La voiture électrique

Conférence-débat organisée le jeudi 14 février, dans les locaux de la Maison de la Vie Associative et Citoyenne du 12e.

Intervenants : Didier Marquet et Jean-Luc Pasquinet

Première intervention

Par Didier Marquet qui a travaillé à la R&D France Telecom (CNET) puis à Orange Labs sur de nouvelles solutions en énergie pour alimenter sans coupure les équipements des réseaux de Télécommunications dans nos pays largement électrifiés et dans ceux où il n’y a pas de réseau électrique comme en Afrique. Il utilise son temps libre pour accélérer l’usage des énergies renouvelables en individuel ou petits groupes nécessairement associées à la réduction de consommations, et en étudiant et testant des solutions de voitures électriques de proximité en collaboration avec des amis.

L’histoire de la locomotion

Avant d’aborder le véhicule électrique, il est intéressant de savoir comment on se déplace et comment on déplace les objets. Tout a commencé par la marche à pied. Puis on a appris à utiliser la force animale et on a vite utilisé la roue – une très grande invention. Des millénaires après, on a cherché à motoriser pour aller plus loin et porter plus sur terre et mer, puis en l’air. Mais deux aspects différents sont à considérer : motoriser plus et devenir plus autonome.

Ainsi Denis Papin a été un des grands précurseurs de la motorisation. Avec dans un premier temps, comme des moteurs à vapeur d’eau qui servait par exemple à pomper l’eau des mines d’extraction de minerais ou charbon, ou bien remplaçaient les moulins à eau ou éoliens pour les moulins ou des machines industrielles et des machines à vapeurs mobiles pour l’agriculture comme les batteuses à courroie. Aujourd’hui les très grands générateurs thermiques à combustibles fossiles ou nucléaires utilisent toujours la vapeur dans des turbines sophistiquées entraînant des alternateurs produisant l’électricité. Il commença aussi a y avoir des véhicules à vapeur plutôt de transport de marchandise ou en commun sur rail mais aussi sur route qui faisaient certes une forte fumée mais ils posaient moins de problèmes pour la ville que l’utilisation des chevaux certes écologiques, mais en grands nombre, trop salissant, bruyants et pas bien hygiéniques et provoquant avec leurs attelages de graves accidents. Après la révolution, certains se posèrent la question « ne pourrait-on pas se déplacer avec moins de moyens lourds. Au début, on entraîne avec les pieds dans le jardin des Tuileries la Célérifère à selle et deux roues mais elle ne vire pas. Alors est inventée la Draisienne muni d’une direction de la roue avant et se succèdent beaucoup d’inventions comme le guidon, et la transmettre du mouvement vers les roues par pédalier et chaîne.  Le vélocipède ou vélo est né et reste toujours aussi génial avec des variantes plus ou moins carénées, bi- tri- ou quadricycles qui autorisent des autonomies de centaines de km surtout si elles sont motorisées comme les fameux Solex ou les vélos à assistance électrique au pédalage. 

A propos d’électricité, Volta avait montré à Napoléon la première pile Zinc-cuivre-acide qui avait une tension de 10 000 volts. Vers 1850, Gaston Planté invente la batterie plomb-acide sulfurique ; il constate que cela permet de stocker l’électricité, mais il faudra encore une quarantaine d’années pour que cela devienne un objet qui fonctionne vraiment. Des chercheurs et inventeurs comme Ampère, Faraday, Siemens et d’autres vont créer les différents objets nécessaires à la voiture électrique. On notera que dans la même période, il y a eu le moteur à essence à combustion interne et le moteur électrique. Avant en 1816, il a eu le moteur à combustion externe qui travaillait avec de l’air chaud, le moteur Stirling – un principe de moteur qui fait toujours l’objet de recherche et expérimentations. La voiture électrique a eu des hauts et des bas dans sa popularité et son utilisation. En 1850 la voiture électrique était un plus car les moteurs à vapeur avaient tendance à exploser. En Inde on trouve des petits générateurs de vapeur. En termes de sécurité il vaut mieux travailler avec des moteurs à air chaud externe et ne pas travailler avec des moteurs à combustion interne où l’on brûle du combustible à chaque cycle. Au début du XXe siècle, les voitures électriques fonctionnent mieux que les voitures à essence. Et la vapeur fonctionne très bien pour les trains mais en peu pratique pour des véhicules urbains. Malheureusement malgré le record des 100 km/h de la « Jamais contente »  électrique de 1901, cela va vite changer.

