter le réacteur en injectant massivement de l'acide borique dans le circuit primaire.
En mode de suivi de charge ces barres de contrôle sont très sollicitées et s'usent plus rapidement qu'en mode régime de base.
Le blocage d’une ou plusieurs barres peut résulter d’une usure intense. L’accident le plus important à ce niveau est le percement d’une gaine d’étanchéité dans laquelle coulisse une barre de contrôle. Sous l’effet de la pression du circuit primaire (155 kg), il peut alors y avoir éjection de la barre avec des dégâts collatéraux et fuite de fluide primaire dans l’enceinte.
L’affaire peut très mal se terminer si le réacteur n’est pas aussitôt arrêté. Il est important que soit monté un dispositif limitant le déplacement de la barre en cas d’éjection, ce n’est pas le cas partout.
Le fonctionnement en mode de suivi de charge n’est donc pas anodin. Il nécessite un suivi particulier et une maintenance plus lourde.
L'arrivée des énergies nouvelles intermittentes, dans un environnement non prévu pour stocker l'électricité, crée une situation nouvelle qui va aggraver la fatigue des réacteurs:
L'éolien et le solaire étant des énergies intermittentes par nature, le réseau aura à gérer des apports massifs très irréguliers d'énergie. Face à une demande relativement stable, il faudra donc moduler la puissance du réseau en mettant les autres centrales (Thermiques et nucléaires) en mode de suivi de charge intensif, provoquant ainsi une fatigue supplémentaire des installations.
Tout ceci est évidemment pris en compte dans la gestion du parc nucléaire, mais il n'en demeure pas moins que l'arrivée "sauvage" des renouvelables intermittentes fait peser un problème nouveau sur l'ensemble du parc de production "classique".
La nécessité de systématiser le mode de suivi de charge implique d'accompagner le déploiement de la production intermittente d'une part de production "flexible" en l'absence de moyens de stockage d'électricité.
Cette production flexible sera à base de centrales thermiques à gaz dans l'hypothèse d'une sortie du nucléaire. Sa part pourra représenter 30 à 40% de la puissance installée, et dépendra de la structure du parc d'énergies renouvelables, de la répartition éolien/solaire, du régime des vents et de l'ensoleillement.
L'augmentation de la part des énergies renouvelables intermittentes aura donc un impact certain sur le vieillissement des réacteurs nucléaires.

14 Février 2016

L’autonomie des voitures électriques est un sujet récurrent depuis plus d’un siècle.

Aujourd’hui la technologie n’a toujours pas vraiment résolu le problème.

Certes les cartons des ingénieurs sont remplis de promesses laissant espérer des lendemains qui chanteront, mais la réalité du terrain oblige à plus de modestie.

Peut-on définir les besoins ?

Les besoins sont une chose, les envies en sont une autre. Les voitures actuelles remplissent leur fonction utilitaire, et même au-delà pour les performances car il faut également satisfaire l'égo.

Mais, pour circuler sur un réseau limité à 130 km/h (et peut-être 120 km/h bientôt) il n'est pas absolument indispensable de concevoir des véhicules surpuissants capables de 180 km/h voire beaucoup plus, surtout quand on prétend rechercher les économies d'énergie.

La "voiture à deux litres aux cent", cheval de bataille de la lutte contre la pollution et le CO2, et objectif imposé à l'industrie automobile à travers les normes européennes, impose de renoncer aux 180 km/h au profit d'une approche plus "apaisée" du concept de la mobilité.

Nous verrons que la voiture électrique est peut-être une occasion de mettre en pratique ces bonnes résolutions.

Si l'on se rapporte aux caractéristiques d'une voiture moyenne typique à moteur thermique, représentative du modèle "utilitaire amélioré" cher à l'usager soucieux de ses deniers, mais aussi désireux d'offrir une image flatteuse, on trouve une motorisation elle aussi classique:

Un moteur de 70 KW (95 CV), un réservoir de 60 litres représentant une énergie embarquée de 600 KWh, une consommation de 7,5 L/100 ( (nous parlons d'essence) et donc une autonomie de 800 km, cohérente avec les dimensions du territoire.

Le rendement moyen des moteurs thermiques est assez minable, il n’excède pas 20% en usage courant.

Sur les 600 KWh contenus dans le réservoir, seulement 120 KWh seront donc utilisés pour la propulsion, le reste étant dissipé sous forme de chaleur (Dont une partie est récupérée pour le chauffage en hiver).

