26 Juin 2016
Pour tirer le meilleur parti des énergies renouvelables intermittentes, les capacités de stockage gravitaire de l’électricité (Pompage-turbinage) ne suffiront pas à assurer à la fois le rôle de réserve primaire de puissance active et le rôle de valorisation de l’électricité « fatale » produite en période de faible demande.
Cette fonction, qui implique des capacités de stockage d'énergie très importantes, n’est possible qu’à travers la filière Hydrogène, qui devient de ce fait incontournable.
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Ce transfert énergétique de l’électricité vers l’Hydrogène s’effectue par électrolyse de l’eau, avec un rendement qui peut atteindre 90% dans les meilleures conditions (CEA-Liten).
L’Hydrogène ainsi obtenu peut ensuite être valorisé de différentes façons:
- Refaire de l’électricité grâce à une pile à Hydrogène (Fuel cell), ou une turbine entraînant un alternateur, pour répondre à des besoins de compensation du réseau, ou pour les applications mobiles.
- En injecter dans le réseau de distribution de l’actuel Gaz naturel, dans une proportion de 10 à 20%, avec certaines précautions.
- Remplacer dans l’Industrie l’Hydrogène de synthèse produit à partir de sources fossiles.
- Le transformer en Méthane (Méthanation) pour l’injecter en grandes quantités dans le réseau du Gaz.
L’Hydrogène, le Bio Gaz et les Bio carburants constitueront donc, avec l’électricité, une panoplie énergétique de laquelle de nombreuses applications pourront tirer parti, notamment l’Automobile, à laquelle nous nous intéressons aujourd'hui.
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L’élargissement du marché du véhicule électrique se heurte à un obstacle :
Avec une batterie de 30 kWh, entraînant un surpoids de près de 300kg, les véhicules électriques actuels ont une autonomie de 150 à 200 km, ce qui constitue un handicap limitant leur utilisation aux zones urbaines et péri urbaines, plus généralement aux parcours de voisinage.
Pour leur conférer une autonomie comparable à celle des véhicules thermiques, il faudrait une batterie d'au moins 100 kWh, qui poserait un double problème:
D'une part le poids, de l’ordre de 800 kg dans la technologie actuelle, qui resterait considérable même en intégrant les progrès futurs.
D'autre part, la charge rapide de ces batteries nécessiterait de nombreuses bornes de charge de 150 à 200 kW, qui n’existent pas et n’existeront probablement jamais si l’on en croit EDF, qui a déjà lancé un message d’alerte sur les risques de déséquilibre du réseau de distribution.
Le passage à la voiture hybride ne résout pas le problème puisque ces véhicules fonctionnent essentiellement à l’essence sur la route.
(L'autonomie électrique des hybrides est réduite à quelques dizaines de km).
Les solutions dépendantes des batteries au Lithium tirent parti de la technologie actuelle, mais ne sauraient constituer des solutions exhaustives pour l'avenir de la transition énergétique.
Sans cependant nier leur intérêt pour les usages urbains ou de circuits courts.
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C’est pourquoi les constructeurs recherchent une autre solution, permettant de résoudre à la fois les problèmes du poids des batteries, de l’autonomie du véhicule, et de l’approvisionnement en combustible, tout en conservant le moteur électrique à cause de son excellent rendement énergétique et de la possibilité de récupérer de l'énergie au freinage.
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L’idée est de fabriquer l’électricité dans le véhicule lui-même à partir d’un combustible d’une capacité énergétique spécifique beaucoup plus élevée que celle d’une batterie, ce combustible étant évidemment issu d’une source d’énergie renouvelable.
Les candidats sont l’Hydrogène (issu de l’électrolyse de l’électricité « fatale » éolienne ou solaire), le Bio Gaz et les biocarburants, issus des autres sources renouvelables.
Les capacités énergétiques spécifiques sont les suivantes, rapportées à celles de la batterie au Lithium:
- Batterie Lithium-ion: 0,13 kWh/kg
- Bio Ethanol: 7 kWh/kg
- Bio GNV : 13 kWh/kg
- Di-Hydrogène: 33 kWh/kg
- Supercarburant: 12 kWh/kg (Pour mémoire).
La faiblesse congénitale de la batterie saute aux yeux, alors que l’intérêt énergétique de l’Hydrogène s’impose à l'évidence.
