Le blog de doc zaius

15 Mars 2014

La mobilisation contre le changement climatique est la tarte à la crème de ce début de XXIè siècle. Ce branle-bas, initié par le GIEC en 1988, a déjà donné lieu à d’innombrables représentations internationales sur les places mondiales les plus réputées.

Les accords internationaux sur la réduction des émissions de CO2 ne se comptent plus, ce produit se vend désormais à la tonne, comme les patates. Une brosse à dent ou une automobile ne s’apprécient plus au service rendu, mais à l’ « empreinte Carbone » associée.

Aux travaux du GIEC correspondent des réunions internationales à caractère politique, dont le but est d’obtenir un consensus mondial entre les Etats autour d’un programme commun de lutte contre le changement climatique. Ces conférences baptisées COP ( COnférence des Parties de la Convention Cadre des Nations Unies sur les changements climatiques) se sont déjà tenues à vingt reprises.

La prochaine ( COP 21) aura lieu à Paris en Décembre 2015, la France étant le pays Hôte.

Cette fois c’est juré, l’objectif de cette 21è Conférence est de fixer un agenda de décisions comportant les engagements d’investissements de chaque partie en vue de contenir l’augmentation de la température de l’Atmosphère sous le seuil de 2 °C. Ce seuil de 2°C est évidemment un seuil psychologique puisqu’il n’est pas démontré que les mesures correctrices, quelle que soit leur sévérité, suffiront à obtenir le résultat souhaité.

L’objectif est en fait de poser le cadre d’une économie « bas-Carbone ».

Dans l’immédiat, et pour au moins deux ou trois décennies, il s’agit de dépenser quelques milliers de milliards de dollars avant d’espérer constater un résultat positif côté thermomètre.

L’Atmosphère est un énorme système thermodynamique dont l’inertie est colossale; ce système possède une constante de temps très longue et de nombreux sous-systèmes de contre-réaction ainsi qu’un multitude de paramètres qui interagissent d’une manière non encore complètement élucidée, notamment les paramètres anthropiques. Il en résulte une incertitude quant à l’efficacité climatique des actions stratégiques qui seront entreprises, le remède pouvant se révéler pire que le mal.

(En effet, un accroissement de l’énergie interne du système thermodynamique atmosphérique dû à l’effet de serre peut se traduire par une augmentation de la température moyenne ou bien par une augmentation de l’énergie cinétique macroscopique ( tempêtes et ouragans), probablement les deux, sans que l’on puisse prédire lequel des deux l’emportera).

Des actions ont déjà été entreprises, certains pays peuvent exhiber des comportements écologiques, mais malgré ces quinze années de mobilisation massive contre le CO2, force est de constater que sa concentration dans l’atmosphère augmente toujours.

De 1990 à 2005 le taux d’augmentation était de 0,45% par an. De 2005 à 2014 ce taux est passé à 0,52% par an. ( Source NOAA). Le seuil de 400 ppm a été dépassé en 2014. On peut donc légitimement se poser des questions sur l’utilité des ces grand’messes, dont par ailleurs la propre empreinte Carbone est significative.

Les obstacles à la mise en œuvre d’une stratégie contre le réchauffement sont connus:

- la stratégie doit être mondiale sous peine de perdre toute efficacité. Or l’absence de gouvernance mondiale ne permet pas l’application de mesures contraignantes.

- Les investissements nécessaires atteignent des montants exorbitants, hors de portée des pays en voie de développement, ceux-là même dont les besoins énergétiques vont croître dans l’avenir.

- les énergies fossiles continuent d’être disponibles en quantités illimitées et pour un coût encore gérable; les Etats n’accepteront pas facilement d’abandonner ce pactole pour des solutions plus onéreuses et dont l’efficacité reste à démontrer.

Pour la conférence COP 21 François Hollande devra revêtir le costume de Monsieur Loyal puisqu’il lui revient la charge de faciliter la convergence des points de vue et d’obtenir l’unanimité sur un accord global.

