Le blog de doc zaius

Le Nucléaire, en avoir ou pas ?

29 Octobre 2021

La demande mondiale d'énergie est actuellement encore couverte à 80% par les fossiles.

Le système énergétique mondial, et donc les systèmes technologiques et économiques mondiaux, se sont structurés en fonction des caractéristiques de ces énergies :

Disponibilité en très grosses quantités pratiquement illimitées et inépuisables, facilités de transport et de stockage, existence sous les trois formes solide, liquide et gazeuse, accessibilité facile dans le principe, il « suffit » de percer un trou dans le sol, et prix dérisoire* ayant permis le développement sans freins d'une économie fondée sur le machinisme généralisé.

* ( Il s'agit du prix hors taxe bien entendu )

Il n'existe sur la planète aucune autre source d'énergie présentant tout ces avantages simultanément.

Les seuls inconvénients de ces énergies fossiles sont le caractère limité de leurs réserves, et les émissions de CO2 liées à leur utilisation.

Pour l'une ou l'autre de ces raisons, il est devenu vital d'en abandonner l'usage.

( Même si l'on savait neutraliser le CO2 émis, il faudrait quand-même gérer leur épuisement...).

En dehors des fossiles, les autres sources d'énergie exploitables industriellement connues aujourd'hui sont le solaire, l'éolien, l'hydrolien, la géothermie, la biomasse, et le nucléaire.

( Pour l'avenir on peut également sous toutes réserves, parler de l'Hydrogène naturel dont l'existence est prouvée mais sans encore de certitude d'une possibilité d'exploitation industrielle à moyen terme. A revoir en 2040).

Ces sources d'énergie sont inépuisables puisqu'elles correspondent non pas à des réserves comme les fossiles, mais à des flux, ou à une présence comme minerai, au même titre que les autres minerais extraits du sol.

Toutes ces sources alternatives sont déjà en exploitation et contribuent aujourd'hui à hauteur de 20% des besoins mondiaux.

( Le mix énergétique étant très variable d'un pays à l'autre)

Compte tenu des besoins énergétiques colossaux de la planète, toutes ces énergies alternatives devront être mises à contribution pour espérer suffire à satisfaire les besoins de remplacement des fossiles.

Il va de soi que ce changement de portage devra s'accompagner d'une réforme des usages orientée vers une optimisation de l'efficacité énergétique à tous les niveaux.

( Eteindre la lumière en sortant des toilettes ne suffira pas, il nous faudra réformer drastiquement toutes nos habitudes, et remplacer la notion de « consommation »  par celle de « besoins » )

Dans la panoplie des énergies renouvelables, le solaire et l'éolien semblent devoir jouer un rôle essentiel.

Or ces deux sources présentent des caractéristiques particulières qui les différencient des fossiles et qui exigent un traitement particulier :

D'une part elles produisent de l'électricité, et non pas de la chaleur.

D'autre part cette électricité n'est pas directement stockable sauf en petites quantités.

Enfin leur production est intermittente, selon l'ensoleillement et le régime des vents.

Une grande partie des applications qui fonctionnent aujourd'hui avec les énergies fossiles devront donc être converties à l'électricité ( mobilité, chauffage des bâtiments, etc) et surtout s'accommoder du caractère intermittent de ces sources.

( Lorsqu'il s'agit de conversion à l'électricité, on pense bien sûr à l'automobile, alors que le challenge est beaucoup plus vaste puisqu'il concerne les transports en général, la climatisation des locaux, les engins de chantiers et de terrassement, la génération de chaleur dans l'industrie, l'agriculture et le bâtiment, ce qui entraînera une augmentation considérable de la demande d'électricité, bien souvent oubliée dans les prévisions).

Aujourd'hui les applications concernées sont conçues pour une énergie disponible sans intermittence, et en quantité illimitée.

( Imaginerait-on un réseau ferré dont les trains ne fonctionneraient que s'il y a du vent ou du soleil?)

L'intermittence inévitable doit donc être compensée pour éviter cette dépendance aux conditions météo.

La compensation de l'intermittence peut emprunter deux voies :

Soit développer un système de stockage de l'énergie électrique.

Soit conserver le principe de production de base pilotable à partir de centrales thermiques utilisant du combustible décarboné.

Les besoins sont tellement importants qu'il paraît nécessaire de prendre les deux voies.

Les moyens technologiques de stockage de l'énergie électrique sont connus : Les STEP, la filière Hydrogène, les batteries.

Les batteries ne représentent qu'une très faible capacité de stockage par rapport aux besoins d'un réseau. Elles ont leur utilité pour des besoins locaux, à l'échelle de quelques heures.

Les STEP peuvent avoir une capacité d'intervention plus importante, mais sans dépasser le niveau hebdomadaire.

Les grands barrages peuvent avoir une capacité pluri-hebdomadaire, mais leur implantation présuppose un terrain propice.

( En France il n'y a plus d'emplacement disponible. Le temps n'est plus où l'on pouvait noyer des vallées pour construire des barrages. De plus les barrages ne peuvent servir à la fois pour la production et le stockage!!)

Quant à la filière Hydrogène, elle est prometteuse, mais doit encore faire ses preuves en utilisation réversible ( Pile à Hydrogène de très forte puissance). Elle est néanmoins un espoir important, compte tenu des gros besoins industriels en Hydrogène.

La deuxième voie, celle des centrales thermiques pilotables à faible empreinte CO2, existe déjà également.

Ces centrales fonctionnent soit au combustible Nucléaire, soit avec de la biomasse.

Leurs capacités d'intervention dépendent également des possibilités de stockage du combustible.

Pour la biomasse on se sait pas ( Manque d'études dans ce sens ).

