Stockage de l'électricité: les batteries du futur

Pour le moment, j'ai écrit sur mon blog à propos des voitures électriques, des nanotechnologies, de la politique notamment au niveau de la fiscalité du diesel. On va mettre tout ceci ensemble au fil de cet article et des articles à venir. Tout est lié.

On va maintenant rentrer petit à petit dans le futur avec cet article, qui fait un petit tour des technologies de batterie passées et présentes. Cela permettra ensuite, peut-être dans les prochains articles, de se projeter sur les voitures électriques à horizon 10/15 ans en dissertant des technologies de batterie à venir et éventuellement des sociétés qui les développent (Polyplus, Sion, Oxys, ohms, A123 par exemple).

Lorsque l'on parle de batterie électrique, il y a quelques données fondamentales à retenir parce qu'elles ont une importance capitale pour l'usage que l'on souhaite en faire dans le cadre des déplacements urbains doux: l'électro-mobilité.

A mon sens, les données vraiment essentielles sont au nombre de deux:

  • l'énergie spécifique (ou densité massique) exprimée en Wh/kg (watts/heure par kilogramme)
  • l'énergie volumique (ou densité volumique) exprimée en Wh/L (watts/heure par litre)

Deux autres données sont aussi importantes:

  • la capacité de décharge, exprimée en ampères/heure (Ah), et notée C. Plus cette valeur sera élevée, plus l'énergie libérée en un temps donné sera importante. Pour imager, on peut dire que c'est ce qui déterminera le nombre de chevaux d'un véhicule électrique: on peut très bien avoir un véhicule électrique qui puisse rouler 300 km avec une vitesse de 50 km/h et des accélérations poussives, tout comme on peut avoir un véhicule qui puisse rouler 200 km avec une vitesse de 150 km/h qu'il est possible d'atteindre en 5 secondes seulement, ce qui suppose la libération d'une énorme quantité d'énergie en un temps très très court.
  • Le nombre de cycles de charge/décharge. Ce nombre mis en relation avec l'énergie spécifique et la consommation que vous faites de la batterie, conditionne sa durée de vie.

D'ailleurs, à l'extrême, on parlera aussi de super-capacités (ou super-condensateurs) qui ont la propriété à la fois d'accumuler et de restituer d'énormes quantités d'énergie en quelques millièmes ou dixièmes de seconde. C'est notamment le cas du groupe Bolloré qui est un des spécialistes en la matière.

Plus les deux premières données sont élevées, plus la batterie contient d'énergie au kilo et plus elle contient d'énergie dans un espace, un volume, un "encombrement" donné.

Dans le cadre du véhicule électrique, plus on se rapproche d'une batterie légère, occupant un faible volume et contenant beaucoup d'énergie, mieux c'est. Je donnerai quelques exemples de calculs pour certaines voitures électriques disponibles actuellement.

Ainsi, la traditionnelle batterie acide/plomb est très lourde et volumineuse, et elle contient peu d'énergie. Au fil du temps, les propriétés électriques de différents éléments du tableau périodique des éléments ont pu permettre d'améliorer les batteries.

Voici ci-dessous un premier graphique montrant pour les technologies de batterie actuelles, leur énergie spécifique.

bat1.png

On voit tout de suite que les batteries acide/plomb n'en mènent vraiment pas large... Vous pouvez aussi situer l'avancée apportée par la technologie lithium-ion qui est partout à notre époque (2005/2015).

De plus, ce graphe ne montre pas toutes les différentes technologies lithium-ion actuellement existantes, comme les différentes déclinaisons du lithium phosphate par exemple. Les données peuvent changer du tout au tout dans un même segment de technologies de batterie.

Prenons quelques exemples appliqués aux voitures électriques du moment dont j'ai déjà pu parler dans mes précédents articles:

  • la Renault ZOE (que je possède), est vendue avec une batterie lithium-ion fabriquée par LG. Les caractéristiques: 290 kg, 22 kWh de capacité utile (24 kWh de capacité totale), volume inconnu, autonomie 150 km. C'est ce que je fais en réel en belle saison, donc c'est vérifié en cycle mixte urbain/péri-urbain, avec des vitesses qui varient de 30 km/h et beaucoup de départs arrêtés, jusqu'à 110 km/h.
  • la Bolloré BlueCar (dont j'avais pré-commandé 2 exemplaires), possède une batterie LMP conçue par Batscap, filliale du groupe Bolloré. La technologie est Lithium Métal Polymère. 300 kg, 30 kWh de capacité totale, 300 litres, autonomie réelle estimée 200 km. J'ai maintenu pendant quelques années un dossier complet exclusivement dédié à la BlueCar sur mes sites web, je la connais bien donc.
  • la BMW I3 est vendue avec une batterie lithium-ion fabriquée par Samsung SDI: 230 kg, 22 kWh de capacité totale, volume inconnu, autonomie réelle estimée 150 km.
  • la Tesla Model S est vendue avec une batterie lithium-ion fabriquée par Panasonic, à base de piles référencées 18650A: 544 kg, 85 kWh de capacité totale, autonomie réelle estimée 400 km.

Notez que je parle ci-dessus de la capacité totale et de la capacité utile. Certains constructeurs comme Renault, indiquent bien 22 kWh de capacité utile. D'autres vous indiquent uniquement la capacité totale. Il faut en effet avoir présent à l'esprit que l'un des défauts de la technologie Lithium-Ion, c'est que les batteries ne peuvent être utilisées, c'est à dire déchargées, à 100%, sous peine d'être endommagées. Lorsque dans la Renault ZOE, l'ordinateur de bord vous indique qu'il reste 0% d'énergie dans la batterie, en fait il en reste 20%, mais qui n'est pas utilisable.

Un autre défaut du Lithium-Ion, c'est que le lithium s'enflamme de fort belle manière à l'air, et arroser des batteries lithium-ion qui brûlent ne fait que décupler l'incendie, le lithium aimant beaucoup l'eau aussi... Certains constructeurs sont parvenus, cependant, à éviter cet écueil.

Nous verrons dans d'autres articles à venir sur mon blog, que d'autres technologies de batterie, comme le Lithium-Sulfure, ne connaissent pas cette même limite, et que la capacité utile est donc très très proche de la capacité totale (>95%). De ce point de vue, ces technologies sont bien meilleures.

Calculons l'énergie spécifique de chaque modèle, en prenant en compte la capacité totale de chaque batterie:

  • Renault ZOE: 82 Wh/kg
  • Bolloré BlueCar: 100 Wh/kg
  • BMW I3: 95 Wh/kg
  • Tesla Model S: 156 Wh/kg

En conclusion, la ZOE dispose du pack de batterie le moins intéressant en rapport poids/énergie embarquée, tandis que la Tesla Model S dispose du pack de batterie le plus intéressant. Autrement dit, si dans ma Renault ZOE, je remplaçais son pack de batterie de 290 kg par les mêmes modules de batterie utilisés sur la Tesla, à poids constant, je disposerais de pratiquement deux fois plus d'énergie embarquée. C'est à dire que je pourrais rouler presque 300 km au lieu de 150 km!

Voici ci-dessous un second graphique montrant l'énergie spécifique de diverses technologies de batterie: vous pouvez constater que cette énergie spécifique, pour le Lithium-Sulfure, dépasse d'un facteur 2 à 2.5, celle de la technologie du moment: le lithium-ion. Et ça c'était en 2011. Fin 2013, certaines sociétés américaines sont parvenues à atteindre 600 Wh/kg avec le Lithium-Sulfure... J'en parlerai dans mon prochain article.

bat2.png

Source de l'image ci-dessus: http://www.hybridcars.com/oxis-jump-starts-first-commercialization-of-lithium-sulfur-batteries/

Pour terminer ce premier article, il est intéressant d'observer la consommation moyenne en Wh/km (watts/heure par kilomètre) pour chaque modèle:

  • Renault ZOE: 146 Wh/km
  • Bolloré BlueCar: 150 Wh/km
  • BMW I3: 146 Wh/km
  • Tesla Model S: 212 Wh/km

Seconde conclusion, si la Tesla Model S pouvait s'approcher de la consommation des autres marques de véhicule, elle pourrait parcourir 33% de kilomètres en plus avec son pack de batterie de 85 kWh. Donc en optimisant au mieux, en imaginant que l'on ait un véhicule électrique avec une batterie de 85 kWh consommant 146 Wh/km, on pourrait parcourir 582 km. Ce n'est là qu'une simulation, bien entendu.

Dans le prochain article, je mettrai tout cela en rapport avec l'énergie spécifique du pétrole (essence, diesel, ...), et je parlerai des batteries de nouvelle génération à horizon 2 à 10 ans. Vous serez surpris...

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