Sa crédibilité dépendra de la consistance du programme national de la France qu’il sera chargé de présenter et de justifier. l’un des points essentiels de la stratégie de transition énergétique française est la politique électronucléaire. Or aujourd’hui pour connaître les projets du Gouvernement en ce domaine il faut soit consulter madame Irma, soit lire les ragots dans la presse, ce qui revient à peu près au même. Une troisième voie consiste à pratiquer l’exégèse du contenu des discours ou paroles « off » de tel ou telle ministre.

Une telle situation est évidemment inadmissible ( intenable) à la veille d’une conférence mondiale dont l’objectif est de prendre des décisions impliquant des investissements.

Nous attendons donc avec impatience de connaître enfin la stratégie énergétique de la France pour le XXIè siècle.

13 Février 2015

Les objectifs du Grenelle de l’environnement comportent des engagements sur le développement des énergies renouvelables. Sans être impérieux et contraignants, ces engagements impliquent la mise en œuvre effective d’un programme industriel dont les résultats seront en accord avec les objectifs convenus.

Il s’agit en fait d’initier un mouvement vers une transition énergétique visant à réduire, voire supprimer à longue échéance, la part des énergies fossiles dans le mix énergétique.

Les engagements du Grenelle ont entre autres pour objectif la réduction des émissions de CO2. La production électronucléaire étant exempte de CO2, la France se trouve en position favorable sans avoir à investir lourdement dans les nouvelles énergies.

Aujourd’hui, grâce au nucléaire, à l’hydraulique, et à un peu d’éolien terrestre et de solaire, le mix énergétique français comprend environ 25% de décarboné pour la consommation finale. Il s’ensuit un retard certain dans les domaines de la production issue des énergies nouvelles.

Cette situation n’est pas tenable à long terme. D’une part parce que 25% ne sont pas suffisants, il faut viser très au-delà de 50%, et d’autre part parce que l’électronucléaire est menacé dans son principe et sa part de production doit être réduite, ce à quoi s’est engagé le Gouvernement.

Nous avons vu dans l’article précédent que l’arrêt des seuls vingt réacteurs les plus anciens entraînerait un déficit immédiat de production électrique de 120 TWh. Le temps est donc venu d’investir lourdement dans les énergies nouvelles, non plus pour des études de procédés innovants, mais bien pour des réalisations industrielles qui soient autre chose que des démonstrateurs.

Le premier effort significatif a été décidé sur l’éolien offshore, pour plusieurs raisons:

La France possède l’un des potentiels offshore parmi les plus importants d’Europe, tant en ce qui concerne les éoliennes posées que flottantes.

Les industriels français ( ALSTOM et AREVA) possèdent déjà une compétence dans le domaine des machines posées de forte puissance et une activité industrielle à l’export.

L’objectif fixé par le Gouvernement est d’atteindre une puissance installée nominale de 6 000 MW à l’horizon 2020, pour une production annuelle de 18 TWh environ avec un facteur de charge de 35%. Il s’agit bien sûr d’une première étape, mais d’une ampleur significative.

Une première partie de l’objectif porte sur 3000 MW, qui ont été attribués sur deux appels d’offres. Techniquement il s’agit d’éoliennes posées, d’une puissance de 5 à 8 MW selon les offres retenues. L’ensemble comprendra environ 1000 machines réparties en six parcs sur la côte atlantique.

La mise en service de ces installations est espérée pour 2018-2020 sous réserve du bon déroulement des travaux associés d’enfouissement des câbles, d’atterrage et de raccordement au réseau.

Un troisième appel d’offres est envisagé en 2015 pour tâcher de s’approcher de l’objectif de 6 000 MW. Cet ensemble de 6000 MW, qui pourrait être opérationnel à l’horizon 2025, produira annuellement 18 TWh, équivalent à trois réacteurs de 900 MW.

