Les batteries des véhicules / voitures électriques

By 3 August 2012

Analyse critique des connaissances existantes – Partie II :

II.1. Les batteries
II.1.1. Comparaison des technologies
Voyons quelles sont les technologies de batteries d’accumulateurs26 qui sont à la disposition des constructeurs des véhicules électrique VE. Nous les détaillerons brièvement par ordre croissant de densité énergétique, c’est-à-dire de quantité d’énergie stockable par unité de poids.

Les batteries au plomb représentent la technologie la plus ancienne qui, par ailleurs, équipe aujourd’hui quasiment toutes les voitures thermiques pour servir au démarrage du moteur. Pour autant, les batteries au plomb, si elles furent utilisées dans les premiers temps des véhicules électriques VE, sont aujourd’hui largement délaissées. La raison en est leurs caractéristiques énergétiques et de puissance plus faibles par unité de masse que les autres solutions disponibles.

Les batteries au nickel-cadmium, largement utilisées au XXe siècle, souffrent en partie des mêmes problèmes que celles au plomb en termes de performances. De plus la toxicité du cadmium contenu dans ces batteries fait que leur usage est très encadré27 et que leur application risque d’être limitée [Bonnaure, 2009].

Les batteries nickel-hydrure métallique (NiMH) sont largement utilisées à l’heure actuelle dans les véhicules électriques hybrides (comme l’emblématique Toyota Prius) et sont réputées avoir une longue durée de vie et une meilleure densité énergétique que les deux premières. Pour autant leurs performances restent encore trop faibles pour être le seul conteneur d’énergie d’une voiture.

Les batteries sodium chlorure de nickel (NaNiCl, appelées aussi ZEBRA) ont une plus grande densité énergétique mais ne peuvent pas délivrer assez de puissance pour prétendre être utilisées dans des voitures électriques ou hybrides en raison du poids actuel des voitures. Leur usage se cantonne donc plutôt à des véhicules lourds et lents ou ultra légers [Kalhammer, 2007 : 40-42].

Les batteries au lithium sont unanimement reconnues comme étant la technologie dominante pour un usage automobile, au moins pour la prochaine décennie. Quasiment tous les prototypes actuellement annoncés ou à l’essai se basent sur l’une ou l’autre des technologies de batteries au lithium et ce tant pour les motorisations purement électriques que pour les hybrides thermiques-électriques. De toutes les batteries produites industriellement à l’heure actuelle pour un usage nomade, ce sont celles qui présentent le meilleur rapport masse-puissance et masse-énergie. Par ailleurs elles ne souffrent pas de « l’effet mémoire » (une perte de capacité lorsqu’elles sont rechargées avant d’être complètement déchargées). Il existe en fait différentes technologies de batteries au lithium. La plus largement utilisée est la batterie Lithium-ion, popularisée par l’électronique portable (téléphones, ordinateurs, appareils photo, etc.) et faisant l’objet de nombreux projets de recherche et développement pour une application automobile. C’est la plus largement répandue dans les projets de voitures électriques chez les constructeurs. Pour autant d’autres technologies sont à l’étude et à différents stades de développement, comme la batterie Lithium-Ion Polymère (Li-Po), la Lithium-air, la Lithium-phosphate (LiFePO) et la Lithium Métal Polymère (LMP) pour ne citer que les principales.

Malgré cet engouement, les batteries au lithium ne sont pas exemptes de points faibles : elles ont tendance à surchauffer (avec risque de prendre feu) en utilisation trop intensive et si elles sont rechargées trop longtemps [T&E, 2009 et Ineris, 2011]. Si elles prennent feu, en dehors des dégâts matériels que cela peut occasionner, il existe un risque de pollution par dégagement de produits nocifs dangereux, dont le fluorure d’hydrogène. Une controverse existe aussi sur les batteries au lithium faisant usage du manganèse et qui seraient plus susceptibles de connaître des défaillances risquant de les voir prendre feu que celles utilisant du phosphate de fer.28 Par ailleurs, les batteries occasionnent une augmentation sensible de la masse du véhicule, même si des améliorations sont considérées comme possibles dans un avenir relativement proche, permettant de doubler la densité énergétique [Kromer, 2007]. A titre d’exemple la Nissan Leaf, une voiture électrique récemment mise sur le marché et affichant une autonomie théorique de 160 km nécessite une batterie de 200 kg d’une capacité de 24 kWh.