120 KWh pour faire 800 km, cela fait 15 KWh/100 km.

C'est l'énergie nécessaire pour vaincre la résistance de l'air, les frottements de roulement des pneus, les pertes dans la transmission, et l'énergie nécessaire pour monter les côtes.

La même voiture, équipée d’une propulsion électrique, aura besoin de la même énergie pour le même usage, soit 15 KWh/100 km.

Le moteur électrique de 70 KW ne pose pas de problème, on sait même faire beaucoup mieux.

Le rendement d’une propulsion électrique est très bon, en général 85%, ce qui porte l'énergie primaire nécessaire à 17,6 KWh/100 km environ.

Donc pour avoir la même autonomie que la voiture à essence, il faudrait une batterie de 140 KWh.

Et c'est là que le bât blesse.

Dans l'état actuel de la technologie, une telle batterie pèserait plus d'une tonne, ce qui doublerait le poids du véhicule et augmenterait considérablement son coût, sans parler des problèmes de recharge rapide.

On considère généralement que, pour rester dans la même gamme de puissance et de coût que la voiture à essence de référence, le poids total de la batterie ne doit pas dépasser 300 kg, soit le poids de quatre personnes adultes.

Ce poids comprend les éléments "actifs" de la batterie (sur la base de 140 Wh/kg environ), le contenant, le logement renforcé contre les accidents divers et une éventuelle explosion, les organes de gestion, régulation, refroidissement le cas échéant, les renforts de caisse et de suspension pour supporter le surpoids.

Cet ensemble correspond aujourd'hui à une batterie de 30 KWh environ.

L'autonomie du véhicule, dont la consommation est de 17,6 KWh/100 km, sera donc de 170 km en moyenne.

Cette autonomie pourra être prolongée à 200 km grâce à la récupération d'énergie au freinage.

Mais sur autoroute l’autonomie ne dépassera pas 120 km car d'une part la conduite est en principe plus soutenue, et d'autre part la récupération d’énergie au freinage est inopérante (On ne freine pas sur une autoroute…).

Pour éviter la panne sèche prématurée, les constructeurs de voitures électriques limitent par construction la vitesse à 130 km/h .

(Certains limitent également les accélérations, grosses consommatrices d'énergie).

L’ouverture des autoroutes à ces véhicules pose donc un triple problème:

D’une part ils devront se ravitailler impérativement tous les 100 km sous peine de risquer la panne sèche.

D’autre part le temps de recharge de la batterie devra être suffisamment faible pour deux raisons: Ne pas transformer un long voyage en chemin de croix, et éviter la formation de files d’attente insupportables aux bornes de chargement.

Qu'en est-il aujourd'hui de la distribution des carburants pétroliers ?

Sur le réseau autoroutier concédé à péage (9 000 km, soit 18 000 km de chaussées à deux et trois voies), il y a aujourd’hui 450 stations services espacées d’environ 40 km en moyenne.

Le temps moyen pour chaque véhicule est estimé à cinq minutes.

Ainsi, une station d’autoroute comportant par exemple huit pompes pourra servir environ 100 clients par heure. Au-delà on commence à voir se former des files d'attentes.

L'écoulement des éventuelles files d'attente est relativement rapide puisque chaque voiture n'occupe la pompe que durant cinq minutes.

Heureusement les véhicules thermiques ne s’arrêtent que rarement pour faire le plein. D’une part grâce à leur autonomie considérable ils peuvent parcourir 6 à 800 km et plus sans ravitailler, et d’autre part la plupart d’entre eux font le plein avant de partir afin d’éviter les surcoûts autoroutiers. Seuls les imprévoyants, les étourdis, ou ceux dont le trajet dépasse leur autonomie, doivent s’arrêter pour manque de carburant.

Il y a donc rarement des files d’attente importantes, sauf les jours de grands départs (Davantage d'étourdis ou de trajets supérieurs à 800 km?).

Peut-on transposer cette situation au cas des véhicules électriques ?

Non, et ceci pour plusieurs raisons.

En effet, contrairement aux véhicules thermiques, les électriques actuels doivent impérativement ravitailler tous les 100 à 120 km, et de plus la durée d'une charge est de 30 minutes en "charge rapide"(Selon les études et projets actuels).