Cependant ce gaz doit être stocké dans un réservoir spécial dont le poids compense en partie l’avantage énergétique. On passe alors de 33 kWh/kg à 7 ou 8 kWh/kg , soit pas mieux que l’Ethanol !
L’avantage considérable du carburant liquide comme l’Ethanol apparaît alors; il est, à poids égal, 50 fois plus énergétique qu'une batterie au Lithium, et il très facile à transporter à la pression atmosphérique dans un petit réservoir en tôle, et déjà disponible en stations-services (E100)!
Tous ces avantages paraissent le désigner comme le meilleur candidat.
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Hélas, aujourd'hui l'Ethanol n'est utilisable qu'avec un moteur thermique, dont le rendement minable (<25%) le discrédite en face du moteur électrique dont le rendement dépasse 85% puisqu'il échappe au cycle thermodynamique.
Le choix actuel est donc entre deux solutions imparfaites:
- Un moteur thermique alimenté en Ethanol, solution immédiatement disponible et peu onéreuse, mais d'un rendement inférieur à 25%, et qui va consommer beaucoup plus que son équivalent utilisant du supercarburant.
- Un moteur électrique alimenté par de l'électricité fournie par une pile à Hydrogène, elle-même alimentée par de l'Hydrogène contenu dans un réservoir embarqué sous très haute pression. Solution d'un excellent rendement, mais complexe donc onéreuse, et nécessitant un carburant lui-même d'une manipulation complexe et dangereuse à travers un réseau qui reste entièrement à construire.
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La solution idéale serait un moteur électrique couplé à une pile à Hydrogène, l'Hydrogène étant fabriqué sur place à partir d'un carburant liquide facile à manipuler, comme l'Ethanol.
L'extraction de l'Hydrogène à partir de l'Ethanol est une opération courante relativement facile à mettre en œuvre.
Cette solution intéresse aujourd'hui les bureaux d'études de NISSAN, car c'est la seule qui résout les problèmes qui bloquent le développement de l'automobile électrique: L'autonomie et la facilité d'emploi du carburant.
L'introduction éventuelle sur le marché est prévue pour après 2020.
Cette solution présente l'avantage d'utiliser un carburant facilement stockable pour constituer des réserves. De plus la production de biocarburant est indépendante des conditions météo, contrairement au solaire et à l'éolien.
Le tableau suivant montre succinctement les principales voies technologiques proposées aujourd’hui pour l'automobile.
- La voie A est mise en œuvre actuellement dans les voitures « Tout électriques ». C’est celle qui présente le meilleur rendement énergétique, mais avec plusieurs handicaps:
L’autonomie demeure très insuffisante.
L’augmentation future de capacité des batteries ne fera qu’accroître le problème de la recharge rapide, les files d’attente et la surcharge du réseau électrique.
Rappelons que la capacité d'une batterie Li-ion est le résultat d'un compromis entre puissance et capacité. Pour contourner ce compromis il est certes possible de séparer les deux fonctions en ajoutant un supercondensateur qui prend en charge la puissance instantanée, la batterie pouvant alors être optimisée pour la capacité maximale.
Mais, même optimisée, cette capacité reste très inférieure aux performances massiques de l'Hydrogène ou de l'Ethanol.
Il existe d'autres technologies de batteries théoriquement plus performantes que le Lithium, mais leur adaptation au cahier des charges automobile n'a pas été concluant jusqu'à présent.
Cette voie A laisse craindre une impasse pour l’ouverture du marché aux grands parcours, et donc une restriction d’usage peu compatible avec les attentes de la clientèle.
Elle demeure néanmoins très intéressantes pour les usages qui n'exigent pas une autonomie supérieures à 150 à 200 km.
- La voie B est celle de la filière Hydrogène. La capacité énergétique au kg est la plus élevée, mais comme la molécule est très légère, il en faut beaucoup pour faire le poids ! Il faut alors comprimer fortement le gaz (700 kg/cm2) , ce qui nécessite des réservoirs spéciaux qui doivent être particulièrement protégés contre les chocs, et dont le poids réduit l’avantage énergétique.
De plus, la volatilité du produit, et sa très forte inflammabilité, imposent des précautions particulières pour la fabrication, le montage, et la maintenance des robinets, tuyaux, valves, et autre membranes.
L’Hydrogène alimente directement une pile à Hydrogène (Fuel-cell) qui fabrique l’électricité servant à la propulsion.
