Le blog de doc zaius

La batterie « Etat solide », le saint Graal de la voiture électrique ?

8 Septembre 2023

Le principal obstacle à la grande diffusion de la voiture électrique à batterie est la faiblesse de son autonomie, qui ne peut plus être cachée sous le tapis comme ce fut longtemps le cas pendant la période de lancement.

( L'autonomie « catalogue » est mesurée selon le cycle WLTP, plutôt minimaliste, alors que les conditions réelles sont souvent plus sévères ( Vent contraire, charge, trajet autoroutier à vitesse soutenue et sans récupération d'énergie au freinage, coffre de toit, route en pente, climatisation activée, remorque...sans parler des bornes de voies à grande circulation qui limitent parfois la charge à 80% ).

L'autonomie est ainsi aujourd'hui devenue LE paramètre directeur pour le choix d'un véhicule électrique d'usage polyvalent, tel que le conçoivent la plupart des utilisateurs.

La concurrence acharnée à laquelle se livrent une multitude de concurrents ne permet pas la moindre faiblesse. L'enjeu est mondial, et l'Europe n'a plus les bonnes cartes en mains. Le passage du thermique à l'électrique sera difficile à négocier pour les acteurs traditionnels qui ne proposeraient pas la meilleure technologie du moment.

L'autonomie recherchée est celle à laquelle les usagers sont accoutumés depuis des décennies avec les voitures thermiques, soit de l'ordre de 700 km réels.

( On peut toujours ergoter sur la pertinence de cette valeur, arguer de l'avantage de s'arrêter souvent pour recharger la batterie, se reposer, manger un morceau, admirer le paysage, vérifier les pneus, faire pisser mirza, on ne convaincra pas l'usager de renoncer à ce qui est perçu comme un avantage acquis, justifié au demeurant ).

Pour parcourir 700 km avec une voiture électrique de milieu de gamme il faut en moyenne 100 kWh d'énergie, et donc une batterie de 110 kWh, les 10 kWh supplémentaires constituant la marge de sécurité à respecter pour préserver la durée de vie de la batterie.

Le VEB de gamme moyenne est proposé aujourd'hui avec une batterie de 50 kWh (Valeur nominale), donc avec une autonomie d'environ 300 km, pour 45 kWh utiles.

Nous sommes donc encore très loin de l'autonomie demandée.

D'autant plus que ces 300 km correspondent à une conduite de père de famille et dans les conditions extérieures favorables et sans la climatisation...la réalité est souvent notablement inférieure.

Dans la technologie lithium-ion d'aujourd'hui, le coût de la batterie de 50 kWh représente déjà la moitié du coût de la voiture ( 150 euros le kWh ) et un poids de l'ordre de 300 kg.

Doubler la capacité de batterie conduirait donc à augmenter encore de 50% le coût de la voiture et la surcharger de 300 kg supplémentaires!!! Il s'agirait alors d'une autre voiture, qui existe, mais pas dans le milieu de gamme....

Il faut ajouter que la technologie actuelle de batterie Lithium-ion à électrolyte liquide demeure préoccupante en raison de sa grande sensibilité aux surcharges thermiques, et du caractère inflammable de cet électrolyte. Certes le risque est jugulé par un dispositif électronique de contrôle ( BMS ), mais le potentiel d'accident n'est pas nul, et les performances sont limitées notamment concernant la charge ultra-rapide génératrice de hautes températures, que l'électrolyte liquide n'apprécie pas.

En bref, tout le monde aimerait bien se débarrasser de ce risque plutôt inquiétant .

La voiture électrique de milieu de gamme rencontre donc un problème pour au moins quatre raisons liées à la batterie:

- La capacité.

- Le poids.

- Le coût

- La sûreté de fonctionnement.

( On pourrait ajouter l'impossibilité de supporter la charge ultra-rapide ( 3C ou 4C ) pour cause de surchauffe nuisible à l'électrolyte liquide et à la membrane échangeuse d'ions ).

Bien sûr on peut toujours battre l'estrade pour essayer de convaincre le client de se satisfaire d'une faible autonomie, mais les concurrents* n'ont pas forcément la même démarche et le risque est grand de se voir éjecté de la tranche de marché des voitures moyennes.

*(Et des concurrents, il y en a beaucoup, et qui n'ont pas les deux pieds dans le même sabot...)

En effet, tout ce qui compte d'expertise dans le domaine des batteries est aujourd'hui occupé à développer une ( ou des) technologie(s) apte(s) à remplacer le système existant, avec l'objectif de corriger les lacunes actuelles.

L'outsider actuel est la « batterie à l'état solide ».

Ce nouvel avatar est toujours basé sur le Lithium-ion, qui constitue le principe de base du système et qui fonctionne très bien.

Le changement consiste, dans son principe, d'une part à remplacer l'électrolyte liquide et la membrane polymère organique échangeuse d'ions par un électrolyte solide qui joue également le rôle d'échangeur d'ions, et d'autre part à remplacer l'anode en graphite par une anode en Lithium métallique. Il existe une variante avec du Silicium ( Batterie à semi-conducteurs ).

Sans rentrer dans les détails, pour éviter de tomber dans l'ultracrépidarianisme, on conçoit que cette architecture est théoriquement porteuse de plusieurs améliorations :

D'une part le remplacement de l'anode en carbone relativement épaisse par du Silicium de plus grande capacité de stockage, ou par une mince couche de Li-métal permet un gain de place très significatif, qui se traduit par une augmentation de la capacité spécifique ( environ un facteur 2 ), ce qui résoudrait le problème du poids et l'encombrement de la batterie de 100 kWh .