La batterie, source de l’énergie

Au début du siècle, les véhicules électriques sont équipés de batteries au plomb. Et Edison commence à utiliser des batteries nickel-fer. Puis le nickel-cadmium va arriver. Ce qui est étonnant c’est que vers 1880, les batteries au plomb sont aussi performantes que celles d’aujourd’hui, comme le décrit Emile Reynier, mais elles nécessitent de rajouter de l’eau distillée. A cette époque, les batteries ne se réparent pas et le plomb se recyclent déjà, ce qui est aujourd’hui moins évident pour le Lithium. En 1930 les batteries permettaient soit de démarrer un moteur thermique, soit d’alimenter un moteur électrique – utilisée par exemple par la voiture Licorne de l’ingénieur Grégoire – Aujourd’hui la voiture de Tesla atteint les 100 km/h en 3 secondes comme les essences les plus performantes, mais est-ce utile ? L’avantage de la voiture électrique est que la chaîne de propulsion est plus simple que celle d’une voiture thermique. Renault, Peugeot fabriquait leurs pièces. Le point faible des électriques était la batterie et non pas le moteur électrique. Les batteries ont continué à se développer fortement avec d’autres utilisations comme les TSF et même les premiers téléphones mobiles équipés de tubes – ancêtre du transistor – car il fallait beaucoup d’énergie et cela coûtait trop cher avec des piles. Vers 1970 et surtout dans le secteur des télécoms, on commence à introduire les batteries au nickel cadmium étanches NiCd puis métal-Hydrures NiMH et vient enfin le lithium qui sera vraiment performant à partir fins de la décennie 2000.

Pour les voitures électriques beaucoup de voies différentes sont ouvertes mais qui montrent les incohérences. Dans les années 80-90, après la crise pétrolière, il y a eu plusieurs types de voiture électriques, notamment celles des expériences de  la Rochelle où l’on a électrifié des châssis assez légers de voiture de base Renault ou Peugeot ou Citroën et on avait entre 50 et 100 km d’autonomie, permettant des déplacements de proximité, en ville, mais avec 300 kilos de plomb ou moins avec les nouvelles Ni-Cd de tractions. Cela restait donc valable en déplacement de proximité.

Pour les longues distances à cause du prix de la batterie et du temps de recharge, rien n’était vraiment proposé et les pistes restaient ouvertes avec les piles à combustibles et l’optimisation des moteurs thermiques qui déjà à cette époque avec des véhicules thermique moins lourds ne consommaient que 2l/100km au laboratoire. L’augmentation de poids est revenu à cause des normes plus voire trop sévère et tous les gains de poids ont été perdus.

Danger des batteries

Le plomb, lorsqu’il est dans la batterie, ne pose pas de problèmes. Mais c’est dans et autour des usines, que sévissait une catastrophe sanitaire ; aujourd’hui pour le plomb, le process est bien mieux maîtrisé de la production au recyclage dans des usines adaptées suite à la très longue expérience acquise. Le plomb est de loin le moins énergivore à recycler et pour fabriquer une batterie par moulage, car il fond à 300 degrés, mais sa densité et donc son poids est un handicap. Il est recyclé à quasiment 100 %.