Or, pour compenser l’arrêt de seulement vingt réacteurs de ce type, ce n’est pas 18 TWh qu’il faut produire, mais bien 120 TWh, soit près de sept fois plus !

Et il resterait encore 38 réacteurs en fonctionnement…

La construction d’un parc éolien doit s’accompagner de la mise en œuvre des moyens de compensation de l’intermittence de la production car, même au large des côtes, le vent n’est pas régulier. La plage de vent exploitable s’étend de 10 km/h à 90 km/h environ, la puissance variant comme de cube de la vitesse.

Le régulateur du réseau de distribution doit donc connaître les prévisions de production afin de déclencher au moment opportun les moyens de substitution ou de stockage. Ces prévisions s’expriment en probabilité d’avoir, pour un parc donné, tel niveau de production à telle échéance, au quart d’heure près. Ceci nécessite de disposer d’un maillage météorologique dense et précis à quelques centaines de mètres près, sous peine d’avoir à gérer des « black out » à répétition.

Les moyens de substitution doivent être capables de démarrer rapidement, de fournir des puissances très élevées, et d’assurer leur service sur des durées qui peuvent être très longues, fonction des conditions météo saisonnières.

On utilise à cet effet des centrales thermiques, si possible CCG ( Cycles Combinés à Gaz). Les STEP ( Stations de Transfert l’Energie par Pompage) permettent d’assurer également la relève, mais pour une courte durée, fonction de la capacité du réservoir d’eau.

Ces moyens de compensation de l’intermittence sont indissociables des moyens de production Solaire et Eolien. Leur ampleur est fonction de plusieurs facteurs:

- L’historique des fluctuations de production pour chaque parc, qui ne peut évidemment être connu qu’à l’issue de plusieurs années d’exploitation.

- Les possibilités d’équilibrage de la production par la mise en commun des ressources de tout les parcs raccordés au réseau. Une baisse de production dans une région peut être en partie compensée par un excès dans une autre.

- Les possibilités d’échanges transfrontaliers avec les autres pays producteurs grâce aux interconnexions à haut débit.

- Les possibilités de gérer la demande grâce à l’instauration du réseau intelligent ( Smart Grid) .

Aux parcs éoliens de la côte atlantique devront être adossés des moyens de relève capables de fournir une production de base de 2 ou 3 TWh au moins.

On constate qu’il ne suffit pas de planter des éoliennes et de les raccorder au réseau pour faire une transition énergétique. Il faut en fait développer une approche différente de la gestion de ce réseau, ce qui nécessite des investissements importants et une acceptation du public, notamment en matière d’interactivité.

On mesure l’énormité de l’effort industriel à accomplir pour espérer remplacer un jour le parc électronucléaire par un parc d’énergies durables. Mais la première pierre est posée, et l’appétit vient en mangeant…

3 Février 2015

La voiture électrique (La vraie) est fréquemment vantée pour les économies qu’elle engendre grâce au faible coût de l’électricité. La promesse d’un plein à deux euros est un argument qui retient pour le moins l’attention.

Voyons ce qu’il en est et surtout ce qu’il en sera dans l’avenir.

La consommation d’une voiture électrique peut varier du simple au double selon le type de conduite, la vitesse, le type de parcours (agglomération, route, autoroute), le profil de la route ( pente), la charge (Nombre de passagers), l’utilisation ou non du chauffage, de la climatisation, le poids chargé dans le coffre.

Ainsi une Renault ZOE, disposant des 20 kWh de la batterie (90% de la capacité nominale) pourra parcourir entre 90 et 180 km selon les circonstances. Il en est à peu près de même pour les autres modèles électriques du marché, tout au moins ceux qui sont équipés d’une batterie de 22 kWh. Pour les autres une règle de trois suffit.

On peut donc parler d’une consommation comprise entre 11 et 22 kWh aux cent km pour une voiture électrique moyenne.