D'autre part la membrane à l'état solide ( céramique ), qui joue le rôle de séparateur et d'échangeur d'ions Li+, constitue une meilleure protection contre la formation des dentrites ( cauchemar des batteries à électrolyte liquide ), et permet des températures plus élevées autorisant la recharge rapide à 3 ou 4C sans risque de destruction ou d'inflammation.

( A nous la recharge en cinq minutes ...peut-être ).

Ajoutons que la conductivité ionique de cette membrane augmente avec la température, ce qui est un atout supplémentaire.

Mais ce programme séduisant est pour le moment encore très loin de satisfaire le cahier des charges automobile.

En effet, si le principe de la batterie solide est séduisant*, il reste à le confronter à la réalité du cahier des charges automobile très sévère :

- L'Anode métallique « respire » ce qui nécessite des recherches pour gérer cette respiration sans pénaliser le coût par des procédés de montage trop compliqués.

- Le séparateur en céramique offre une mauvaise conductivité ionique aux basses températures, alors que le cahier des charges Auto peut descendre à – 30 °C. Un point à améliorer.

( On imagine sans peine l'enjeu autour des brevets...)

- Le cyclage n'est pas encore conforme aux besoins du marché auto qui exige une garantie sur 10 ans.

- Le coût de fabrication doit être en rapport avec les besoins du secteur ; aujourd'hui les batteries existantes sont ( beaucoup ) trop chères.

* Il existe déjà de telles batteries en service, mais pour des applications ne supportant pas les conditions de l'automobile.

Les estimations pour la date de disponibilité de ces nouvelles batteries pour le marché de masse automobile sont évidement impossibles à donner.

Les plus optimistes parlent de 2025, les autres s'abstiennent et se contentent d'un vague ASAP ( As Soon As Possible), qui est la date la plus précise que l'on puisse donner aujourd'hui.

La faisabilité sera connue d'ici 2030.

Eu égard à l'énormité de l'enjeu, on peu prévoir une issue favorable au plan technologique. Pour le coût, c'est une autre histoire...

La voiture électrique à batterie est donc un objet encore en gestation, situation peu confortable lorsque l'on désire accélérer la transition vers l'électrique et que, de plus, les coûts du nouvel objet sont supérieurs à l'ancêtre thermique toujours disponible à la vente, pour encore douze années, éventuellement plus ( Le couperet de 2035 est de plus en plus décrié...).

Pour booster les ventes il est fait appel à des mesures incitatives :

Les ZFE, solution radicale mais socialement risquée.

Les primes à l'achat, difficilement supportables par le budget de l'Etat pour des grandes quantités.

Les primes à l'installation des postes de charge à domicile pour bénéficier des tarifs du réseau.

( Le prix de l'électricité aux stations service routières demeure libre et souvent « assez » élevé )

Les constructeurs qui proposeront des VEB avec la nouvelle batterie « état solide » en 100 kWh auront assurément un avantage décisif sur le marché, pour peu que le surcoût ne soit pas trop dissuasif...

Ces péripéties, qui entravent le développement harmonieux de la voiture tout électrique, quelque peu empêtrée dans son problème de batterie, justifient l'intérêt pour les autres solutions qui pourraient constituer un recours, et qui sont basées sur l'Hydrogène naturel.

Présenté comme une galéjade il y a quelques décennies, son existence est aujourd'hui reconnue par la communauté scientifique, son caractère de flux et non de stock épuisable est en cours de confirmation, et les travaux actuels visent à en évaluer l'importance en tant que source d'énergie et non pas seulement de curiosité de laboratoire.

Si cet Hydrogène était confirmé comme flux naturel et si les quantités émises étaient significatives, il deviendrait un recours universel contre les émissions de CO2.

Dans un premier temps il remplacerait l'Hydrogène de synthèse largement utilisé dans l'industrie et fabriqué à partir des fossiles. Dans un deuxième temps il pourrait produire de l'électricité décarbonée grâce aux piles à Hydrogène, dont les applications sont innombrables, y compris dans l'automobile ( certains le voient déjà pour propulser les avions...).

Son intérêt pour l'automobile réside dans ses capacités énergétiques importantes sous un volume raisonnable sous haute pression, et la possibilité de « faire le plein » en quelques minutes.

L'hydrogène présente également l'intérêt de permettre de produire des carburants de synthèse, et d'être directement utilisable, dans des moteurs thermiques ou des turbines adaptées.

Ce qui rendrait crédible la technologie hybride ; le surcoût du deuxième moteur étant compensé par l'économie sur la batterie dont la capacité est beaucoup plus faible que celle d'un VEB.

Aujourd'hui en France, 40% des voitures électrifiées vendues sont des hybrides, ce qui traduit la réticence de certains usagers envers une solution qui n'offre pas encore la tranquillité d'esprit que donne un réservoir de soixante-dix litres de supercarburant...

Avant de condamner le moteur thermique et de l'exécuter dès 2035, il serait peut-être judicieux d'attendre d'être sûrs de la possibilité pour le tout électrique de le remplacer aussi efficacement.

28 Août 2023

La voiture électrique à batterie ( VEB ) est durement empêtrée dans son problème d'autonomie liée à la technologie de batteries Lithium-ion dont la capacité spécifique, encore insuffisante, limite la quantité d'énergie embarquée afin de conserver un poids total et surtout un coût raisonnables.

Il a été relativement facile de développer des modèles convenant aux deux extrémités de la gamme :

Les petites citadines, qui peuvent se satisfaire d'une autonomie inférieure à 150 km, avec une batterie de 20 kWh, rechargeable au domicile ou sur les bornes publiques de 10 ou 20 kW.