II.1.2. Le lithium comme facteur limitant

Les batteries au lithium-ion (Li-ion), considérées comme la solution la plus réaliste pour équiper les véhicules électriques VE, nécessitent une certaine quantité de matières premières pour leur fabrication. On peut distinguer parmi celles-ci des métaux relativement abondants comme l’aluminium, le cuivre ou le fer. D’autres par contre, sont plus rares comme par exemple le nickel, le cobalt ou le manganèse, mais malgré une possible hausse de leurs prix, ceux-ci ne semblent pas devoir poser de problème d’approvisionnement [Lache, 2008 : 42]. Il semble que ce soit en fait le lithium, sous forme de carbonate de lithium (Li2CO3), qui constitue le facteur limitant et qui selon certains auteurs risque de manquer en cas d’adoption massive de la voiture électrique. Pourtant il ne représente qu’une petite partie des matériaux présents dans une batterie. Selon des sources très divergentes, le lithium ne constitue que 0,9 % à 1,75 % d’une batterie au lithium [citées par Zimmer, 2009]; d’autres auteurs estiment la quantité plus importante, autour de 0,3 kg de lithium pur ou 1,5 kg de carbonate de lithium par kWh de batterie [Tahil, 2006].

Prédire les problèmes d’approvisionnement d’un matériau est fort périlleux et nécessite d’avoir accès à un grand nombre d’information. Il faut connaître la réserve base (la quantité de matériau que les experts considèrent présent dans la croûte terrestre), les réserves (ce qui est économiquement extractible avec la technologie disponible à un moment donné) et la quantité qui peut être produite (c’est-à-dire ce que l’industrie d’extraction peut fournir avec ses infrastructures à l’industrie de transformation à un moment donné). Ensuite il faudra comparer ces chiffres à l’évolution de la demande, qui, pour le lithium, se situe à environ 16.000 t en 2008 [Evans, 2008]. L’estimation de la réserve base faite par l’USGS29 est de 11 millions de tonnes, même si on trouve des auteurs qui la situent au-delà, à près de 30 millions de tonnes par exemple.30 Cette réserve base se situe pour 80 % en Amérique latine, plus précisément en Bolivie, au Chili et en Argentine. Pour ce qui est des reserves, l’USGS l’estime à 4,1 millions de tonnes. En considérant les estimations de Tahil soit 0,3 kg de lithium par kWh et des batteries de 24 kWh (donc 7,2 kg de lithium par VE), cette quantité serait donc suffisante pour permettre d’équiper environ 570 millions de VE, un peu plus de la moitié des voitures particulières. Voyons pourquoi ce calcul simpliste ne résiste sans doute pas à un examen plus approfondi de la réalité.