Dans l’hypothèse d’un rechargement au domicile, au tarif Bleu/ 6 kVA (Tarif domestique standard), le prix du kWh est de 17 centimes, en incluant l’énergie fournie, l’abonnement, la TCFE, la CSPE, la CTA, et la TVA.

Le coût pour parcourir cent km est donc compris entre 2,08 euro et 4,16 euro selon les circonstances comme décrit ci-dessus.

Une voiture à moteur diésel équivalente et de mêmes performances consomme entre 4 et 6 litres aux 100 km, toujours selon les circonstances, qui sont les mêmes que pour la voiture électrique. Le coût aux 100 km sera donc compris entre 4,4 et 6,6 euro au prix actuel.

Donc entre 1,5 et 2 fois plus qu’avec l’électricité.

Cet écart, à première vue médiatiquement « décisif » , représente un montant annuel de 250 à 300 euros pour un kilométrage de 12 000 km.

A mettre en balance avec les contraintes de la voiture électrique:

- Un prix d’achat plus élevé, lié au coût de la batterie au Lithium.

- Une perspective de revente problématique à cause de la batterie dont la durée de vie est limitée et dont le remplacement est TRES onéreux.

- Obligation d’immobiliser la voiture 4 à 6 heures par jour pour recharger la batterie ( les bornes de rechargement rapides ne sont encore qu’un projet, et le tarif ne sera pas le même que celui d’EDF).

- Préoccupation permanente de l’adaptation du mode de conduite à l’itinéraire envisagé sous peine de s’arrêter aux fraises avant d’arriver au bout.

- Impossibilité d’emprunter les autoroutes tant qu’un réseau de rechargement rapide ne sera pas généralisé ( 2020, 2030 ?).

- Performances limitées par la nécessité de préserver un minimum d’autonomie.

- Impossibilité de réaliser un déplacement impromptu de quelque distance si la batterie n’est pas suffisamment chargée.

Le cumul de ces inconvénients peut décourager plus d’un client. En fait un tel véhicule a une vocation essentiellement citadine, ou de seconde voiture.

Aujourd’hui les carburants diesel et essence supportent la taxe TICPE, qui représente respectivement 57% et 62% du prix de vente. Le kWh électrique supporte également des taxes ( pas les mêmes) et un abonnement, le tout à hauteur de 39% de la facturation TTC, lorsque l’électricité est prélevée sur un compteur ERDF au tarif réglementé 6KVA.

Dans l’avenir l’écart de prix entre l’électrique et l’essence ou le diesel variera en fonction de l’évolution du prix du pétrole, de l’évolution du prix des énergies renouvelables, et de la politique de taxation décidée par le Gouvernement.

Nos voitures consomment annuellement 29 Milliards de litres de carburants, qui rapportent à l’Etat, via la TICPE, près de 15 Milliards par an, et davantage si la politique d’harmonisation entre essence et diesel devient effective ( d’ici 2020 ? ).

Depuis des décennies le prix du pétrole, moyenné sur plusieurs années, est en constante augmentation. L’effondrement actuel n’est probablement pas durable et l’on peut s’attendre à une reprise vers les niveaux post 2008 supérieurs à cent dollars.

Les projections à long terme ne vont pas dans le sens d’une diminution du prix des carburants à la pompe, l’épuisement des réserves, programmé pour hier, finira bien par se produire un jour.

Les Biocarburants de deuxième et troisième génération coûteront cher, ils ne contribueront pas à la baisse des prix.

Pour des raisons de renouvellement du parc de production électrique, et d’arrivée des énergies renouvelables, le prix de l’électricité va de son côté continuer à monter, d’autant plus que son niveau actuel (en France) est maintenu artificiellement bas. Le tarif réglementé de 10,8 centimes TTC le kWh en contrat de base 6 KVA ( Hors taxes spécifiques) ne peut qu’augmenter significativement pour s’aligner sur les prix européens ( 30 centimes ?).