Il existe actuellement des projets d’équipement des autoroutes en bornes de recharge rapide. Le cahier des charges fixe les caractéristiques de ces bornes: Une charge de 20 KWh en 30 minutes.

Une station électrique équipée de six postes pourra donc servir 12 clients par heure.

Au-delà que cette fréquentation il y aura formation de files d’attentes dont l'écoulement sera très long puisque chaque voiture occupe la pompe durant une demi-heure.

L'attente pourra atteindre plusieurs heures…

Donc, au-delà d’un flux de quelques dizaines de véhicules électriques par heure, il y aura saturation du réseau de chargement et allongement insupportable du délai d’attente.

Les voitures électriques actuelles ne peuvent donc pas emprunter les autoroutes, sauf pour des trajets n’excédant pas cent km. Tenter d’aller plus loin comportera le risque de devoir patienter deux ou trois heures à la prochaine station de recharge, si elle existe, ou de devoir appeler une dépanneuse si la panne sèche se produit entre deux stations…

Pour améliorer la situation et retrouver la même fluidité que connaissent les véhicules thermiques, il faudrait à la fois augmenter considérablement la capacité des batteries, et réduire dans la même proportion la durée de la charge, c'est-à-dire augmenter la puissance des bornes de charge rapide.

Quelle capacité de batterie ?

Nous avons vu plus haut que, pour obtenir la même énergie motrice que celle procurée par 60 L de carburant pétrolier, il faut une batterie de 140 KWh.

Passer de 30 KWh à 140 KWh sans augmentation exagérée du poids, cela représente un saut technologique qui n'est pas aujourd'hui dans les perspectives à moyen terme des industriels.

Les prévisions réalistes pour les prochaines années portent sur un doublement de la capacité énergétique spécifique, soit 50 à 60 KWh pour 300 kg, à l'horizon 2025.

L'autonomie serait alors de 250 à 300 km, de quoi aborder plus sereinement un trajet autoroutier, sans toutefois égaler l'autonomie des voitures à pétrole.

Mais augmenter la capacité de la batterie ne suffit pas. Il faut également pouvoir la charger.

Quelle puissance pour les bornes de recharge ?

Les 30 minutes du consensus actuel pour 80% de charge sont inacceptables compte tenu du flot des véhicules sur une autoroute.

Le temps imparti ne devrait pas être supérieur à 10 minutes.

Pour recharger en 10 minutes à 80% une batterie de 60 KWh, il faut une puissance de 300 KW.

Aujourd'hui les projets d'équipement des autoroutes prévoient des bornes de 50 KW seulement, donc totalement inadaptées aux besoins du futur proche prévisible.

(Tesla, avec une batterie de 85 KWh et des bornes de 135 KW, montre la voie à suivre, même si par ailleurs le choix d'une puissance de 450 CV n'est pas dans la ligne des économies d'énergie, mais ceci est une autre histoire…).

Il semble donc que l'ouverture des autoroutes aux véhicules électriques pour les longs trajets demeure une perspective de très long terme.

L'absence de batteries de très forte capacité, et l'inadéquation des bornes de recharge rapide prévues, constituent deux obstacles rédhibitoires.

Les seules voitures de conception nouvelle que nous verrons sur les autoroutes à court et moyen terme seront les hybrides, qui utiliseront pour la circonstance leur moteur thermique, la propulsion électrique étant réservée (?) à la circulation urbaine.

Ceci apporte de l'eau au moulin des détracteurs du tout l'électrique alimenté par batterie électrochimique.

Voilà donc un boulevard ouvert pour d'autres solutions utilisant des énergies renouvelables:

- Les biocarburants de deuxième et troisième générations.

- Le Biogaz.

- La pile à Hydrogène.

Les biocarburants ont pour eux l’avantage de la simplicité d’emploi. Les moteurs ne nécessitent que des modifications mineures, la distribution utilise les mêmes réseaux et les mêmes matériels que les carburants pétroliers.

L’autonomie des véhicules est sensiblement la même que celle des véhicules à pétrole.

La première génération, déjà largement répandue, voit son emploi règlementairement limité en Europe à cause de la concurrence portée aux productions alimentaires (Quotas plafonnés par l'ONU). La seconde génération est prête techniquement mais son coût reste encore élevé, et son rôle dans le changement d’affectation des sols pose encore problème, surtout dans le cas d’emploi de plantes dédiées ( Jatropha, Miscanthus).