C’est bien pire pour les batteries moins lourdes. Par exemple, le cadmium des NiCd, est 10 fois plus toxique. Terres rares des Nickel Métal Hydrures sont peu recyclées. Pour le lithium ce n’est pas non plus idéal. Il y a des électrolytes organiques dans les cellules, qui entraînent des risques de départ de feu avec fumées très toxiques. Il y a aussi les problèmes de courts-circuits internes à l’origine d’incendies graves dans le cas du Lithium. L’introduction de séparateur solide n’est qu’au niveau  recherche actuellement. On a en mémoire le retour de millions de téléphones où le départ de feu pouvait n’impacter que la table où il était posé, mais dans le cas d’une batterie de centaines de kg, le risque est bien plus problématique. La raison est que dans une cellule de pile il y a toujours deux groupes de plaques, des positives et des négatives empilées avec des séparateurs entre elles. Or lors de la recharge les ions des métaux en solutions se redéposent sur les plaques et parfois en faisant des dendrites sorte de pointes métalliques conductrices. Elles peuvent percer les séparateurs trop fragiles– en cellulose ou matière organique et créer des courts-circuits. La batterie lithium lorsqu’elle se décharge trop, favorise particulièrement l’apparition de ces dendrites ; d’où la nécessité d’électronique pour éviter cette situation. Si on attend trop pour recharger, les dendrites apparaissent et au fur et à mesure des cycles décharge-recharge, ce phénomène s’amplifie. Dans le cas les batteries au lithium chaud comme celles utilisées par les véhicules Bolloré; elles doivent rester connectées en permanence aux bornes de recharge pour maintenir la température à 80 degrés ce qui n’est pas économe en énergie. Si on ne le fait pas, au tout début, il faudrait rouler très doucement et sur plat pour que la batterie monte en température et améliore sa conduction pour devenir efficace or ce n’est pas toujours possible d’où le préchauffage. Le séparateur est solide et il faut le chauffer pour mieux conduire le courant. Il y a aussi les batteries au sodium chaud mais le souci est qu’il faut les maintenir à 300 degrés, ce qui consomme encore plus.

Si on retrace l’évolution des voitures électriques, dans les années 1970 les batteries au plomb de 300 kg permettait 50 à 100 km d’autonomie. Ensuite avec le lithium, de 100 km on est arrivé avec des améliorations à 200. A chaque fois que l’autonomie augmente, le prix de la batterie augmente. En termes de nombre de cycles de rechargement, on est passé de 1000 pour les batteries au plomb, 3000 pour celles au lithium. Mais si on calcule le nombre de kilomètres possible tout au long de la vie d’une batterie, pour celle au plomb c’est 50 000 km donc plutôt destinée pour un usage de proximité. Pour celle au lithium à poids équivalent de 300 kg, on aura trois plus d’énergie et permettra 900 000 km pour une voiture qui fait que 300 km d’autonomie.

La batterie plomb c’était 2 000 euros, celle au lithium c’est entre 10 000 et 15 000 euros représentant une part importante du prix de la voiture. Pour la dernière génération avec une autonomie plus grande comme Tesla, on est entre 500 et 800 km pour un coût de 30 000 euros. Ramenée à une même quantité d’énergie stockée, la batterie lithium est deux fois plus chère que celle au plomb. Mais surtout on arrive à un objet qui n’a pas grand sens, si on considère les performances de durabilité. Pour la prochaine génération, on aurait 3000 ou 4000 cycles pour 500 km d’autonomie, soit 2 millions de km. La batterie ne durant que 10 ans, il faudrait être « tout le temps » au volant, donc pour un usage extrêmement intensif si on veut la rentabiliser. De plus les batteries lithium, on ne sait pas bien les recycler car la séparation des matériaux est complexe et pas vraiment « rentable » aujourd’hui. Par exemple, il n’y a qu’environ 100 à 200g de Lithium par kWh de stockage dans 5 à 10 kg de batterie. On voit bien que la batterie est mieux adaptée au trajet relativement court entre 50 et 200 km.