Et les grosses berlines de haut de gamme, dont le niveau de prix accepté permet d'utiliser une batterie de 100 kWh, voire plus, pour disposer d'une autonomie et de performances comme attendues par cette clientèle aisée.

Le problème est pour le milieu de gamme, qui correspond à un budget serré, mais dont la clientèle souhaite une certaine polyvalence, en particulier une autonomie d'au moins à 5 ou 600 km.

( En gros, les commodités d'emploi d'une voiture thermique des années 80...)

Les véhicules électriques actuels de milieu de gamme sont proposés avec des batteries de 50 kWh ( Valeur nominale ). Ces batteries sont généralement spécifiées pour une utilisation dans les limites de 5% et 95% de la capacité nominale.

La capacité énergétique utilisable conseillée entre deux recharges est donc de +/- 45 kWh.

Pour une consommation moyenne de 15 kWh, la voiture peut donc parcourir environ 300 km.

( Sachant que cette valeur dépend fortement des conditions d'utilisation ; en ville, avec récupération d'énergie au freinage, l'autonomie pourra monter à 350 km, mais sur autoroute à 130 km/h elle pourra chuter à 180 km voire moins ; De plus, cette autonomie « catalogue » sera fortement réduite si l'on utilise la climatisation, et bien sûr en cas de vent contraire et/ou si la route est pentue.

La consommation retenue ici est une moyenne de l'ensemble des véhicules similaires du marché. La fourchette peut aller de 13 à 17 kWh/100 km selon le gabarit du véhicule, son rendement énergétique, son poids, ses caractéristiques aérodynamiques, son niveau de prix et bien sûr les conditions d'utilisation ).

Cette autonomie, à la fois faible et fantaisiste, n'est pas satisfaisante et peut constituer ( c'est un euphémisme ) un frein au développement du marché du véhicule électrique à batterie, dans ce secteur de marché, surtout aux niveaux de prix affichés aujourd'hui !.

( Et il n'est pas sûr qu'une réglementation draconienne genre ZFE suffise à convaincre les usagers d'acquérir un véhicule qui leur imposera des restrictions d'usage...).

La voiture électrique VEB doit donc évoluer impérativement dans deux directions :

D'une part augmenter son autonomie.

D'autre part réduire son coût.

Ces impératifs sont évidemment la préoccupation principale des constructeurs, en plus des autres problèmes comme la maîtrise de la fabrication des batteries et des semi-conducteurs critiques, du choix des produits de base et de leur approvisionnement.

L'accroissement de la capacité de batterie n'est pas le seul facteur d'augmentation de l'autonomie.

Deux autres facteurs sont au moins aussi importants :

- Le rendement de la chaîne de traction depuis la batterie jusqu'aux roues.

- L'ensemble des résistances à l'avancement.

On évoque souvent des rendements impressionnants, supérieurs à 97%, pour la motorisation électrique, ce qui donnent à croire que tout est parfait, et qu'aucune amélioration n'est possible.

Mais ces chiffres flatteurs ne concernent que le moteur seul, et dans les meilleures conditions de régime et de couple.

Pour transmettre l'énergie électrique aux roues de la voiture, plusieurs organes interviennent  avec chacun leur propre rendement :

La batterie, l'onduleur de traction, le moteur, le réducteur, la transmission, les pompes de refroidissement du moteur, de la batterie, et de l'onduleur, la commande des accessoires électriques, la climatisation, la direction électrique, l'éclairage, participent à la consommation d'énergie et ramènent le rendement global à une valeur plus proche de 75% que des 97% cités ici et là.

( Certaines évaluations sont même plus sévères, notamment celles du DOE ( US Départment Of Energy), elles tiennent compte des pertes du réseau électrique de transport, des pertes des stations de charge, et des pertes du système de production de l'électricité. Nous n'avons tenu compte ici que des pertes liées à la voiture et à sa technologie. Les autres pertes, sur lesquelles les constructeurs d'automobiles n'ont aucune prise, sortent du cadre du présent article, mais demeurent cependant importantes pour l'analyse des moyens de production de l'énergie électrique dans le cadre de la transition énergétique ).

Tous ces postes de dépense énergétique sont l'objet d'un travail acharné des bureaux d'études pour améliorer les rendements de chaque maillon.

D'autre part, un meilleur rendement signifie une moindre dissipation de chaleur, donc une possibilité de réduire la taille des éléments dissipatifs, et donc les poids et les coûts.

Tous les secteurs de la chaîne de motorisation sont donc concernés par cette course à l'amélioration des rendements en vue d'une meilleure utilisation de l'énergie disponible :

Les batteries évidemment, pour améliorer leur comportement en fonction de la température, l'équilibrage des cellules, leur climatisation, leur interface avec le BMS, la gestion de l'équilibrage entre les éléments, la gestion de la charge et de la décharge, la détection des anomalies, la neutralisation des cellules douteuses, la mise à jour des SOH des cellules, etc.

Et bien entendu la chimie des cellules, dont le choix est essentiel pour optimiser les performances et les coûts. La prochaine « révolution » promise étant la batterie à l'état solide, sorte de saint Graal supposé résoudre de nombreux problèmes ( Il y a donc bien des problèmes...).

Les possibilités de recharge rapide sont également à améliorer pour accéder au réseau de bornes de plus de 100 kW, l'objectif étant la recharge de 20 à 80 % en moins de 10 minutes.

( Aujourd'hui, dans le moyen de gamme, une batterie de 50 kW est spécifiée pour une charge « rapide » en régime 2C, donc 100 kW max, soit environ 20 minutes pour une charge de 20% à 80% sur une borne capable de fournir les 100 kW* ).