( Le caractère décarboné de la biomasse est discutable. L'agroforesterie à but énergétique crée un conflit avec les besoins alimentaires et peut encourager la déforestation. Et les biocombustibles de troisième génération n'ont pas encore fait leurs preuves).

Pour le nucléaire, le stock est de plusieurs années, puisqu'il est composé du combustible présent dans les réacteurs, du combustible en attente d'être chargé, du combustible en cours de fabrication, du produit de base (Yellow cake) en stock, et bien entendu du minerai présent dans le sol.

En dehors des fossiles, le seul combustible stockable sur plusieurs années est donc le nucléaire.

( Quant à la vulnérabilité de l'accès aux sources de minerai d'Uranium, elle n'est pas pire que celle de l'accès au pétrole ou au Gaz, voir l'actualité).

Ce constat, purement technique, n'enlève rien aux inconvénients de la technologie nucléaire:

Risques d'accidents, démontrés hélas à plusieurs reprises.

Pollution radioactive de très long terme par les déchets après usage.

Vulnérabilité au terrorisme.

Sauf démonstration contradictoire justifiée, le nucléaire est la seule technologie décarbonée apte à fournir une production de base pilotable, donc la seule permettant d'exploiter le solaire et l'éolien dans devoir imposer un régime d'utilisation aléatoire.

Cela dit, on a parfaitement le droit (encore que...) de décider de choisir ce régime dans lequel l'économie du pays fluctuerait au rythme de la météo...Ou de l'amabilité des pays voisins qui voudraient bien nous vendre de l'électricité, mais à quel prix ?

Plus que jamais notre intoxication énergétique nous place devant un choix de civilisation :

A la question : Avons-nous besoin du nucléaire ?

La réponse est oui, si nous voulons continuer sur la voie de la boulimie énergétique.

La réponse est non, si nous acceptons de suivre une cure de désintoxication énergétique.

Question subsidiaire :

Qui se chargera d'appliquer le protocole de désintoxication ?

Les énergies fossiles, çà va bien merci...

21 Octobre 2021

Après plusieurs décennies de mises en garde, de mobilisation, de COPxxx, d'incitations, de démonstrations, de planifications, et finalement de menaces, on pourrait penser que les jours des énergies fossiles étaient comptés et que leur élimination n'était plus qu'une question de quelques années.

La prochaine COP 26 devrait donc être un communiqué de victoire et une célébration du triomphe de la vertu décarbonée sur l'infernal trio pétrole-charbon-gaz naturel.

Mais avant d'ouvrir les bouteilles de champagne, il nous a paru utile de visiter le champ de bataille et de compter les victimes.

En matière d'énergies fossiles, et comme en toutes choses, il vaut mieux s'adresser au bon Dieu qu'à ses saints, en l'occurrence voyons comment l'OPEC nous parle du présent et envisage l'avenir de ces énergies qui sont censées tisser le linceul de notre civilisation.

Cette auguste confrérie publie chaque année un état de l'Energie dans le monde. Ce document est accessible en libre service :

https://woo.opec.org/pdf-download/

Sa lecture est recommandée ; son contenu n'est pas une bible, il est simplement une vue panoramique à travers des lunettes teintées aux couleurs des producteurs d'énergie.

Il comporte deux parties importantes :

D'abord un état des lieux. Où en sommes-nous aujourd'hui, quelle a été l'évolution au cours des dernières décennies, nos prévisions d'il y a dix ans ont-elles été confirmées, quelle est la tendance ?

Ensuite quelles sont nos prévisions pour 2045, et sur quoi sont-elles fondées ?

En 2020 la demande mondiale d'énergie primaire s'est élevée à environ 100 000 mboe.

( mboe = millions barrels oil equivalent ).

Sur cette quantité, 80% sont des énergies fossiles donc fortement émettrices de CO2.

Cette suprématie toujours écrasante après plusieurs décennies de promotion de la transition énergétique montre, s'il en était encore besoin, ce qu'il faut bien appeler l'échec de la tentative de remplacement des fossiles par des énergies nouvelles décarbonées ou à carbone recyclable.

La leçon à tirer est que les démonstrations, les exhortations, les appels aux bons sentiments et à l'amour de la Nature, se sont révélés impuissants à obtenir le début du commencement d'un résultat significatif au niveau mondial.

La difficulté de la tâche a été largement sous-estimée; les résultats encourageants obtenus dans certaines régions développées ont servi de faire valoir à une absence de stratégie mondiale, les pays du « Sud » étant davantage préoccupés de leur survie et des conditions de cette survie, que de la qualité de l'énergie qui leur permet un minimum de développement, et qui est disponible sur le marché à guichets ouverts.

Quant aux pays du Nord, ils ont préféré continuer à exploiter la manne fossile en se préoccupant davantage de leur cash-flow immédiat que d'investir pour un avenir qui ne les concerne pas immédiatement.

Notre économie libérale capitalistique ne convient manifestement pas aux entreprises humanitaires, les niveaux du Dow Jones sont plus attractifs que le taux du CO2.

Le temps est donc venu d'envisager un angle d'attaque plus efficace, ou bien simplement d'attendre que la transition espérée nous soit imposée dans la douleur par la disparition « naturelle » des réserves de combustible du sous-sol.

Non pas que les énergies renouvelables n'existent pas, la preuve a été faite de leur faisabilité.

Mais leur présence est encore si parcimonieuse* que l'on peut se demander s'il existe vraiment une volonté mondiale d'en étendre rapidement l'utilisation, ou bien si cette démonstration de savoir-faire n'était qu'un business supplémentaire capteur de financements.

* La part des énergies nouvelles décarbonées ( Solaire et Eolienne ) ne représentent en 2020 que moins de 2,5 % de la demande mondiale !!!