Et pourtant sous l’impulsion de l’Europe, il est prévu un investissement de 700 millions d’euros pour une batterie encore plus performante, alors que l’on a déjà la batterie lithium-fer bien adaptée si on admet de travailler sur les véhicules de proximité d’autonomie 100 km. Et pourtant, citons aussi le cas de l’équipe de recherche Sorapec puis SCPS France d’une poignée de personnes qui a travaillé sur la batterie nickel-zinc - recyclable à 100% -, en reprenant les travaux d’Edison et Junger datant de 1900. Ils sont trouvé comment supprimer la formation des dendrites et lui permettre de faire plus de 2000 cycles à 100 % de capacité et des dépôts de brevets ont été faits mais ils ont finalement été rachetés par une entreprise chinoise pour plus de 10 millions d’euros. Cette technologie serait en effet utilisée pour les scooters électriques, un marché très important en Chines et elles est plus avantageuse et robuste que les technologies Lithium. Lorsque l’on extrait du sol un matériau donné il y a toujours d’autres matériaux qui vont avoir un impact environnemental ou un grand intérêt. Dans le cas de l’extraction du nickel, il y a du cobalt, …

C’est étrange de toujours chercher des véhicules électriques impossibles à faire et à recharger alors qu’on pourrait faire dès aujourd’hui les véhicules de proximité avec les batteries Lithium Fer ou NiZn et peut-être même d’autres technologies à base de matériaux abondants qui sont déjà en recherche. Mais les Shadock l’avait déjà dit, pourquoi faire simple quand on peut faire très compliqué ? Ou alors est-ce encore un stratagème pour garder les solutions thermiques actuelles à 100 CV, et surtout ne pas renoncer à la volonté de puissance qui caractérise l’homme actuel autodestructeur, alors qu’on sait bien depuis les 2 CV, 4 L etc... que bien moins de puissance suffit pour rouler propre et heureux si on admet d’accélérer moins fort et de rouler moins vite ?

Conclusion

Si on considère la pollution locale par rapport à la voiture thermique, la voiture électrique c’est bien. Mais évitons d’utiliser un véhicule lorsque l’on en pas besoin ; se déplacer avec une tonne de ferraille lorsque l’on est tout seul, remet en cause l’usage que l’on fait d’un véhicule. Sobriété énergétique donc. Le moteur électrique a aussi une durée de vie supérieure à celle de la voiture. De même pour le châssis, certains envisagent de le recycler. Le véhicule thermique avec un petit réservoir permet une grande autonomie mais avec sa pollution et avec des répercussions environnementaux et sociologiques. Mais le modèle électrique n’est pas plus cohérent. Si on analyse son cycle de vie du début de sa fabrication jusqu’à son recyclage, l’impact n’est pas bon. Pendant son fonctionnement la voiture électrique a peu d’impact, mais de par la fourniture de son énergie, de sa fabrication et élimination, l’impact est important. Il y a aussi des développements par ABB, Siemens dans les pays nordiques pour les camions avec une voie réservée sur des autoroutes. Mais surtout si on généralise notre niveau de vie et gardé un niveau de croissance à l’ensemble de la population mondiale quel que soit le modèle, thermique ou électrique, l’impact est désastreux.

Il faudrait donc réserver la solution électrique pour les trajets de proximité soit en assistance des  deux roues ou dans des véhicules individuels de proximité légers ou dans des transports en communs. La recharge peut alors venir plus facilement des énergies renouvelables. Pour les grande distance, comparé aux solutions thermiques hybrides qu’on optimisera en consommation à 1 ou 2 l/100km, le gain reste à démontrer et il y a d’autres solutions comme les hybrides Stirling et bien sûr transport multimode à base e transport en communs, de partage, et revenons -y de véhicule électrique de proximité pour les derniers km.

Deuxième intervention

Par Jean-Luc Pasquinet