*Avant de délivrer les 100 kW réclamés par le client, une borne bien élevée va vérifier l'état de la batterie : Sa conformité à la spécification de charge rapide demandée ( 1C, 2C, ou 3C...), son niveau de charge ( SoC), son état de santé (SoH), son aptitude à recevoir dignement les 100 kW ( 280 Ampères en 360 V ), sa température, et toute autre information communiquée par le BMS ( Batterie Management System ).

Les évolutions envisagées au niveau de la réserve d'énergie comprennent la mise en conformité avec la norme qui prévoit l'intégration possible de la batterie dans le réseau domestique, ainsi que la compatibilité avec la recharge à induction, et la gestion d'une recharge à partir de panneaux solaires sur le toit.

L'onduleur de traction (couplé avec la fonction de chargeur embarqué), qui est le cerveau de la voiture et sans lequel le moteur électrique ne serait qu'un morceau de fer. L'un des progrès futurs les plus importants réside dans le remplacement des commutateurs IGBT par des composants au carbure de Silicium, qui admettent des tensions et des températures plus élevées avec des pertes de commutation plus faibles, et des fréquences de commutation plus élevées.

Cette mutation, déjà mise en œuvre dans certains modèles haut de gamme, offre deux avantages décisifs :

D'une part la migration vers le 800V , qui permet de réduire les courants et de monter en puissance.

D'autre part, la réduction du besoin en dispositifs de refroidissement, et donc la réduction des coûts.

( Le prix actuel des composants SiC est encore un obstacle à leur généralisation, mais les choses évoluent rapidement, le 800V étant incontournable pour les véhicules de transport lourd afin d'acheminer de grosses puissances de charge sans utiliser des courants trop importants.

Des courants supérieurs à 500 A nécessitent des câbles de raccordement spéciaux éventuellement refroidis … Le 800V permet de s'en dispenser ).

La transmission mécanique est également objet de recherches de compromis pour résoudre le problème actuel d'incompatibilité entre le couple nécessaire au démarrage et le rendement non moins nécessaire aux vitesse autoroutières. Les solutions actuelles à un seul rapport ne sont pas satisfaisantes car les hautes vitesses conduisent à des régimes de rotation très élevés, et des coûts très importants.

( Tout le monde ne peut pas se payer des moteurs dont le régime max est de 18 000 tr/mn,, voir Tesla. Ces régimes sont nécessaires pour afficher des vitesses max de 250 km/h, commercialement indispensables pour vendre du haut de gamme ( ! ).

Nous sommes évidemment très loin du moyen de gamme, mais le 130 km/h sur autoroute demeure un objectif souhaitable pour égaler le thermique dans cette gamme de produits. Aujourd'hui le VEB à 130 km/h est plutôt en difficulté*...

On reparle ici et là de boîte de vitesses à deux rapports....

*Dans le protocole WLTP, la zone à vitesse élevée ( 120-130 km/h ) n'est « titillée » que durant un temps ridiculement court ( 60 secondes sur 1 800 secondes ), ce qui revient à ne pas tenir compte de l'usage autoroutier, donc à masquer la faiblesse des VEB dans ce domaine...).

La climatisation est un poste très important de dépense d'énergie lorsqu'il est traité par le moyen habituels ( effet Joule ). Son remplacement par une pompe à chaleur, et une meilleure isolation thermique de l'habitacle, sont aujourd'hui nécessaires, le problème est de combattre le surcoût.

N'oublions pas que la batterie doit également être climatisée pour garder sa température dans les limites de sécurité.

( Les batteries actuelles ne sont à l'aise qu'entre +15C et + 60 °C. En dehors de cette gamme les caractéristiques sont dégradées et la durée de vie ( Cyclage ) est affectée ).

Les possibilités de traction d'une remorque, en général très modestes ( voire nulles) sur une voiture électrique actuelle de gamme moyenne, doivent être notablement améliorées sous peine de restreindre le panel des applications possibles. Ici aussi on reparle de boîte à deux rapports.

( A la campagne, mais pas seulement, la possibilité de tracter une remorque va de soi, personne n'imaginerait acquérir une voiture incapable de tirer une remorque « classique » de 750 kg, l'électrique ne peut être alors qu'une seconde voiture...).

Avec ces travaux sur les rendements de la chaîne de motorisation sont menés des travaux sur la résistance à l'avancement : maître couple, coefficient de pénétration dans l'air, contact des pneumatiques avec le sol, poids du véhicule, influence des revêtement de carrosserie, des accessoires extérieurs, profilage des bas de caisse, des roues, des logements de roues, etc...

L'objectif de ces travaux étant de réduire encore le besoin énergétique, pour arriver à des consommations énergétiques de 10 à 20% inférieures aux valeurs actuelles.

Ces gains, associés à une augmentation « raisonnable » de la capacité de batterie ( + 20% ? ) permettraient de porter l'autonomie à 500 km.

Aujourd'hui les 700 km d'autonomie ne sont « possibles » qu'avec des batteries de 100 kWh utiles, encore trop coûteuses pour le moyen de gamme.

La voiture électrique de milieu de gamme est encore aujourd'hui tiraillée entre la nécessité de tenir les coûts pour ne pas faire fuir les clients, tout en offrant des possibilités d'utilisation acceptables par rapport aux standards auxquels les clients sont habitués depuis plus d'un demi siècle.

C'est un peu la quadrature du cercle, une gymnastique qui justifie l'agitation fébrile dont le résultat est la multitude de nouveaux modèles offerts dans les vitrines, avec des arguments à la limite de la bonne foi.