Par ailleurs, le futur réseau de bornes de rechargement sera exploité par des sociétés privées qui pratiqueront des tarifs n’ayant que de lointains rapports avec le tarif réglementé domestique. La situation actuelle n’est pas représentative, la plupart des bornes de recharges sont installées par des commerces ou des collectivités dans un but publicitaire ou de promotion du concept. La recharge y est gratuite, ou payante à un niveau symbolique. Quant au futur réseau de rechargement rapide ( 80% de la charge en moins de trente minutes), les gazettes en parlent beaucoup mais il est impossible de trouver le début d’une information sur le prix du kWh fourni par ces bornes.

Or c’est de lui que va dépendre le modèle économique de la voiture électrique.

Il se peut alors que l’écart de coût carburant entre la voiture électrique et les autres se réduise fortement, voire même s’inverse. (La politique du Gouvernement en matière de TICPE peut nous réserver des surprises, il se pourrait qu’elle soit appliquée aussi à l’électricité…)

La vraie raison du choix d’une voiture électrique reste l’absence d’émission de CO2 et d’oxydes d’Azote. A condition que l’électricité soit issue de sources renouvelables…

L’acheteur d’un véhicule électrique se doit donc de souscrire un contrat de fourniture d’électricité verte sinon son geste écologique est dépourvu de sens.

Pour les entreprises, EDF propose les contrats « Equilibre » et « Equilibre+ » qui garantissent l’origine « verte » de l’électricité livrée. ( Les numéros des certificats de garantie d’origine contrôlés par Powernext sont communiqués à l’entreprise). Le surcoût est de 1 à 3% selon les contrats.

Pour les particuliers la plupart des fournisseurs ont une offre de contrat « vert » avec un surcoût négocié. Nous ne doutons pas que ce surcoût sera facilement accepté par le consommateur qui se prétend soucieux d’écologie.

En France les ventes de voitures électriques et hybrides représentent environ 3% du marché (56 000 véhicules en 2013), dont 0,45% seulement en tout électrique ( 8 000 voitures).

Décidément l’argument du plein à deux euros n’a pas convaincu beaucoup de clients…

30 Janvier 2015

Grâce aux énergies renouvelables la production d’électricité est devenue une activité comme une autre, en ce sens qu’elle est accessible aux petites et moyennes entreprises, voire même aux particuliers. Il est ainsi possible de créer une entreprise dont l’activité sera la production d’électricité à partir d’une ou plusieurs sources d’énergie renouvelable décarbonées ou à Carbone recyclable.

Ce nouveau secteur de marché a ceci de particulier que, sous certaines conditions, la production est largement subventionnée par le Gouvernement qui garantit son écoulement non seulement en volume mais également en valeur (Article L314 du code de l’énergie) pendant une durée spécifiée au contrat. Les conditions à remplir sont nombreuses et sévères:

Conditions techniques de respect du cahier des charges autorisant la réinjection dans le réseau, de l’efficacité énergétique des processus de production, de la qualité de la fourniture, etc….

Conditions relatives au mode de production, à la durée du contrat, aux formalités d’implantation du ou des sites de production, à l’impact sur l’environnement, etc, etc…

La production d’énergie renouvelable peut être motivée soit par la volonté d’un geste écologique désintéressé, soit par la recherche d’un profit, éventuellement les deux.

Qu’en est-il en pratique ?

Prenons le cas d’un petit parc éolien d’une puissance installée de 8 MW Constitué par exemple de 4 éoliennes de 2 MW.

Selon l’ADEME, « les coûts d’études, de construction, de raccordement et de démantèlement pour de l’éolien terrestre atteignent environ 1,2 millions d’euros par mégawatt. Les coûts d’exploitation, d’entretien et de maintenance représentent près de 3% par an de l’investissement total »

En zone favorisée ce petit parc produira une énergie de 14 GWh/an en moyenne calculée sur 10 ans pour lisser les variations annuelles ( facteur de charge moyen de 20%).