(La biomasse, l'Hydraulique, et la Géothermie ne sont pas des énergies nouvelles, elles sont exploitées depuis la nuit des temps et leur part est de 13%.

Quant au Nucléaire, on sait ce qu'il en est...)

Cet état des lieux plutôt navrant, mais réaliste ( les chiffres peuvent être vérifiés facilement) est plutôt inquiétant dans la mesure où l'on pouvait s'attendre à voir des signes de reflux de la domination des fossiles après plusieurs décennies de mobilisation des pouvoirs publics en faveur de leur éviction.

Qu'en est-il des prévisions* de l'OPEC  pour 2045 ?

Comme toutes prévisions, celle-ci peuvent n'être que des prédictions,parfois autoréalisatrices.

La demande mondiale d'énergie augmentera de 28%.

Compte tenu de la croissance démographique, de la croissance de l'économie des pays en voie de développement, et de la généralisation de la technologie, et même en tenant compte des progrès de l'efficacité énergétique, une croissance de 1% par an paraît raisonnablement envisageable.

Dans le mix énergétique mondial, les fossiles resterons majoritaires à 70%.

La baisse de 10% concernera le charbon. Cette baisse sera compensée par la croissance des renouvelables.

Le Pétrole et le Gaz conservent leurs positions.

La part des énergies renouvelables passera de 15% à 24%.

La croissance se fera essentiellement sur le Solaire et l'Eolien.

L'Hydraulique et la biomasse progressent doucement.

La part du Nucléaire passera de 5 % à 6%.

Malgré une croissance en volume de 53%.

Cette image de ce que pourrait être le mix énergétique selon l'OPEC ne reflète pas l'ambition des pays développés de se débarrasser des fossiles.

( A moins que cette ambition ne soit qu'un vague souhait n'engageant pas les Etats au-delà d'une adhésion de principe subordonnée à leurs intérêts à court terme...).

La croissance en volume des renouvelables ( de 41,5 mdoe/d en 2020 à 84,1 mdoe/d en 2045 , soit +100%) sera en grande partie « absorbée » par l'augmentation de la demande.

Ce panorama traduit la prépondérance écrasante des fossiles, et l'impuissance des renouvelables à seulement combler l'augmentation de la demande énergétique.

Bien sûr on peut toujours contester les chiffres et considérer ces prévisions comme une version fantaisiste d'un scénario fiction qui pourra être remanié par d'autres auteurs plus optimistes.

La COP 26 devra porter un jugement sur ce constat et, en cas de confirmation, aviser de la suite à donner à ce grand remue-ménage transitionnel qui ne remue finalement pas grand'chose.

Tesla M3, jusqu'où pousser les limites de la voiture électrique?

10 Octobre 2021

Lorsqu'une entreprise veut aborder un créneau dans lequel elle ne possède aucune expérience, elle prend évidemment un risque, mais bénéficie d'un avantage qui est son absence des lourdeurs qui plombent le dynamisme d'une ancienne « maison ».

Lourdeurs du management, d'une technologie basée sur une expérience sûre mais ancienne, d'approches commerciales trop traditionnelles, d'une position sur le marché qui lui impose des résultats à la hauteur de son poids, d'une réputation qu'il ne faut surtout pas compromettre, d'une retour d'expérience certes abondant, mais peu adapté à l'innovation.

Le passage à la voiture électrique a fait l'effet d'un coup de pied dans une fourmilière.

Reconstruire la fourmilière sur des bases anciennes, mais qu'il faut quand même conserver tout en faisant une nouvelle fourmilière plus moderne, c'est une tâche ardue .

Mais, là où il n'y avait pas de fourmilière, il y a place pour faire un nouveau bâtiment en partant de zéro.

Mais il faut oser.

Et surtout en l'occurrence, trouver des investisseurs qui acceptent de monter dans le bateau sans avoir de gilet de sauvetage.

S'installer fabricant d'autos, et en plus électriques, sur un marché déjà plus ou moins à la ramasse, c'était prendre un risque certain, sauf si l'on choisit un secteur en dehors du marché de masse, et si l'on est capable de frapper un grand coup, quitte à repousser à plus tard l'entrée dans le marché de Monsieur tout le monde.

Ce fut, plus ou moins, le pari de Tesla, qui a mis sur le marché des véhicules de « derrière les fagots » jugés fort improbables par le tribunal des anciens.

Là où l'ancienne stratégie aurait commencé par électrifier le bas de gamme ( genre Zoé ), Tesla à plutôt visé le marché du haut de gamme.

La Tesla M3 est l'aboutissement de cette démarche, une sorte de vitrine du savoir-faire destinée à placer la barre assez haut pour appâter les amateurs fortunés qui amorceront la pompe à succès de la grande diffusion avec des modèles plus « raisonnables ».

Sur le type de produits susceptibles de tirer l’œil de l'acheteur de la croisette il faut, en dehors du confort et du clinquant habituel, offrir des performances « définitives », en l'occurrence une vitesse max et une accélération à en rester baba. Et justement l'électrique se prête très bien à ce petit jeu.

Pour accélérer « à mort »* sur un véhicule, il faut deux choses :

D'une part un couple très important, en rapport avec la masse de la voiture, et d'autre part des roues et des pneus capables d'encaisser ce couple et d'en faire quelque chose d'utile.

*  « à mort » signifie ici jusqu'à atteindre la limite de l'adhérence des pneus sur la chaussée.

En formule 1 on obtient ces conditions en réduisant le poids de la voiture et en adoptant des roues motrices de grand diamètre équipées de pneus à fort coefficient d'adhérence ( et très courte durée de vie), et on ajoute un aileron pour faire bonne mesure , pour appuyer derrière afin de rester sur la piste.