La troisième génération ( Algocarburants) est encore en phase de développement.

On peut cependant penser que, durant les deux prochaines décennies, les biocarburants prendront une place importante si la lutte contre les émissions de CO2 fossile entre dans une phase active, ce qui n’est pas encore le cas aujourd’hui, du moins sur le terrain.

La manière dont les constructeurs d'automobiles tripotent leurs résultats de mesures d'émissions de CO2 et de polluants en dit long sur leurs intentions réelles quant au respect des engagements de la COP21.

Par ailleurs le pétrole n'a jamais été aussi bon marché, ce qui en fait un produit quasiment indétrônable, sauf par une éventuelle "vraie" taxe carbone qui, hélas, se fait attendre.

Le Biogaz présente un intérêt immédiat comme remplaçant du gaz naturel dans les applications fixes raccordées au réseau de distribution.

Son utilisation dans les véhicules est déjà effective sous forme comprimée dans des bouteilles, ou liquéfié.

Il peut être utilisé facilement dans des moteurs légèrement modifiés, mais nécessite la mise en place d’un réseau de distribution pour être généralisé. Ce problème constitue un frein sérieux à son développement.

L’autonomie des véhicules à gaz n’est pas à priori meilleure que celle des véhicules électriques à batteries améliorées. Par contre la recharge des bouteilles peut être beaucoup plus rapide, ce qui constituerait un atout décisif.

La pile à combustible n'est pas encore au stade de l'industrialisation à grande échelle, et porte également le problème de la réserve d'énergie à emporter.

Ce n'est donc pas dans un avenir à court terme que nous verrons les autoroutes envahies par les voitures électriques.

Affaire à suivre…

2 Février 2016

Le développement du marché de la voiture électrique s'apparente à une course à l'échalote. Jamais assez de bornes de rechargement, jamais assez de courant, on se demande quand ces engins pourront raisonnablement emprunter une bretelle d'autoroute sans risquer la panne sèche au bout d'une heure de route, ni combien leur coûtera le "bidon" de KWh vendu par un dépanneur avisé.

Par prudence, les constructeurs de ces voitures proposent généralement des puissances modérées, autour de 60 KW (80 CV), avec des batteries de 20 à 30 KWh, qui nous changent un peu des "bolides" à pétrole flirtant avec les 200 CV et souvent beaucoup plus.

A allure élevée, la résistance à l'avancement croît en gros comme le carré de la vitesse. Une berline moyenne classique (Ford Mondéo par exemple) atteint une vitesse de 206 km/h avec un moteur de 97 KW (132 CV). La même voiture n'aura donc besoin que de 39 KW pour rouler à 130 km/h, vitesse max autorisée sur autoroute.

Si on remplace le moteur thermique par un moteur électrique, la puissance nécessaire pour rouler à 130 km/h sera toujours de 39 KW.

Avec une batterie de 30 KWh (27 KWh effectifs), l'autonomie sera donc théoriquement de 42' environ, soit une distance de 90 km. A condition de rouler à vitesse constante, sans accélération, sur un route à profil horizontal et sans vent contraire.

Un moteur de 50 à 60 KW suffit donc pour ce type de véhicule, dont l'utilisation sera essentiellement urbaine, et la vitesse généralement limitée à 130 km/h pour éviter la panne sèche prématurée.

Pour des vitesse plus raisonnables et dans des conditions de conduite modérées, l'autonomie pourra atteindre 150 à 180 km, grâce à la récupération d'énergie au freinage et à la limitation logicielle du facteur d'accélération.

Mais la voiture électrique décrite ci-dessus reste à la fois poussive et limitée drastiquement dans son autonomie.

Elle a peu de chance de séduire les amateurs de petites sportives, et de concurrencer les berlines moyennes à moteur thermique dotées couramment de plus de 150 CV, et d'une autonomie de 1 000 km.

Et c'est là que démarre la course à l'échalote.

Un constructeur a voulu relever ce défi et frapper un grand coup; il s'agit de Tesla, qui a souhaité se démarquer du lot afin de promouvoir sa marque, et soutenir par ailleurs son action dans le domaine du stockage de l'électricité, qui est un futur marché bien plus juteux que la voiture électrique.

Sa démarche marketing repose sur l'association du luxe et des performances dans une voiture de haut de gamme. L'idée est qu'une voiture électrique s'affichant haut de gamme doit disposer d'une puissance importante, en fait au moins égale sinon supérieure à celle des concurrents à pétrole, le critère étant les accélérations:

Le temps pour atteindre les 100 km/h départ arrêté est le critère qui "classe" une voiture du "top ten".