Aujourd’hui cette production est achetée par EDF à 82 euros/MWh, soit deux fois le prix du marché environ. Ce prix est garanti pour une durée de 10 ans par contrat. Pour les cinq années suivantes le prix d’achat fixé est plus faible, notablement inférieur à 82 euros/MWh, variable selon les conditions particulières ( entre 28 et 82 euros/Mwh).

Dans notre hypothèse l’investissement est couvert par un emprunt bancaire de 9,6 millions d’euros sur 15 ans au taux de 3% et annuités constantes.

Sur la période contractuelle de dix ans le chiffre d’affaire annuel est donc de 1,148 millions d’euros ( 14 GWh au tarif de 82 euros le MWh).

Les charges sont les suivantes:

- Annuités de remboursement de l’emprunt: 0,874 millions d’euros.

- Charges d’exploitation, maintenance et entretien ( 3% du coût d’investissement): 0,288 millions. Nous arrivons à 1,162 millions d’euros par an, l’affaire est déjà déficitaire sans même compter les inévitables aléas:

- Facteur de charge effectif inférieur à la valeur de référence.

- Problèmes techniques entraînant des frais supplémentaires et des interruption de production. Au-delà de 10 ans et sur les 5 années suivantes le prix d’achat est diminué, ce qui rend le bilan financier encore plus catastrophique.

Ce calcul simple montre que l’éolien n’est pas la poule aux œufs d’or que l’on présente habituellement. Seules les subventions diverses permettent d’afficher des résultats acceptables.

Par contre, si l’on se place du point de vue de l’autoconsommation, les choses sont différentes: Le parc éolien que nous avons pris en exemple peut alimenter 5000 logements en énergie électrique hors chauffage et eau chaude sanitaire. ( 2 800 KWh/an par logement). Avant la construction du parc éolien cette énergie est fournie par EDF au prix de 0,14 euro/KWh, en incluant TVA, Taxes et contributions diverses dont CSPE, et abonnement. Le total se monte à près de 2 millions d’euros annuellement.

Le parc éolien permet de fournir la même quantité d’électricité pour une dépense de 1,16 millions d’euros environ, soit presque deux fois moins.

Ce parc, géré en autoconsommation, devient alors très rentable pour la collectivité si le parc est en autogestion. De plus il met les consommateurs à l’abri des augmentations de tarif EDF, et des augmentations de la CSPE qui ne manqueront pas de survenir dans l’avenir. Au terme de la période d’amortissement de 15 ans le parc continue à produire à un coût très faible.

Les consommateurs peuvent soit rester raccordés au réseau EDF et continuer à payer les frais fixes ( Abonnement et contribution tarifaire d’acheminement), soit se désolidariser du réseau dans la mesure où la réglementation le permet.

Mais ce programme idyllique n’est hélas pas réaliste.

Un parc éolien en autoconsommation ne peut fonctionner que s’il est couplé à une installation de stockage de l’électricité pour compenser l’intermittence des fournitures.

Et aujourd’hui on ne sait pas faire…

Actuellement la vente de l’électricité à EDF permet de reporter sur ce dernier le problème de la compensation d’intermittence, ce qui commence d’ailleurs à lui poser de sérieux problèmes, et l’oblige à maintenir une capacité de production thermique.

Ces « petits » problèmes expliquent en grande partie le quasi effondrement du marché depuis 2010, avec l’incertitude sur la pérennité du tarif d’achat EDF, qu’il faut bien appeler une subvention, laquelle est une distorsion de concurrence prise dans le collimateur de Bruxelles.

Tout ceci pour montrer une fois de plus que le problème des énergies renouvelables intermittentes reste le stockage de masse de l’électricité. Seule la résolution de ce problème permettra le dévérouillage du déploiement à grande échelle de ces nouvelles applications.

23 Janvier 2015

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

HONDA FCX

Etc…. Industrialisables dès 2015/2016.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Affaire à suivre…