Astuces impossible à adopter pour un véhicule personnel devant trimballer une énorme batterie de quelque centaines de kilos et quelques passagers...

Ici pas d'aileron arrière, pas de roues « nascar », il ne faut pas effrayer la clientèle ; les roues sont beaucoup plus petites, le poids beaucoup plus élevé, et les pneus sont d'une qualité compatible avec la durée mais avec un coefficient d'adhérence en rapport.

La M3 est une sorte de Légo qui permet de constituer soit une voiture pour épater la croisette, soit la voiture de Monsieur tout le monde, soit celle du rouleur qui cherche une grande autonomie.

Mais avec une exigence : le modèle de Monsieur tout le monde doit offrir des performances que n'ont pas les électriques des « autres », c'est-à-dire une autonomie convenable, une accélération de haut de gamme et surtout une vitesse de pointe suffisante pour aller sans honte sur l'autoroute.

Une autre innovation stratégique du constructeur fut de comprendre dès le départ que l'autonomie serait un point délicat, que seul un réseau de charge rapide pourrait corriger.

Vendre la voiture avec le réseau de charge, il fallait le faire... Ils l'ont fait.

Quant à savoir si ce coup d'éclat aura des suites sur le marché de masse, seul l'avenir nous le dira.

Voyons un peu le modèle de Monsieur tout le monde, la M3 « Standard ».

- Masse : 1 625 kg ( 1800 kg avec deux personnes )

- Un seul moteur, à 'arrière (!)

- Puissance : 240 kW ( 325 CV)

- Couple : 420 Nm

( On comprend mieux pourquoi le moteur est à l'arrière!)

- Vitesse max 225 km/h

( Voilà qui règle le problème des 130 km/h!)

- Accélération : 0 à 100 km/h en 5,6 s

- Roues : Diam 65,8 cm avec pneus 245/35*

*Il y a plusieurs variantes de diamètres de roues et de pneus ( ici 19 pouces).

- Rapport de transmission aux roues : 9,7

( En deux étages : 3,11 de l'axe moteur à la couronne intermédiaire, et 3,11 ver la couronne du différentiel)

- Cx = 0,23 ( Rétroviseurs repliés!)

A 100 km/h, le régime de rotation des roues est de 805 tr/min, pour le régime moteur de

805 x 9,7  = 7833 tr/min,

Ce qui est une valeur « raisonnable » à 100 km/h pour un moteur électrique de bonne facture.

Mais, à 225 km/h, le régime atteint 7833 x 2,25 = 17624 tr/min.

( Puisqu'il n'y a qu'un seul rapport )

Cette valeur très élevée montre que Tesla a utilisé les technologies les plus avancées pour réaliser ce moteur.

( Notamment celles qui sont utilisées en formule E, comme des roulements en céramique et un système de refroidissement perfectionné et rotor avec aimants noyés )

Les roulements du rotor sont l'un des principaux obstacles aux régimes très élevés.

Le fabricant de ces roulements « hors normes » précise que 18 000 tr/min constitue la limite, à condition que le système de refroidissement soit très efficace.

( Heureusement la M3 ne roulera pas souvent à 225 km/h, à part dans le catalogue. La capacité de la batterie mettra rapidement fin à la démonstration...Si le moteur n'a pas explosé avant).

Mais commercialement il fallait afficher des performances au moins aussi « bonnes » que les thermiques de même catégorie.

Note :

A voir ces acrobaties mécaniques coûteuses, on comprend l'intérêt de monter une boîte deux vitesses, pour préserver la vie du moteur dans les conditions autoroutières !

Gageons que Tesla y viendra un jour ou l'autre.

Pour propulser la M3 à 225 km/h, il faut une certaine puissance, pour vaincre la résistance de l'air et les forces de frottement.

La résistance de l'air varie comme le carré de la vitesse, le maître-couple S, et le Cx qui dépend de l'aérodynamisme.

Avec S = 2 m² , Cx = 0,23 et V = 62,5 m/s, on obtient une résistance de l'air de 1800 Newton, auxquels il faut ajouter 30% *environ pour la résistance de roulement, soit en tout 2340 Newton.

donc une puissance de 2340 x 62,5 = 146250 W soit 146 KW.

*Approximatif
A cette valeur « nominale » il faut ajouter 30 à 40% de marge pour tenir compte de la charge et d'une pente éventuelle, ce qui donne plus ou moins 200 à 240 kW.

C'est le cas de la M3 Standard. Au diable l'avarice.

Le couple au démarrage doit correspondre à l'accélération recherchée pour obtenir les performances voulues.

( Cette affirmation emprunte un peu à Monsieur de La Palice )

Pour la M3 standard, on vise 0 à 100 km/h en 5,6 s. ( voir catalogue M3 )

L'accélération nécessaire est donc de 5,1 m/s/s

( Accélération = Vitesse / Temps )

La masse à propulser est d'environ 1 800 kg. ( moyenne entre poids à vide et en charge)

La force de propulsion de base nécessaire est donc de 9 180 Newton

( Force = Masse x Accélération)

A cette force de propulsion de base il faut ajouter la force de compensation de la résistance de l'air et des frottements de roulement, qui sont nuls au départ mais conséquents à 100 km/h.

Nous évaluons cette part à 30%.

( Et davantage si la route est en pente...)

La force totale nécessaire sera donc de 11 930 Newton en conditions moyennes.

Cette force est répartie entre les deux roues motrices et se trouve appliquée au contact des pneus avec la route.

Avec des roues de 65,8/2 = 32,9 cm de rayon*, le couple total nécessaire est de 3 924 Nm.

( Couple = Force x levier )

Avec un rapport de transmission de 9,7 le couple moteur devra donc être de 405 Nm environ.