Il nous reste à espérer que la prochaine décennie nous apportera un peu plus de visibilité sur la mobilité du futur, en particulier sur la crédibilité des différentes propositions pour la motorisation :

Electrique VEB, Hybrides PHEV, Hydrogène et pile à combustible, Thermique à Bio carburant ou biogaz, et/ou carburant de synthèse, etc ?

Un VEB acheté aujourd'hui est logiquement suspecté de voir sa cote diminuer rapidement sur le marché de l'occasion. Dépassé par les perfectionnements constants de la technologie, et plombé par la vétusté d'une batterie dont le SoH sera nécessairement affecté par le cyclage, l'objet aura du mal à trouver preneur face aux propositions de véhicule neuf en LDD ou LOA pour un modèle « up to date ».

Mais l'effet contraire peut également se produire si la décision de Bruxelles d'interdire la vente des véhicules thermiques à carburants fossiles est appliquée : La demande de voitures électriques d'occasion peut alors exploser et faire grimper leur cote...

Le modèle commercial de la transition du pétrole à l'électrique pour la mobilité nous réserve décidément quelques surprises...

La charge rapide, le challenge de la voiture électrique.

9 Août 2023

Dans le développement de la voiture électrique, la batterie demeure l'élément le plus problématique.

( Loin devant le moteur, qui ne pose pas de problème technologique majeur sinon les classiques problèmes d'ajustements coût/performances et optimisation du rendement ).

La technologie de batteries au Lithium a certes amené une augmentation significative de la capacité spécifique ( Nombre de kWh par kg de poids ) qui a permis de donner aux modèles actuels une autonomie décente, bien qu'encore très inférieure à celle des véhicules à moteur thermique.

( Et surtout très dépendante des conditions d'utilisation : Type de conduite, conditions météo, profil de la route, chargement, utilisation de la climatisation, récupération, ou pas, d'énergie au freinage, état d'usure de la batterie, etc ).

Il suffit de voir le succès des modèles hybrides rechargeables pour se convaincre de la réalité de ce problème.

Cette autonomie perfectible a cependant permis de lancer le marché du véhicule électrique, mais son expansion naturelle vers l'ensemble du parc demeure conditionnée par la solution de trois problèmes :

D'une part, augmenter significativement la capacité utile des batteries pour retrouver une autonomie réelle classique autour de 600 km. Une valeur de 100 kWh devrait devenir la norme pour une voiture de milieu de gamme.

( ceci doit être obtenu par augmentation de la capacité spécifique afin de ne pas pénaliser le poids déjà très significatif ).

D'autre part, généraliser l'accès aux bornes de charge rapide pour récupérer en 10 à 15 minutes 80% de la charge utile ( Bornes de 300 kW effectifs ).

Enfin, normaliser le système d'accès aux bornes, et de paiement, tels qu'ils sont prévus par le protocole ISO 15 118 ( Plug & charge ).

Accessoirement, clarifier le système de tarification.

Aujourd'hui les batteries de 100 kWh sont encore trop coûteuses et trop lourdes pour équiper les voitures de milieu de gamme, et les bornes de charge rapide de 300 kW sont encore une rareté ; quand aux procédures d'accès et de paiement, la décence nous déconseille d'en parler...

Faire le plein avec une voiture thermique est une formalité qui n'appelle aucune remarque, et le maillage des stations-service est tel que l'affaire ne prend que cinq minutes, un non problème, sinon l'odeur du carburant pour les nez délicats.

Il en va autrement avec les voitures électriques.

Le courant soutiré par le moteur dépend de la puissance demandée.

( Oui, c'est évident, mais encore fallait-il le rappeler...)

Pour rouler à environ 100 km/h, une voiture électrique consomme typiquement 15 kWh/100 km en moyenne, et la batterie fournit donc une puissance de 15 kW, et un courant de 40 A, ce qui lui permet de parcourir environ 300 km avec une batterie de 50 kWh, qui est plus ou moins la norme aujourd'hui sur les voitures de milieu de gamme.

Dans ces conditions le courant soutiré à la batterie est de 40 A, pour une tension de 360 V de batterie. C'est un courant modéré, qui correspond à un mode de décharge C/3.

( Le mode C1 correspond à un courant qui vide la batterie en 1 Heure .Le mode C/3 la vide en trois heures)

En pratique, la voiture est équipée d'un moteur dont la puissance est beaucoup plus élevée que 15 kW, plutôt 60 à 70 kW pour donner des accélérations convenables et rouler à 130, et pour le standing...C'est pourquoi l'autonomie réelle dépend de la façon de conduire car, avec 70 kW utilisés sans ménagement, l'autonomie est fortement diminuée.

( Sans parler des modèles affichant plusieurs centaines de KW, qui n'ont que de très lointains rapports avec la voiture moyenne dont nous parlons ).

Le vrai problème de courant se pose pour la phase de recharge de la batterie.

Si un courant de 40 A sous 360 V permet de rouler tranquille 300 km autour de 100 km/h ( avec une batterie de 50 kWh ), ce même courant de 40 A rechargera la même batterie en trois heures !

C'est le cas avec les bornes de 20 kW qui existent à droite et à gauche, et qui conviennent parfaitement pour charger, si le véhicule peut être immobilisé quelques heures, et si la borne est disponible pendant cette durée.

Une borne domestique de quelques kW suffirait même, si le véhicule peut rester immobilisé sept ou huit heures.

Mais de nombreuses activités entraînent un usage intensif de la voiture, qui ne peut s'accommoder d'arrêts plus ou moins aléatoires, pour des durées également aléatoires, et à des moments inopportuns. Un système de charge rapide est nécessaire pour ces types d'usage.

Mais quelle rapidité ?

La référence est évidemment la voiture thermique, qui fait le plein en Cinq minutes pour 700 km.