Quelques kg d’Hydrogène suffisent à assurer une large autonomie.
Mais, aux inconvénients déjà cités s’ajoute le problème du réseau de distribution de ce gaz, et des stations de remplissage à la pression de 700 kg, qui nécessitent des installations très spéciales qui n'existent pas aujourd'hui.
Un certain nombre de véhicules (Autobus, véhicules de flottes) circulent déjà avec le combustible Hydrogène associé à une pile à Hydrogène et un moteur électrique. L'Hydrogène est fourni par le réseau existant de distribution à l'Industrie (Non accessible au grand public).
Demain l'Hydrogène pourra être fabriqué à la station service par électrolyse à partir de l'électricité du réseau, et stocké sur place dans des réservoirs ad-hoc, ce qui éviterait d'avoir à installer un réseau national de distribution.
Des constructeurs proposent déjà des véhicules particuliers à Hydrogène et pile à combustible:
- TOYOTA Mirai
L'hydrogène est contenu dans deux réservoirs en fibre de Carbone, pour un total de 120 Litres, à la pression de 700 kg/cm2, ce qui représente environ 3,8 kg d'Hydrogène, ou encore une énergie de 125 kWh.
L'autonomie indiquée est de 500 km, ce qui correspond à un rendement global de l'ordre de 60%.
- HYUNDAI i35 FCEV
(FCEV = Fuel Cell Electric Vehicle)
Elle offre une autonomie de 700 km grâce à un réservoir plus important qui emporte 5,64 kg d'Hydrogène sous 700 bar.
-HONDA Clarity FCV
Ces véhicules de même conception sont prévus sur le marché Européen dès 2016.
Outre les problèmes de sécurité liés au stockage d'Hydrogène dans des réservoirs à 700 bar, il se posera le problème des stations services capables de délivrer le produit à une telle pression.
Mais d'ici 2030 beaucoup d'obstacles seront levés, eu égard au caractère incontournable de la filière Hydrogène renouvelable.
D'autres solutions existent pour le stockage d'Hydrogène par adsorption ou absorption sur des composés de type Hydrures réversibles. Leur adaptation aux besoins automobile fait l'objet de nombreuses études, la voie reste donc ouverte.
- La voie C résout à la fois le problème de la capacité énergétique au kg, et le problème de distribution et de stockage du combustible, tout en ayant un rendement énergétique global convenable, c’est donc un bon compromis .
Il s’agit, non seulement de fabriquer l’électricité dans le véhicule lui-même, mais aussi de fabriquer sur place l’Hydrogène qui alimentera la pile à Hydrogène.
Ce gaz est alors obtenu par vapo reformage de Bio éthanol par exemple.
Il n’y a plus de problème d’autonomie, un réservoir en tôle suffit; On supprime également le problème de réseau de distribution spécial, puisque l’Ethanol est déjà distribué dans les stations services (E100).
C’est assurément la solution qui pose le moins de problèmes à l’utilisateur, tout en offrant un rendement énergétique global voisin de 50%, soit le double de celui d’une motorisation thermique classique.
Reste à considérer la complexité et le coût de la chaîne Vaporeformage + Fuel-cell.
C’est également une voie en développement chez les constructeurs, notamment NISSAN.
- La voie D est citée pour mémoire, puisqu’elle est déjà exploitée, malgré son rendement global très faible.
Dans le futur, son extrême simplicité peut la faire préférer à tout autre solution sophistiquée, car la simplicité est en général associée à un bas coût. Tout dépendra du prix des biocarburants.
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S’il s’avère dans le futur que les problèmes induits par l’usage des batteries (Autonomie, Recharge, Poids, Prix) sont de vrais handicaps limitant la généralisation du véhicule électrique à batterie, l’Hydrogène et les Biocarburants associés à la pile à combustible deviennent alors non pas des solutions complémentaires, mais des technologies incontournables dès lors que le choix de la motorisation est l’électrique.
On peut par ailleurs penser que le moteur thermique, vu son rendement inférieur à 25%, aura du mal à conserver sa place dans un contexte de recherche de l'efficacité énergétique, et face à des solutions à l'Hydrogène offrant une efficacité énergétique double. Et ceci même en présence des biocarburants, qui utilisent le même cycle thermodynamique que le super ou le diesel pétroliers.
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Aujourd'hui les carburants fossiles dominent encore largement le secteur des transports.