Mais, comme il faut une capacité de batterie capable de "nourrir" la bête, il en résulte un surpoids énorme, qui doit être compensé par une puissance encore plus énorme (Course à l'échalote).

Pour réduire ce surpoids, qui atteint quand même près de 900 kg, Tesla s'est "limité" à 85 KWh de capacité batterie. La puissance disponible étant de plus de 500 CV, soit 400 KWh. (Le poids de la voiture est de 2,3 tonnes !).

Utilisée dans les mêmes conditions que notre voiture précédente de 60 KW, c'est-à-dire à une vitesse constante de 130 km/h, l'autonomie de la Tesla sera trois fois supérieure puisque la batterie possède une capacité trois fois plus importante (300 km environ).

(On obtient beaucoup plus au test NEDC, mais c'est un résultat fantaisiste comme chacun en convient aujourd'hui).

Mais une telle voiture a pour vocation de "s'imposer" sur la route et de montrer de quoi est capable une motorisation de 500 CV. Cette voiture n'est pas conçue pour rouler dans la file de droite, ni pour se laisser intimider par les radars, au demeurant faciles à éviter avec un "bon" dispositif de signalisation des "zones dangereuses"'…

L'autonomie pratique va donc en prendre un coup, et se rapprocher des 150 à 200 km. Il lui faudra alors recharger ses batteries, comme tout le monde.

Mais, là ou une Zoe se "contentera" d'une borne de 40 KW, pour se recharger en 30 minutes, la Tesla devra trouver une borne de 135 KW, ou patienter deux heures à une borne de 40 KW, à condition d'y être autorisée.

Les bornes de recharge rapide du réseau européen sont aujourd'hui limitées à 50 KW et les sessions sont limitées à 30 minutes, voir moins en cas d'affluence.

C'est pourquoi la firme Tesla a du installer son propre réseau de recharge rapide, pour éviter à ses clients de passer plus de temps à charger la batterie qu'à rouler.

Grâce à des bornes de 135 KW installées par la firme, les batteries de 85 KWh peuvent être rechargées à 80% en 30 minutes.

Ces bornes de recharge rapide (Toutes, pas seulement celles de Tesla) donnent des boutons à EDF à cause des appels de puissance dont le cumul risque d'atteindre des valeurs indécentes.

Chaque station de charge rapide doit donc être adossée à une station de stockage dont la capacité est en rapport avec la puissance des bornes et la fréquence des soutirages.

Le système de gestion du "Smart Grid" veillera au bon équilibre du réseau et procèdera à l'arbitrage des délestages qui seront inévitables certains jours à certaines heures.

Voilà qui promet quelques tourments les jours de grands départs lorsque cinquante voitures (ou plus) souhaiteront refaire le plein de KWh à 150 km de Paris ( C'est à peu près la distance à laquelle devront s'arrêter les voitures électriques si elles veulent éviter la panne sèche).

Quelle capacité de stockage pour les bornes rapides ?

Les appels d'offres pour des bornes rapides comportent un volet pour l'intégration d'un stockage d'énergie, mais sans en préciser la valeur en terme de capacité. Cette valeur dépendra évidemment de la fréquence d'utilisation de la borne, paramètre impossible à connaître aujourd'hui puisque le marché est en phase de démarrage.

Une installation de 5 bornes rapides de 50 KW utilisées de manière continue ( en cas d'afflux pour les week-ends ou les grands départs) représente un soutirage de 250 KW sur le réseau durant une période qui peut durer plusieurs heures.

Une telle installation devra souscrire un abonnement de 250 KW auprès de son fournisseur d'énergie, ou bien se doter d'un stockage de l'ordre du MWh pour passer les pointes de demande, ou bien se contenter d'une seule borne rapide 50 KW, les autres étant limitées à la recharge semi-rapide en deux heures, ce qui permet de réduire la puissance souscrite, donc le coût.

On voit que la structure même de l'installation, donc le coût de l'investissement et surtout la qualité du service, dépendra du trafic qu'elle aura à traiter.

Les premières installations serviront précisément à déterminer ces paramètres de dimensionnement afin d'optimiser le réseau futur.

Certaines installations ne pourront pas se passer de capacités de stockage tampon très importantes.