En utilisation normale «  économe » sur route une voiture électrique consomme environ 15 kWh aux 100 km, pour une vitesse de 100 km/h ( Chiffres moyens ). La batterie de 50 kWh est donc utilisée en mode décharge C/3, soit 40 A en 360 V, pour une autonomie de trois heures.

Mais, pour refaire le plein en cinq minutes, il faudrait un mode charge 12 C, qui nécessiterait un courant de 1 500 A, toujours en 360 V.

Aucune batterie de cette génération ( 360 à 400 V) ne peut supporter ce régime, et aucune borne de charge rapide n'est envisagée pour un tel courant !

( Pour les besoins de très forte puissance de recharge, on passe dans le domaine du standard 800 V, qui permet d'avoir deux fois plus de puissance pour le même courant. Des essais sont en cours pour élargir la norme à ce domaine, surtout pour les véhicules de transport lourd dont les capacités de batterie sont très élevées et donc les courants max également .

Quelques voitures de haut de gamme ont déjà adopté ce standard, il n'est pas impossible qu'il soit étendu au moyen de gamme dans l'avenir …).

Pour nos modestes voitures, et les (encore) modestes batteries associées ( 50 kWh ), les modes de charge max sont limités en général à C2 ( limite imposée par le fabricant de la batterie et indiquée au catalogue ), ce qui permet de récupérer une charge de 30 kWh (20 à 80%) en 20 minutes environ sur une borne de 100 kW.

Inutile de se brancher sur une borne de 350 kW, elle n'en fournira que 100, conformément à la limite imposée par le BMS de votre voiture.

La recharge d'une batterie de 50 kWh/ 400 V en cinq minutes est donc à oublier, du moins sur les modèles de milieu de gamme, et pour encore quelques années.

( Dans ce domaine les pronostics sont hasardeux car les fabricants de batteries ont plus d'un tour dans leur sac, tant les chinois que les japonais ou les américains...

Rien n'empêche un constructeur d'autoriser le mode C3, voire C4, selon sa conception de la fiabilité...)

Sur les voitures de haut de gamme, on commence à voir des batteries de 100 kWh, qui peuvent donc supporter d'être chargées sur des bornes de 200 kW en mode C2, et davantage si le mode C3, voire C4 est accepté par le constructeur de la voiture ( Voir Tesla...).

Le courant max de charge que peut supporter une batterie pendant un temps donné dépend de sa technologie, des matériaux utilisés avec le Lithium pour les électrodes, le comportement de la résistance interne, l'élévation de température admissible, l'efficacité d'un éventuel système de refroidissement de batterie, ou de réchauffage, la qualité du contrôle de l'équilibrage des cellules,

l'efficacité du BMS ( Battery Management System ), l'état général de la batterie en fonction du « cycling » ( SOH, State Of Health ), de son état de charge ( SOC ), et de la marge de sécurité acceptée par le constructeur.

Ces paramètres font la différence entre une bonne batterie, une batterie standard, et une batterie de grande qualité.

Par exemple, la Peugeot e-208 est équipée d'une batterie de 50 kWh dont le régime de charge est limité à 2C, soit 100 kW. Même branchée à une borne de 300 kW, elle ne recevra au maximum que 100 kW. ( Valeur max indiquée au catalogue Peugeot ). La recharge de 20% à 80% sera effectuée en vingt à trente minutes environ .

Tenter de charger à C3 ou C4 une batterie spécifiée pour C2 max peut très mal se terminer pour la batterie, la voiture, et l'entourage si les pompiers tardent à intervenir...

La recharge d'une batterie de voiture électrique est précédée d'un dialogue entre le BMS de la voiture, et la borne de charge sur laquelle le véhicule est branché. La communication est bidirectionnelle :

Le BMS de la voiture envoie une requête accompagnée d'informations sur le type de la batterie branchée, la tension min, la tension max, la capacité utilisable, la température actuelle de la batterie, son état de charge (SOC), son acceptation ou pas de la charge rapide, la valeur du courant max accepté, l'état de santé de la batterie ( SOH), la température max acceptée, la quantité d'énergie demandée, etc.

La borne examine et enregistre ces données, et répond sur la possibilité, ou pas, de répondre à cette requête, propose un plan de charge, et indique le montant de la transaction.

( C'est du moins ce que doit faire une borne bien élevée)

Le client accepte, ou propose un autre programme, et valide la transaction à travers un moyen de paiement ( Carte à insérer, ou transaction à travers un smartphone, ou un terminal local ).

Ce n'est qu'à l'issue de ce « colloque singulier » que l'énergie est, ou pas, envoyée dans la batterie du quidam.

( Il peut arriver que la borne refuse d'envoyer la puissance, pour des raisons techniques ; par exemple batterie trop déchargée, température trop élevée ou trop faible, ou SOH ( State Off Health ) douteux. Ou qu'elle refuse la charge complète, ou pour toute autre raison ).

L'objectif en matière de charge sur les bornes puissantes est l'automatisme tel qu'il est défini dans la norme ISO 15 118, qui sera ( est déjà?) implémentée dans les versions récentes de COMBO CCS, y compris l'identification du véhicule, de son propriétaire, et facturation automatique de l'énergie reçue.Voir :

https://www.afirev.fr/wp-content/uploads/2020/01/AFIREV-Livre-blanc-d%C3%A9ploiement-15118_Vf-3.pdf

Il est évident que l'évolution du Hardware et du software associés devront assurer un niveau minimum de rétrocompatibilité afin de ne pas pénaliser les véhicules existants.