( Le catalogue indique 420 Nm).

La puissance, le couple, et le régime de rotation sont liés par la formule suivante :

P = 0,1 ( R x C )

P en Watt

R en tours/minute

C en Newton.mètre

A 18 000 tr/min, on obtient 730 kW ! Le moteur aura explosé bien avant.

Le défluxage intervient bien avant pour réduire le couple à haut régime et travailler dans une zone à puissance constante, inférieure au max que peut supporter le moteur.

( Le régime et la puissance du moteur sont évidemment limités par l'électronique de contrôle du convertisseur onduleur).

A partir de la M3 « standard », Tesla a décliné plusieurs versions :

La version « performance » équipée de deux moteurs pour obtenir le 0 à 100 km/h en 3,3 secondes.

( sans grand intérêt pour un usage normal)

la version « Grande autonomie » pour aller plus loin en conservant des performances de bon niveau.

Le cahier des charges qui correspond à la Tesla M3 se retrouve sur la BMW i4 e Drive 40 :

Puissance : 250 kW ( 340 cv )

Couple : 430 Nm

Poids : 2 000 kg

Accélération : 0 à 100 km/h en 5,7 s

Avec une vitesse max de 190 km/h contre 225 km/h pour la M3.

Sans surprise on retrouve les mêmes valeurs de puissance et de couple puisque les buts recherchés sont les mêmes ( 0 à 100 km/h en 5,7 s pour des masses quasi semblables)

Sur la BMW la vitesse max est affichée plus faible ( 190 contre 225 ), mais ceci est probablement dû à la recherche d'une fiabilité en rapport avec le renom de la marque ( le  régime moteur max est affiché à 17000 tr/min, peu différent de la M3)

A l'autre bout de l'éventail on trouve des modèles comme la Renault ZOE 135.

Puissance 100 kW ( 135 CV )

Couple 225 Nm

Accélération 0 à 100 km/h en 9,5 s

Vitesse max 140 km/h

Poids 1500 kg à vide

Rapport de transmission 9,3

Régime moteur max 11 300 tr/min

Coefficient de traînée (Cx) 0,29

Roues de 16 pouces

Pneus 195/55/R16

A partir de ces deux extrémités les constructeurs devront naviguer sur un océan de technologie très évolutive. Les organes principaux ( Moteur, convertisseur, transmission, batterie) sont et resteront longtemps sujets de recherches et d'optimisations se traduisant par un renouvellement fréquent des modèles.

Les changements ne seront pas seulement cosmétiques ( comme c'est souvent les cas aujourd'hui pour les modèles thermiques) mais affecteront profondément les performances, l'autonomie, le rendement énergétique, et la fiabilité.

Pas de quoi rassurer le futur client...Il faudra innover aussi dans l'approche commerciale.

Le rendement des voitures électriques.

30 Septembre 2021

Les voitures électriques à batterie (VEB) sont réputées très économes en énergie, surtout si on les compare à leurs homologues à pétrole.

Ces compliments sont généralement confortés par l'évocation de rendements moteurs impressionnants, jusqu'à 98 %, de nature à couper court à toute question gênante.

Sans être complètement fausses, ces performances ne sont pas totalement vraies, comme d'ailleurs les informations diffusées par certaine presse le doigt coincé entre les impératifs de la publicité mère nourricière et la volonté d'informer l'usager soucieux d'y comprendre quelque chose.

Ce qui conduit le lecteur au premier degré à s'imprégner d'une réalité alternative qui se révèle décevante lorsqu'elle est confrontée au monde réel. Mais ne nous égarons pas...

Heureusement l'initié sait que dans la « vraie » vie il n'existe pas de rendement de 98% pour un processus complexe d'échange d'énergie, comme peut l'être une propulsion électrique.

Certes, notre moteur électrique est impressionnant d'efficacité lorsqu'il est placé en laboratoire sur un banc de mesures, et placé dans les conditions idéales pour donner le meilleur de lui-même.

Dans le relevé couple-régime on va bien trouver une zone, plus ou moins étendue, où le rendement sera très élevé .

Mais les pertes Joules, les pertes magnétiques, les pertes par commutation et les pertes par courants de Foucault sont hélas inévitables et sont loin d'être négligeables à fort courant et haute fréquence ( plus de 10 000 tr/min à 120 km/h ).

Et un banc de mesure n'est pas une voiture, faut-il le préciser.

Pour faire avancer l'auto, il faut adjoindre au moteur « quelques » accessoires indispensables afin de constituer une chaîne de propulsion :

Batterie + Convertisseur onduleur triphasé + Moteur proprement dit + Variateur ou réducteur + Transmission + Pneumatiques.

A ces organes de base il faut ajouter deux ou trois choses qui ne contribuent pas à la propulsion, mais vont consommer « un peu » d'énergie :

Pompe de circulation de liquide de refroidissement pour évacuer la chaleur de la batterie, du convertisseur, et du moteur.

Moteur du ou des ventilateurs de refroidissement.

Pompe du compresseur d'huile du circuit de freinage.

Pompe du circuit de direction, ou moteur électrique s'il y a lieu.

Electronique de gestion du groupe moteur-convertisseur.

Electronique de gestion de la communication.

(Et selon les circonstances, éclairage, essuie-vitres, climatisation).

En sorte que l'énergie fournie par la batterie se trouve amputée d'une quantité non négligeable avant d'arriver jusqu'au contact des pneumatiques avec la route.

Le DOE ( US Department Of Energie ) a fait réaliser une étude de l'efficacité énergétique des véhicules et en particulier de la voiture électrique en usage moyen et en usage autoroutier.