La voiture électrique peine à trouver sa place et n'arrive à s'imposer qu'à condition d'emporter un moteur thermique en secours !!! (Voiture hybride).
Mais heureusement la part d'électricité renouvelable augmente régulièrement et, grâce à l'électrolyse, l'électricité "fatale" peut être valorisée sous forme d'Hydrogène non fossile, qui devient disponible pour le déploiement d'une nouvelle filière.
Le couple Hydrogène + Pile à combustible devient donc de facto un challenger sérieux des combustibles fossiles, puisqu'elle permet de faire d'une pierre non pas deux, mais six coups:
- Valoriser l'électricité "fatale" produite par l'éolien et le solaire en période de faible demande.
- Permettre à l'automobile de retrouver ses qualités d'autonomie.
- Annuler les émissions de CO2 fossile et de polluants liées aux moteurs thermiques désormais remisés au placard des antiquités.
- Fournir à l'industrie de l'Hydrogène pur et renouvelable, en remplacement de l'Hydrogène de synthèse aujourd'hui fabriqué à partir du pétrole.
- Réduire l'empreinte carbone du Gaz naturel fossile en injectant une part d'Hydrogène dans le réseau de distribution.
- Fournir une solution de stockage de masse de l'énergie grâce à la passerelle Electricité-Gaz (Electrolyse- Pile à combustible- Méthanation).
Ces avantages font de l'Hydrogène un produit d'avenir utile et attendu dans de nombreux secteurs. Son caractère incontournable apparaît de plus en plus évident.
Pour les transports, il n'est pas impossible que la manipulation et le stockage de l'Hydrogène sous très haute pression dans un véhicule, soient jugés inacceptables pour le grand public.
Dans ce cas, la solution C constitue un recours bienvenu, l'Hydrogène est alors fabriqué sur place dans le véhicule par vaporeformage de l'Ethanol qui, lui, peut être manipulé et transporté comme les carburants liquides actuels.
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Aujourd'hui les grands constructeurs ne peuvent négliger aucune de ces pistes, car le futur de l'Automobile reste confus en raison de sa dépendance à la survie du pétrole, à l'évolution des réglementations, à la taxe Carbone, aux progrès éventuels des batteries, à la rentabilité de la passerelle Electricité- Gaz, au coût des piles à combustible, des électrolyseurs, de la méthanisation, etc.
Il est donc nécessaire de travailler dans trois directions à la fois:
- Continuer à améliorer les rendements du moteur thermique, qui restera concurrentiel encore de longues années.
En effet, d'une part le faire-part de la disparition du pétrole n'est pas encore chez l'imprimeur, et d'autre part les biocarburants seront disponibles à court terme, ouvrant la voie aux véhicules flex-fuel qui peuvent devenir la norme pour la prochaine décennie (Ils sont déjà commercialisés).
Seul un prix dissuasif des biocarburants pourrait précipiter le déclin du moteur thermique.
- Développer des équipements nécessaires à l'utilisation de l'Hydrogène dans les voitures électriques:
Electrolyseur.
Méthanation.
Réservoirs sécurisés très haute pression.
Réseaux de distribution de l'Hydrogène.
Etc.
Afin d'acquérir le savoir-faire qui sera nécessaire quand (?) la filière Hydrogène sera opérationnelle et à un coût compétitif.
- Continuer à développer les modèles de type A (Batterie 30 - 60 kWh) ,
avec des versions hybrides, qui sont les seules pour le moment à permettre une autonomie convenable, en sachant que leur existence est menacée par les solutions à l'Hydrogène dans le futur ( 2025 ? 2030 ?).
La prédominance de l'une ou l'autre solution dépendra de l'évolution des coûts de fabrication, et des prix à la pompe des biocarburants et de l'Hydrogène.
Ces derniers prix seront bien sûrs fortement impactés par les taxations spécifiques qui ne manqueront pas d'être appliquées pour soutenir telle ou telle politique énergétique.
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Voilà une révolution énergétique qui ne manquera pas de créer de nombreux emplois dans les bureaux d'études, et d'attrister les actionnaires qui devront mettre la main à la poche pour financer tout cela.
Sans parler de la perplexité des futurs acheteurs, qui auront bien du mal à faire leur choix parmi la profusion de "bonnes affaires" qui leur seront proposées.
Ceci n'est pas un plaidoyer en faveur de la location, quoique…
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