( Un véhicule acheté en 2015 doit pouvoir utiliser les bornes de charge rapides installées en 2025 )

Mais là ne s'arrête pas la marche du progrès puisque la transition énergétique implique le recours massif aux énergies renouvelables intermittentes, à l'intégration d'une multitude d'installation domestiques raccordées au réseau électrique, lui-même devant accueillir une multitude de stations de recharge pour les véhicules électriques.

Pour gérer ces nouvelles structures et continuer à garantir la stabilité du réseau, il est devenu indispensable de mettre en place des nouvelles méthodes de gestion ( Réseau intelligent ) impliquant le consommateur qui devient un élément de la gestion globale.

C'est là qu'intervient la notion de « batterie domestique », déjà largement mise en œuvre dans certains pays, et qui consiste à équiper les installations d'autoproduction d'une batterie de grande capacité susceptible de participer à la régulation du réseau, et plus seulement aux seuls besoins du foyer.

La batterie d'un éventuel véhicule électrique doit pouvoir être intégrée à ce réseau, dans des conditions contractuelles négociées évidemment.

Cette option est prévue dans la norme ISO 15118, la voiture devant être compatible avec ce nouveau service.

Cette nouvelle application de la batterie de voiture électrique devrait amener à reconsidérer l'utilité d'une batterie de 100 kWh, dont le raccordement occasionnel au réseau pourrait s'accompagner de certains avantages tarifaires...

( Charger gratuitement sa voiture dans la journée sur le parking d'entreprise, pour en revendre une partie à EDF, pourquoi pas ? )

Ce bouillonnement dans le secteur des batteries et des infrastructures de rechargement nous réserve des surprises dans les prochaines années, avec peut-être quelques grincements de dents...

Le Gaz, un produit d'avenir ?

29 Juillet 2023

La prise de conscience de la nécessité de supprimer les émissions anthropiques de Gaz à effet de serre a été une démarche intellectuelle lente, si tant est qu'on puisse la considérer comme totalement accomplie aujourd'hui.

( Il existe encore un mouvement de pensée négationniste groupant des partisans dont certains ne sont pas dénués d'influence ).

Depuis deux siècles les sociétés humaines se sont organisées sur le principe de la croissance économique et technologique soutenue par l'utilisation massive de l'énergie, laquelle est encore obtenue essentiellement à partir des produits fossiles ( 80% ), ceux-là même qui sont aujourd'hui condamnés par la nouvelle croisade.

Personne n'est prêt à abandonner la civilisation actuelle pour un autre système dont l'énergie ne serait plus le moteur.

( Au contraire même, les pays hors OCDE sont demandeurs pour accéder à cette société énergétique : Voitures, camions, trains, bateaux, engins de chantiers, avions, climatisation, appareils ménagers, soins médicaux, informatique, communications, audio-visuel, loisirs, etc ).

L'abandon des fossiles implique donc impérativement leur remplacement par des sources d'énergie décarbonée, avec le double objectif de ne pas détruire l'édifice technico-économique que nous avons mis deux siècles à construire, et de garantir le développement des zones hors OCDE.

Compte tenu des ces impératifs incontournables, le passage rapide de la conviction intellectuelle à la démarche concrète de transition énergétique paraît de plus en plus illusoire.

Ce passage ne pourra être que progressif et s'étaler sur de nombreuses décennies, pour d'une part valider les différentes étapes, et d'autre part réunir les moyens financiers nécessaires car plusieurs milliers de Milliards devront être investis chaque année pour un tel programme.

L'idée d'y aller progressivement n'est donc pas stupide à priori.

Les énergies fossiles n'ont pas toutes la même nocivité carbonée.

Le charbon est le plus émetteur de CO2, suivi du pétrole ( - 30% ), puis du Gaz naturel ( - 50% ).

Il serait donc assez logique de s'attaquer d'abord au charbon, puis au pétrole, et laisser un sursis au Gaz naturel qui pourrait assurer une transition progressive vers la décarbonation totale de l'énergie, en corrigeant les soubresauts d'une pénurie qui serait due aux aléas de la croissance des renouvelables décarbonées.

Les avantages de conserver une filière Gaz sont nombreux :

- Les réserves mondiales de Gaz naturel sont importantes.

- Les sources d'approvisionnement sont relativement diversifiées.

- La substitution par du Biogaz ou du Gaz de synthèse sera naturelle et sans impact sur les installations existantes le moment venu.

- Les centrales électriques à gaz, à la fois de base et pilotables, sont LA solution adéquate pour la compensation de l'intermittence de l'éolien, du solaire, et de l'Hydroélectrique.

( Centrales alimentées d'abord par le GN, puis par du Biogaz et/ou du gaz de synthèse ).

- Les installations du réseau de distribution et de stockage de Gaz existantes seront directement utilisables avec le Biogaz ou le gaz de synthèse, sans modification majeure.

- Le Gaz demeure une solution efficace pour le chauffage des bâtiments, grâce au couplage avec les PAC, le Gaz naturel étant remplacé par le Biogaz le moment venu.

-Les applications existantes du GNV ( Gaz Naturel pour Véhicules ) pourront alimenter le parc automobile à moteur thermique subsistant après 2035, avec des modifications mineures déjà en service, éventuellement transposées sur le Bio-gaz et/ou le gaz de synthèse lorsqu'ils seront disponibles.

Dans la mesure où la panoplie des énergies de substitution comprendra du Biogaz et du Gaz de synthèse, et compte tenu de toutes les applications citées plus haut, il est logique de réserver au Gaz

naturel un sort moins brutal que celui du charbon et du pétrole.

( La mort du moteur thermique, décidée pour 2035, est un exemple de ces décisions à la hussarde traduisant plus un manque de sang froid qu'une réflexion mesurée...)