L'ouverture des autoroutes aux voitures électriques pose un problème de fond potentiellement générateur de bien des soucis pour les "kamikazes" qui s'y aventureront:

Les stations de recharge en cours d'installation sur les autoroutes comportent en général un maximum de cinq bornes "rapides" . Chacune de ces bornes permet de recharger en 30 minutes une batterie de 22 KWh.

La capacité s'une station est donc de 10 véhicules par heure, sans compter les temps de branchement et de péage.

Les jours d'affluence (Week-ends, départs en vacances) il pourra se présenter plusieurs dizaines de voitures par heure à une telle station de recharge.

Rapidement, le délai d'attente atteindra plusieurs heures, créant une situation de trouble public.

De plus, les impatients tenteront d'aller jusqu'à la station suivante, située au mieux à 50 km, avec une "chance" sur deux de tomber en panne sèche, ajoutant une problème supplémentaire.

Aujourd'hui les véhicules à moteur thermique disposent d'une autonomie qui peut atteindre 1 000 km, ce qui permet d'accomplir de longs trajets sans ravitailler, ou de choisir son point de ravitaillement sans crainte de panne sèche.

Le passage à l'électrique, dans les conditions actuelles, va créer une situation inédite, dont le potentiel de gravité n'a pas nécessairement été convenablement pris en compte lors de l'ouverture des autoroutes à ces nouveaux véhicules, qui cumulent deux inconvénients majeurs:

D'une part leur autonomie est très faible, et encore plus faible sur autoroute où la vitesse est élevée, sans possibilité de récupération d'énergie au freinage, d'où la nécessité de recharger très souvent.

D'autre part le temps de rechargement est 5 à 10 fois plus long qu'avec un véhicule thermique, ce qui ne manquera pas de générer des délais d'attente parfois inacceptables.

L'augmentation de capacité des batteries, qui semble la solution du problème, ne fera que repousser les limites sans les faire disparaître.

Grâce aux progrès de la technologie, les actuelles batteries de 30 KWh pesant 300 kg, seront remplacées par des modèles de peut-être 100 KWh, notablement plus légères.

L'autonomie sur autoroute sera certes accrue, mais restera en dessous de 300 à 400 km, à condition que les constructeurs ne soient pas tentés d'augmenter la puissance des moteurs pour offrir des performances plus "flatteuses" (Effet Tesla).

Il faudra plus de deux heures pour les recharger sur les bornes rapides "actuelles" de 50 KW , un voyage au long court deviendra alors un chemin de croix, et les queues aux bornes tourneront à l’émeute.

Il existe donc une interrogation concernant la gestion des recharges de véhicules électriques parcourant des longs trajets sur autoroute. Les cahiers des charges actuels des bornes rapides sont susceptibles d'évoluer vers davantage de puissance (150 KW au lieu de 50 KW), davantage de bornes par station, ou une répartition différente des stations.

Il se peut que, par l'effet d'une sorte de sélection naturelle, le véhicule tout électrique soit évincé au profit du modèle hybride, dont les besoins en recharge de batterie sont beaucoup moins, voire pas du tout, critiques.

Tout dépendra de l'évolution de nombreux facteurs tels que:

- Disponibilité et prix des biocarburants de deuxième et troisième générations.

- Progrès dans la technologie et le prix des batteries.

- Mise au point d'un nouveau procédé électrochimique de stockage d'électricité.

- Résultats de la première phase d'établissement du réseau de charge de batteries sur les autoroutes.

- Aboutissement, ou non, des développements sur la recharge en marche sans fil par induction.

- Eventuellement mise en service d'un système d'échange de batterie.

- Mise au point et industrialisation des piles à combustibles pour l'automobile.

- Industrialisation de la filière Hydrogène.

- Déploiement d'un réseau de distribution de biogaz.

- Evolution des normes européennes d'émission de CO2 et de polluants.

- Evolution du système de bonus-malus .

- Evolution du prix de la recharge de batterie.

- Evolution de la taxe carbone ( TICPE, CCE, ++).

- Evolution de la réglementation sur les restrictions de circulation.

- Evolution de la politique d'incitation du Gouvernement en faveur de telle ou telle solution.

- Etc.

La connaissance de l'avenir de l'automobile est donc du domaine de Madame Irma, dont la boule de cristal sera fortement sollicitée au cours des prochaines années.

A suivre…