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Le véhicule électrique : un avenir étroitement lié aux progrès réalisés sur les batteries


La commercialisation auprès du grand public de ce type de véhicules a débuté récemment en France (avec les modèles de Renault et Peugeot SA notamment). De nombreux progrès sont à attendre, particulièrement sur le stockage massique des batteries, sur le coût et la sécurité des piles à combustible (prolongateur d’autonomie), et enfin sur l’optimisation des flux entre moteur électrique, batteries et piles à combustible (ou moteur thermique, couplé à une génératrice électrique d’énergie, selon le type de prolongateur d’autonomie choisi).



La batterie sur laquelle se concentrent la plupart des recherches est la batterie Li-ion. Celle-ci possède actuellement une énergie massique de 120 à 200 Wh/kg selon la technologie choisie (cobalt, manganèse, fer-phosphate, etc.). C’est la plus performante à l’heure actuelle. Sachant qu’un véhicule de gamme moyenne exige de 130 à plus de 200 Wh/km selon les usages, il faut au minimum disposer de 1 à 2 kg de « pack batteries » pour assurer un kilomètre d’autonomie, soit au moins 200 kg pour assurer 100 km d’autonomie. Pour l’avenir, les véhicules électriques à batteries seront donc nécessairement petits et légers (entre 400 et 700 kg) et effectueront des trajets de type urbain ou périurbain.

L’objectif est d’augmenter l’énergie massique de cette batterie (+ 50 % à horizon 2015, voire davantage), d’en renforcer la sécurité (diminution des risques d’incendies par ajout d’additifs) et de doubler l’autonomie de ces véhicules, qui est aujourd’hui de l’ordre de 100 km (250-300 km à horizon 2015).
Le ministère japonais de l’Industrie (METI) estime que le Japon (leader sur le marché des batteries de véhicules particulier) sera capable de développer à horizon 2015 une batterie Li-ion dont le stockage massique sera augmenté de moitié par rapport aux meilleures batteries Li-ion actuelles. Cet objectif est moins ambitieux que celui du CEA (250-300 Wh/kg à horizon 2015) mais semble plus réaliste. Il est également important de noter que les améliorations pouvant être apportée à la batterie lithium-ion ne sont pas infinies : on estime à 400 Wh/kg la limite supérieure de sa capacité de stockage massique (limite du couple physico-chimique utilisé).
Cette batterie devrait également posséder une durée de vie de huit, voire dix ans : 3 000-4 000 cycles en charge/décharge profonde (contre 1 000-2 000 actuellement), et coûter 200- 300 euros/kWh (contre 500-1 000 euros/kWh actuellement), à horizon 2015. Pour développer ces batteries au lithium de seconde génération à haute énergie et haute tension, il faudra travailler sur l’anode, sur la cathode, ainsi que sur l’électrolyte. Il faudra également développer le Battery Management System (BMS) qui recouvre l’électronique de contrôle-commande de chacune des cellules et constitue un élément clé pour la sûreté de fonctionnement, la durée de vie et l’efficacité de la batterie. Enfin, il faudra travailler sur l’électronique de puissance associée à la batterie, pour en réduire le coût (Alstom travaille actuellement sur ces questions).

On notera également que le véhicule électrique devra être intégré dans une approche Vehicle-to-Grid : le véhicule (en charge) pourra stocker ou fournir de la puissance sur le réseau électrique, apportant ainsi une certaine flexibilité au réseau (indispensable dans le cadre de l’utilisation d’énergies renouvelables intermittentes).

Une seconde vie pour les batteries automobiles ?


À horizon 2020-2030, il est possible que les batteries Li-ion, au lieu d’être recyclées ou jetées après 8 à 10 ans d’utilisation dans un véhicule, connaissent une « seconde vie » en étant affectées à un usage stationnaire domestique, en « seconde vie ». En effet, à ce stade, la batterie possède encore 80 % de sa capacité de stockage, ce qui est insuffisant pour un véhicule particulier mais peut être utile pour un réseau domiciliaire. Cette seconde vie pourrait être un moyen de rentabiliser sur le long terme le véhicule électrique, encore trop cher par rapport au véhicule thermique. Cela permettrait également de développer le marché du stockage stationnaire, marché très prometteur en ce sens où il serait à l’origine de davantage de flexibilité dans le réseau électrique et d’une meilleure intégration des énergies renouvelables. Cependant, pour l’heure, en France, une telle utilisation des batteries Li-ion semble difficile, d’une part parce que les capacités de stockage sont encore trop limitées, et d’autre part parce qu’aucun modèle économique ne semble viable pour permettre le développement des batteries de seconde vie : les contraintes extérieures (le pouvoir de négociation des clients, le pouvoir de négociation des fournisseurs de batteries, l’existence de substituts au stockage et les menaces multiples d’entrées sur le marché du stockage domiciliaire) sont bien trop fortes.


À plus long terme (2030-2050), on peut envisager la batterie Li-air utilisant l’oxygène présent dans l’air pour fonctionner. L’énergie spécifique d’un tel accumulateur serait en pratique de l’ordre de 500 Wh/kg. Cela permettrait d’atteindre des autonomies supérieures à 300 km. La réalisation de cet accumulateur est pour de nombreux chercheurs l’aboutissement de la quête de la batterie du futur. Il s’agirait donc d’une véritable rupture technologique. Mais pour l’heure, de nombreux et importants verrous subsistent (on ne pourra pas éliminer ni la vapeur d’eau ni, surtout, l’azote de l’air). À long terme, on peut également envisager d’utiliser des composés lithiés organiques (issus de sucres naturels) mais les recherches dans ce domaine sont encore très peu avancées.