Il pourrait de plus constituer une variable d'ajustement pour sécuriser la transition énergétique pendant la période de croissance des nouvelles sources, période qui peut être chaotique*...

*( Fabriquer de l'électricité décarbonée est une chose, adapter la technologie de la planète Terre à utiliser cette électricité en remplacement du pétrole en est une autre, bien plus compliquée...)

Il y a ainsi de nombreuses raisons de préserver la filière Gaz au moins jusqu'en 2050, date à laquelle il sera possible de constater le succès ( ou l'échec ) de la première phase de la transition énergétique.

De l'énergie verte oui, mais laquelle ?

8 Juillet 2023

Nous sommes donc mis en demeure de mettre fin à l'usage des combustibles fossiles sous peine d'avoir à subir un désastre climatologique entraînant des conséquences extrêmes sur les sociétés humaines.

( Un grand nombre d'autres facteurs participent également à perturber le climat, mais leur rôle est considéré comme mineur par rapport au CO2 des fossiles, qui demeurent l'accusé principal identifié par le GIEC.

Une autre raison de se débarrasser des fossiles est leur disparition prochaine par épuisement des gisements naturels, et leur moindre intérêt en tant que réserves stratégiques, eu égard à la tournure prise par les relations internationales...).

Pour remplacer les fossiles d'ici la fin du présent siècle, il nous faut donc recourir aux énergies décarbonées déjà identifiées et déjà exploitées de par le monde :

Eolien, Solaire, Hydraulique, Géothermique, et Nucléaire.

Auxquelles on pourra joindre les sources d'énergie à carbone recyclable, sous certaines réserves :

Biomasse solide, Biogaz, Biocarburants.

Il existe donc huit méthodes validées et utilisables immédiatement, parmi lesquelles il faut faire des choix, car chacune nécessite des investissements lourds particuliers à la fois pour la production de l'énergie et pour les applications de cette énergie.

Les choix dépendront d'une part des dispositions naturelles géographiques ( Climat, Hydrologie, Ensoleillement, régimes des vents, Géologie, Géothermie, espaces cultivables, couvert forestier, …) et d'autre part des choix politiques des Etats concernant l'indépendance énergétique, les accords d'échanges internationaux, etc.

Par ailleurs, la lutte contre les émissions de CO2 fossile est un combat planétaire. Les résultats se mesureront globalement et donc les solutions choisies seront appréciées* en fonction de l'impact sur la planète, et non à l'échelon local.

*( l'externalisation des émissions de CO2 sera évidemment pénalisée ).

La France utilise déjà les sources d'énergie décarbonées : Hydraulique, Biomasse, Eolien, Solaire, Géothermie, Nucléaire, qui participent pour 42% à notre consommation finale d'énergie.

Le challenge consiste à remplacer les 58% restants fournis par les fossiles.

Compte tenu du potentiel d'aménagement du territoire français, du peuplement, des impératifs écologiques, de la vocation agricole vers les cultures vivrières, et des faibles possibilités d'extension de l'hydraulique et de la Géothermie, l'accent a été mis sur les sources d'énergie à fort potentiel de développement :

Eolien, Solaire, et Nucléaire.

Ces sources produisent essentiellement *de l'électricité.

*( Le Solaire thermique aura cependant un rôle à jouer, et il n'est pas interdit de penser à valoriser la chaleur fatale des réacteurs nucléaires...)

Les EnRth, qui participent aujourd'hui pour 15% de l'énergie finale, croîtront en fonction des opportunités dans les domaines du Biogaz, de la Géothermie, de la cogénération ( éventuellement nucléaire ), et de la filière bois-énergie déjà bien développée.

Le développement des Biocarburants devient sans intérêt *depuis la décision de Bruxelles de supprimer les moteurs thermiques...

* ( Si nécessaire ils pourront être importés, cela dépendra de l'évolution du feuilleton bruxellois « Il faut tuer le moteur thermique » dont le dernier chapitre est à rebondissements...).

Dans la stratégie française, le projet le plus important est la réduction des besoins énergétiques dans tous les domaines. Les moyens qui seront mis en œuvre reposent sur quatre piliers :

- L'électrification des applications reposant aujourd'hui sur les fossiles.

- La chasse aux gaspillages d'énergie.

- La gestion intelligente de l'énergie de réseaux, notamment électrique.

- La promotion pour une réforme des comportements des usagers.

Le but étant de réduire drastiquement la dépense d'énergie finale, vers un objectif de l'ordre de 1000 TWh contre 1650 aujourd'hui.

Ce qui limiterait à moins de 400 TWh* la quantité d'énergie renouvelable nécessaire pour remplacer les fossiles.

*( Dont au moins 300 TWh électriques...).

Ces 300 TWh supplémentaires d'électricité seront éventuellement partagés entre l'Eolien, le Solaire, et le Nucléaire.

Les 50 parcs éoliens offshore ( 4 000 machines ) évoqués par le Président fourniraient 150TWh, les autres 150 TWh seraient fournis par une dizaine de nouveaux réacteurs nucléaires, également prévus par notre énergéticien favori.

Tout cela évidemment en sus du parc de production déjà existant, éventuellement renouvelé pour remplacement des réacteurs arrivés en fin de vie.

Il ne reste plus qu'à trouver les centaines de Milliards* qui seront nécessaires tous les ans pour financer cet aggiornamento, et surtout à former les dizaines de milliers de spécialistes qui seront nécessaire à la réalisation de ce vaste programme.

*( Et quelques centaines d'autres qui seront nécessaires au financement des travaux d'aménagement du territoire pour pallier les conséquences du dérèglement climatique, qui se produira quoiqu'il arrive...).