( Ref : https://www.fueleconomy.gov/feg/atv-ev.shtml)

A consulter pour les détails.

Sur autoroute le rendement est de l'ordre de 75%, compte non tenu des pertes d'énergie lors du chargement de la batterie.

On voit que nous sommes très loin des 95% annoncés parfois ici et là dans les magazines, du moins en France.

Ces valeurs sont essentielles car elles impactent directement l'autonomie du véhicule à batterie.

(Mais si nous voulons connaître l'efficacité énergétique « du puits à la roue », il faut tenir compte de l'efficacité du procédé qui a permis d'obtenir cette électricité, de la transporter jusqu'au point de distribution, et des pertes du système de chargement de la batterie.

En première approximation on peut évaluer ces pertes supplémentaires entre 10 et 20% pour de l'électricité verte, ce qui ramène le rendement énergétique global à 60% environ.

Ce qui demeure encore très supérieur à l'efficacité énergétique d'un véhicule thermique à carburant fossile (20à 25%).

Nous n'avons pas examiné le cas d'un véhicule électrique alimenté par de l'électricité provenant d'une centrale thermique alimentée en combustible fossile, ce cas étant évidemment absurde, Mais probablement fréquent actuellement, l'électricité étant « encore » majoritairement produite dans le monde à partir des fossiles).

Ce rendement (moyen) de 75% de la voiture électrique sur autoroute se détériore rapidement si la vitesse dépasse la limite conseillée par le constructeur ( généralement 120 km/h ).

Mais ce rendement peut être encore amélioré; il est le résultat d'un compromis entre les performances et la rentabilité sur un marché fortement concurrentiel.

Les prochaines années seront donc marquées par une forte évolutivité de la technologie, avec deux objectifs :

D'une part atténuer, voire supprimer, les principaux handicaps de la voiture électrique qui sont l'insuffisance de l'autonomie, le temps excessif de recharge des batteries, et la détérioration des caractéristiques à haute vitesse.

D'autre part réduire les coûts et promouvoir la compatibilité avec la recharge rapide @ 350 kW, seule capable de faire sauter les verrous de l'accès aux trajets longues distances sur autoroutes .

Pour cela il faudra travailler sur tous les aspects du véhicule électrique et de son environnement :

La batterie : Réduction du poids et du coût, augmentation de la capacité ( Vers 150 kWh utiles ) et compatibilité avec la charge rapide 30 minutes sur bornes de 350 kW ( régime 2C ), évolution vers 800 V et amélioration de la tenue à basse et haute température.

Le convertisseur onduleur triphasé : Migration vers l'utilisation des composants SiC pour améliorer nettement le rendement et la tenue en température.

Les moteurs : Réduire les pertes et améliorer les rendements à hauts régimes.

La transmission : évaluer différentes solutions sous l'aspect rendement, performances et coûts. Envisager une boîte de vitesses dans le bilan coût-performances.

e foisonnement de nouvelles idées conduit à un renouvellement rapide des gammes, peut-être générateur d'obsolescence prématurée pour des modèles relativement récents, mais indispensable à l'évolution du véhicule électrique vers des caractéristiques non restrictives.

Avec la technologie d'aujourd'hui, un véhicule électrique compatible avec l'usage autoroutier n'existe pas, sauf à accepter les contraintes d'arrêts fréquents pour recharge et de limitation de la vitesse à cause des baisses de rendements et donc d'autonomie.

Dans quelques (?) années ces contraintes seront surmontées grâce aux batteries de plus forte capacité, aux progrès de la technologie qui permettra des vitesses élevées sans grosses pertes de rendement, et à l'existence d'un réseau de bornes de charge rapide.

Dans ces améliorations, la réduction du poids et le travail sur l'aérodynamique joueront un grand rôle.

Mais ces véhicules seront, et pour longtemps encore, des véhicules haut de gamme qui pourront certes couvrir tous les usages locaux et autoroutiers, mais hors de prix pour l'usager moyen qui devra « se contenter » d'un véhicule qui ne permettra pas l'usage autoroutier « normal ».

Comment résoudre ce problème ?

Aujourd'hui la solution appliquée est celle du véhicule hybride rechargeable.

Mais l'ambiguïté du terme laisse place à des abus. Entre le véhicule nativement électrique équipé d'un petit prolongateur d'économie thermique, et le véhicule nativement thermique équipé d'une minuscule batterie permettant quelques km d'autonomie électrique, il est possible de décliner tout une gamme de moutons à cinq pattes conçus davantage en fonction du prix de vente possible que des performances réellement utiles.

Cette pseudo solution pourra néanmoins être utile quelques années*, mais sans constituer une solution pérenne puisque les moteurs thermiques, petits ou grands, seront interdits à la vente en 2040 (ou 2035?).

*Sauf si les pouvoirs publics y mettent rapidement un terme, sachant que la plupart de ces véhicules PHEV seront le plus souvent alimentés avec du pétrole.

La mise au ban des véhicules hybrides nous ramènerait alors au problème initial du véhicule VEB à tout faire, qui deviendrait le nouveau Graal qui donnerait à son découvreur une suprématie commerciale incontestable.

Ces problèmes de rendement ne sont donc pas secondaires, puisque le challenge de la voiture à tout faire passe par la recherche de rendements suffisamment élevés pour offrir à la fois l'autonomie, la vitesse, et les possibilités de recharge compatibles avec l'usage autoroutier.

De plus, un rendement élevé réduit les pertes de chaleur et donc permet un meilleur compromis coût-performances.

Si l'aboutissement du VEB vers une solution « tout-terrain » pleinement satisfaisante tarde trop, il n'est pas impossible que la solution à Hydrogène et pile à combustible prenne la relève sous forme d'une part de marché importante grâce à son avantage sur le terrain de l'autonomie et du temps de recharge, qui sont les deux gros points faibles du véhicules électrique à batterie.