Au contraire des véhicules tout-électrique à batteries, les véhicules équipés de piles à combustible possèdent une grande autonomie (500-800 km) et peuvent être « rechargés » rapidement (temps de remplissage rapide du réservoir : moins de cinq minutes). Ils possèdent également des batteries (souvent Li-ion), utilisées pour les phases de démarrage et d’accélération.

Différentes piles à combustible sont envisageables mais pour le moment c’est la pile à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC), qui est la plus en vue pour les véhicules légers (fabriquées notamment par les sociétés Hélion, Axane, Symbio Fuel Cell) : véhicule électrique avec prolongateur d’autonomie (pile de 20- 30 kW) ou véhicule avec pile à combustible en full power (pile de 80 kW). Cette pile qui fonctionne (pour le moment) uniquement à l’hydrogène offre de bons avantages en matière de facilité d’utilisation, de température et de compacité). Plusieurs constructeurs automobiles ont d’ores et déjà réalisé des prototypes de véhicules à pile PEMFC, comme le groupe français PSA Peugeot Citroën avec la H2Origin.

Un inconvénient majeur de la pile à combustible est son coût élevé en comparaison des moteurs thermiques : la version à pile à combustible du Huyndai ix35 dont la sortie est prévue aux environs de 2015 est estimée à 45 000 dollars contre 30 000 dollars pour la version thermique. Ce surcoût, principalement lié au coût de la pile et du réservoir, est le principal obstacle au développement de ces véhicules. Certains progrès sont nécessaires pour réduire ce coût, notamment au niveau de la membrane échangeuse de protons.

Le second obstacle est la sécurité. Un réservoir de véhicule équipé de pile à combustible contient entre 3 et 6 kg d’hydrogène (ou plus, selon l’autonomie voulue) sous une pression très importante de 350 ou 700 bars (selon les modèles). Des questions se posent alors sur l’étanchéité du réservoir même si aucun incident n’est à signaler pour le moment (ces risques sont minimes selon le CEA).
1 kg d’hydrogène représente un peu moins de 100 km d’autonomie pour un véhicule de catégorie C.


Enfin, le dernier obstacle et non des moindres concerne le réseau de distribution d’hydrogène, indispensable pour qu’une commercialisation massive de ces véhicules cher à mettre en place (investissement de 1 milliard d’euros pour 1 000 stations). Et malgré la volonté d’Air Liquide et des constructeurs automobiles de le voir apparaître (projet H2 Mobility, mené en Allemagne, en Angleterre, et bientôt en France d’ici à fin 2012), ce projet reste peu soutenu par les pouvoirs publics. La France demeure en retard dans le domaine du véhicule à pile à combustible par rapport notamment à l’Allemagne et malgré une bonne dynamique dans la R & D et dans l’industrie.

En dépit de ces obstacles, la commercialisation de quelques véhicules à pile à combustible full power est prévue pour 2014-2016 (Michelin HY-Light, Hyundai ix35 FCEV, GM-Opel HydroGen4 ou encore Honda FCX Clarity). Près du tiers de cette production (30 %) devrait être destiné au marché des flottes captives (en France). La commercialisation des véhicules électriques à batteries avec prolongateur d’autonomie par pile à combustible pourrait également intervenir à la même période.

La production d’hydrogène


L’hydrogène est un vecteur d’énergie, donc un moyen de stocker l’électricité pour assurer plus de souplesse au réseau électrique. Il peut être produit de différentes manières. Les plus répandues sont les méthodes de reformage d’hydrocarbures légers (en particulier du gaz naturel) et d’oxydation partielle des hydrocarbures plus ou moins lourds ou du charbon (95 % de la production). Ces méthodes ont un bon rendement (70-80 %) mais sont fortement émettrices de gaz à effet de serre. L’électrolyse de l’eau est une autre technique aujourd’hui mise en oeuvre à l’échelle industrielle pour produire de l’hydrogène. Son intérêt majeur tient au fait qu’elle permet une production non émettrice de CO2 si l’électricité est d’origine non carbonée (renouvelable ou nucléaire). Seulement, en raison de son coût élevé (environ cinq à dix fois supérieur à celui du procédé par vaporeformage du gaz naturel), cette technique est présentement réservée à des marchés de niche (environ 1 % de la production mondiale), en particulier pour la production d’hydrogène de très grande pureté.


Enfin, des progrès vont être réalisés au niveau de l’optimisation des flux entre moteur électrique, batteries et prolongateur d’autonomie le cas échéant. Cette optimisation se fera selon l’usage voulu pour le véhicule. Le véhicule tout-électrique sera limité par son autonomie. Il sera donc destiné principalement à un usage urbain (voire périurbain). Par conséquent, la diminution de sa masse sera un enjeu majeur. Ce véhicule sera ainsi particulièrement sensible aux progrès en matière de stockage massique des batteries. Le véhicule électrique à prolongateur d’autonomie par pile à combustible ou à moteur thermique (via une génératrice électrique) est quant à lui destiné à un usage polyvalent : principalement urbain et exceptionnellement routier. Il pourra se permettre d’être plus lourd, et embarquer davantage de batteries.

Ces véhicules émettront alors 0 gCO2/km, du réservoir à la roue et donc sans prendre en compte le mode de production de l’hydrogène. Air Liquide estime qu’avec son objectif de produire 50 % de son hydrogène pour des applications énergétiques de manière décarbonée à horizon 2020, les émissions du véhicule, du puits à la roue cette fois-ci, seront de l’ordre de 4-5 gCO2/km.