Tout dépendra de la réussite, ou de l'échec, de la filière Hydrogène.

A voir avec Madame Irma...

La voiture électrique, le moment de repenser la mobilité ?

15 Septembre 2021

La voiture électrique se bat depuis dix ans avec les problèmes d'autonomie et de recharge des batteries sans arriver à trouver une solution compatible avec nos habitudes de « consommer » la mobilité.

Une grosse batterie est nécessaire pour tenter d'égaler l'autonomie des thermiques, mais c'est nettement plus cher, le temps de recharge est trop long, le réseau de recharge à forte puissance est aux abonnés absents, et le poids élevé des batteries pénalise le rendement énergétique en usage journalier.

Une petite batterie supprime ces inconvénients mais interdit l'accès aux grands espaces.

Retour à la case départ.

Ce dilemme est aujourd'hui un sérieux frein au développement du marché. Bien sûr l'artifice de la voiture hybride rechargeable tente de camoufler le problème, mais d'une part son coût en limite le développement, et d'autre part dans la réalité ce n'est qu'une voiture à pétrole vaguement peinte en vert.

Les experts européens ne s'y sont pas laissés prendre puisqu'ils en programment l'interdiction au même titre que les thermiques.

Quant à acquérir deux voitures électriques, l'une pour la ville, l'autre pour l'autoroute, les gens aisés y ont déjà pensé, mais la modestie du salaire moyen de nos compatriotes leur interdit l'accès à ce luxe réservé à quelques « happy few *».

*Encore faut-il qu'ils s'accommodent de la corvée de recharge d'une batterie de 150 kWh sur une borne de 50kW ou moins, à supposé qu'elle ne soit pas déjà occupée ou bridée en puissance comme c'est souvent le cas....

Le problème de la poule et de l’œuf n'ayant jamais été résolu, on peut craindre que, transposé ici, il ne trouve pas davantage de solution.

Aussi d'autres procédés sont-ils à l'étude, conservant le principe de la propulsion électrique, mais transportant l'énergie nécessaire par exemple sous forme d'Hydrogène comprimé à 700 kg dans des bouteilles ad-hoc; l'Hydrogène est ensuite transformé en électricité grâce à une pile à membrane pour alimenter le moteur (PEMFC).

Il va de soi que seul de l'Hydrogène vert peut être utilisé.

Mais, alors que l'électricité verte est déjà disponible sur le réseau existant, l'Hydrogène vert n'est encore qu'une promesse de l'avenir ( Electrolyse de l'électricité renouvelable ) et ne dispose pas de réseau de distribution à grande échelle.

L'Hydrogène permettra de résoudre deux problèmes : l'autonomie et le temps de rechargement. Mais il en créera certainement d'autres...A voir après 2030.

On voit ainsi que remplacer le pétrole par de l'électricité est certes un objectif incontournable, mais l'opération s'avère plus compliquée que sur le papier dans les bureaux des prévisionnistes.

Peut-être sera-t-il nécessaire de se ménager une période intermédiaire d'adaptation de dix à vingt ans au cours de laquelle la transition technologique pourra s'effectuer autrement qu'à la hussarde, le temps peut-être de repenser notre système de mobilité.

Vingt ans, cela nous mène à 2040, date à laquelle tous les moteurs thermiques seront censés avoir disparu des catalogues.

Mais les voitures à pétrole n'auront pas pour autant disparu de nos routes. Toutes celles qui auront été achetées neuves avant 2040 continueront à rouler bien après, puisque la durée de vie d'un tel véhicule est de l'ordre de quinze ans.

Sauf si la réglementation*, le prix du carburant, et la taxe carbone, se coalisent pour obtenir un effet suffisamment dissuasif pour accélérer la mort du thermique.

* La généralisation des ZFE aurait un effet dissuasif certain.

Les besoins de mobilité sont étroitement dépendants de nos modes de vie bien sûr, mais également de notre façon d'occuper le territoire, les deux étant liés.

Les modes de vie et d'occupation du territoire ne se modifient pas en vingt ans, il faut plutôt compter en génération(s), puisque sont concernés la dissémination de l'habitat, les voies de communication, la couverture du territoire par les moyens de communication dématérialisés (voir problème actuel des zones blanches versus le télétravail ), les moyens de transports collectifs, les points desservis, le coût de l'énergie, le coût des logements, l'évolution des niveaux de vie, le maillage des services publics, la dématérialisation des services publics et des services de santé, l'éloignement des centres de décision, la géographie des établissements d'enseignement, l'évolution de l'illectronisme, etc, etc...

Il ne suffit pas de savoir comment on va se déplacer, mais aussi pourquoi ; également faire la part des déplacements contraints et des déplacement de loisirs, des déplacements individuels et des déplacements collectifs et familiaux.

Acquérir une voiture électrique plus ou moins sous la contrainte de la réglementation, et l'utiliser dans un environnement entièrement conçu pour les voitures à pétrole risque de confronter l'usager à des problèmes inédits avec un impact négatif sur de nombreux aspects de la vie quotidienne.

Pour les déplacements locaux et/ou journaliers de quelques dizaines de km, une voiture électrique moyenne équipée d'une batterie de 20 kWh suffira amplement, mais ne permettra pas les voyages de quelques centaines de km dans des conditions normales qui vont exiger une batterie de 100 à 150 kWh correspondant à un autre type de véhicule et un autre coût, alors qu'un véhicule thermique, même bas de gamme, peut aujourd'hui convenir aux deux usages.

Ceci pose dès le départ un sérieux problème de choix qui impactera lourdement le budget :

Soit acheter d'emblée un modèle conçu pour tous usages y compris l'autoroute, mais d'un prix inabordable pour un petit budget.

Soit acheter un modèle conçu pour les déplacements locaux, de budget très inférieur, mais comment assurer les quelques déplacements en province pour les vacances ou les visites familiales, avec nécessité d'un véhicule à destination ?

Il n'y a que deux solutions : la location d'un véhicule adapté, pour la durée du voyage, ou le train avec taxi au départ et petite voiture de location à l'arrivée. Les deux solutions représentent un surcoût significatif pour un déplacement familial.

Il y a bien sûr la solution idéale du train auto-couchette, qui existait autrefois, mais c'était au bon vieux temps ...et très onéreux.

Il y a donc un réel problème, pour lequel il n'est pas possible aujourd'hui d'entrevoir la solution satisfaisante, surtout pour les petits budgets.

Les transports collectifs existants : taxis, tramways, Bus, trains, métro, avions, ont montré leurs limites dans le mode de vie et d'occupation du territoire des sociétés actuelles. Malgré leur développement indéniable mais perfectible, les usagers continuent d'utiliser la voiture individuelle pour les avantages que n'offrent pas les transports collectifs :

Liberté totale du choix des itinéraires, des horaires, des points d'arrêts, y compris à l'étranger, déplacements point à point assurés sans l'obligation de recourir à des moyens intermédiaires (taxi, bus, métro), accessibilité illimitée de tous les points du territoire, possibilité d'emporter des charges importantes et/ou encombrantes, de pratiquer le covoiturage, couverture totale du territoire en point de ravitaillement en combustible pétrolier, accès relativement simple au permis de conduire, utilisation possible aux personnes à mobilité réduite, grande disponibilité en cas d'urgence, etc.

A ces avantages objectifs indéniables il faut ajouter que la voiture est un prolongement de l'espace intime individuel et familial, alors que les transports collectifs sont un espace public avec tous les inconvénients associés.

( En voiture, on est encore chez soi...)

Aucun moyen de transport collectif ne peut offrir ces commodités.

Les raisons d'utiliser la voiture sont donc bien enracinées dans nos sociétés modernes, il serait vain (et même préjudiciable à l'ordre public) de chercher à entraver cette liberté d'usage par des mesures contraignantes et/ou discriminatoires.

La voiture individuelle est devenue une prothèse dont il est désormais impossible de se passer, et le retour à la bicyclette et/ou à la marche à pied ne peut être qu'anecdotique, recommandés certes, mais davantage pour entretenir la forme physique que pour améliorer le bilan carbone...

La voiture électrique devra donc offrir à l'usager les mêmes possibilités que son homologue thermique, et bien entendu pour un prix comparable, sachant que la prime à la conversion n'est pas un modèle économique et ne peut être prolongée au-delà de la période de lancement.

( 6 000 euros versés à 1000 000 acheteurs de VE, c'est 6 Milliards d'euros )

Le renouvellement « naturel » du parc automobile est réalisé sur 20 ans environ dans les conditions normales. Sur ces mêmes bases le remplacement total des voitures thermiques par des électriques pourrait être réalisé à l'horizon 2040.

Mais les bases seront-elles les mêmes ? Rien n'est moins sûr...

La vente des voitures neuves à moteur thermique pourrait alors s'annuler à partir de 2040 au profit des électriques ( à batterie ou à Hydrogène plus tard ).

Le déroulement de ce vaste programme est conditionnés par plusieurs facteurs:

Que les « défauts » des voitures électriques soient corrigés ( essentiellement l'autonomie ).

Que le réseau de recharge des batteries soit développé concrètement.

(L'angoisse de la batterie vide ne doit plus exister)

Que le coût réel des voitures électriques converge assez rapidement vers la parité avec les modèles thermiques équivalents.

Que la tarification de l'électricité de recharge obéisse à des règles claires.

Qu'il existe un marché de l'occasion consistant, car la voiture électrique ne doit pas être un produit jetable.

Que le coût relatif de la batterie ne soit pas un handicap à son remplacement ou à sa revente.

Toutes ces conditions ( et peut-être d'autres)* laissent penser que la transition de masse ne se fera pas spontanément ; des « mesures d'encouragement » seront nécessaires tant il paraît difficile de « booster » le marché par la contrainte, on a vu l'effet « gilets jaunes » déclenché par la hausse des taxes, peut-être la réglementation antipollution aura-t-elle davantage d'effet, l'année 2024 sera décisive de ce point de vue ( ZFE dans les villes de plus de 150 000 habitants).

* Aujourd'hui la voiture électrique est justement perçue comme un objet essentiellement évolutif ; chaque mois des nouveaux modèles offrent des performances et des autonomies améliorées, reléguant au magasin des antiquités des modèles qui n'ont pas trois ans...Ceci est de nature à décourager un éventuel acheteur soucieux de ne pas acheter une auto qui sera invendable sur le marché de l'occasion.

De plus, la presse se fait l'écho de l'arrivée proche de la voiture à Hydrogène, qui offrirait des performances supérieures et supprimerait les principaux défauts de la voiture à batterie : la faiblesse de l'autonomie et le temps de rechargement ; une raison de plus de différer l'achat d'un VL à batterie ?

Aujourd'hui en France le marché de la voiture 100% électrique atteint 8% du total des ventes annuelles de VL particuliers.

Après dix années de lancement, ce taux de pénétration encore modeste, mais encourageant, ne permet pas d'anticiper sur l'avenir car de nombreux facteurs peuvent encore évoluer.

Il apparaît que parmi ces facteurs, les politiques européennes d'incitation joueront le principal rôle.

Mais jusqu'où peut aller « l'incitation » ?