Tout d’abord, nous avons considéré une batterie de 24 kWh ce qui représente, d’après les tests réalisés sur la Nissan Leaf par l’EPA31, une autonomie théorique de 150 km environ. C’est bien loin de ce qu’on peut attendre à l’heure actuelle d’une voiture thermique qui ne serait donc pas remplacée dans tous ses usages et fausse la comparaison. Ensuite, parce que des estimations de ressources sont sujettes à caution et plus encore pour une industrie minière relativement récente et de petite taille comme celle du lithium. Si la plupart des auteurs ne voient pas les ressources en lithium comme un frein à l’adoption de la voiture électrique, il se trouve quelques voix pour s’en inquiéter. Tahil, dans son étude minutieuse sur le lithium, soutient que l’industrie automobile a besoin pour ses batteries de carbonate de lithium avec un haut degré de pureté, ce qui diminue grandement les réserves [Tahil, 2008]. Par ailleurs il faut aussi rappeler que la production réelle est pour l’heure assez limitée à environ 25.000 tonnes32 par an, principalement au Chili, en Australie, en Argentine, en Chine et en Russie. Enfin il faut garder à l’esprit que l’industrie automobile n’est pas la seule à utiliser des batteries au lithium et que celui-ci trouve également des applications dans d’autres domaines que celui des batteries. La demande de batteries au lithium pour l’électronique portable est en croissance de 25% par an, ce qui limite les quantités disponibles. De plus, l’augmentation prévue de la production de lithium ne sera suffisante, d’après Tahil, que pour absorber l’augmentation de la demande due à ce secteur en croissance. Tout au plus pourrait-on disposer, suivant un scénario optimiste d’augmentation de la production, de suffisamment de lithium pour faire 4 à 5 millions de véhicules hybrides électriques rechargeables VEHR avec des batteries de 16 kWh à l’horizon 2015.33 Il y aurait donc à la fois un problème de ressources et de capacités de production. L’électrification de l’ensemble du parc automobile avec des batteries au lithium ne serait donc pas possible [Tahil, 2008]. Si comme le pensent d’autres auteurs elle est réalisable [Evans, 2008a et Evans, 2008], notamment parce que d’autres sources comme le spodumène peuvent être utilisées pour les batteries de voiture, elle nécessiterait assurément des investissements en infrastructure énormes. A cela s’ajoute un problème politique : convaincre certains pays réticents à voir l’exploitation débuter chez eux, comme la Bolivie, qui dispose selon l’USGS de la moitié de la réserve base mondiale et qui sera évoqué plus loin. Il est cependant utile de rappeler que la batterie au lithium n’est qu’une technologie et que l’avenir de la véhicule électrique VE pourrait s’envisager, à plus long terme, avec d’autres types de batteries.

II.1.3. Solutions à la limite d’autonomie

Comme nous l’avons vu les VE, en l’état actuel de la technologie et même moyennant un surcoût important, ont un rayon d’action limité. Ceci constitue d’ailleurs, avec leur prix, leur principal point faible par rapport à une voiture thermique. Cette limite est un obstacle important à l’adoption à grande échelle de la véhicule électrique et provoque la peur de la panne d’électricité que les anglais appellent joliment range anxiety. Or il existe des solutions de différentes sortes pour lever en partie cette contrainte.

II.1.3.1. Bornes de recharge

La solution la plus fréquemment avancée est d’équiper la voirie et les parkings (privés ou publics) de bornes de recharge. Puisque les véhicules électriques ont moins d’autonomie, la parade est de les recharger souvent. Par ailleurs pour les possesseurs de voiture électrique qui n’ont pas de garage, la seule possibilité de recharge est l’utilisation de bornes de recharge. Celles-ci posent cependant un certain nombre de problèmes.

D’abord il convient de remarquer que ces bornes ayant un coût important, se posera donc la question de savoir qui le supportera. On peut émettre en gros trois hypothèses : les pouvoirs publics, les compagnies de distribution ou de génération d’électricité et enfin des opérateurs privés. Si ce sont les pouvoirs publics qui financent le réseau, se pose alors le problème de justice sociale de se lancer dans des investissements onéreux qui profiteront largement à la frange la plus aisée de la population et dont le bénéfice environnemental n’est pas forcément à la hauteur de l’investissement. Nous reviendrons sur ce problème plus loin. Il ne sera en tout cas pas tenable économiquement de continuer à proposer ce service gratuitement, comme c’est le cas dans le cadre de projets pilotes comme à Londres et à Paris. Si au contraire des compagnies électriques ou des opérateurs privés financent le réseau de bornes, il s’agira de veiller à ce que les systèmes soient compatibles entre eux pour éviter leur prolifération. Mais alors le coût du réseau de bornes fera augmenter le prix payé au kWh ce qui rendra les véhicules électriques moins attractifs économiquement. La borne nécessitera dans tous les cas un système d’identification de l’utilisateur, certainement s’il est prévu de lui faire payer la recharge.

Ensuite il faut que les constructeurs de bornes et de voiture électrique se mettent d’accord sur un standard pour que tous les véhicules puissent être rechargés sur les bornes. Actuellement, il existe certaines villes équipées de bornes, mais celles de Paris par exemple ont un embout spécifique qui n’est pas compatible avec les modèles actuels de véhicule électrique. La standardisation concerne à la fois le connecteur et la puissance de chargement qui doit être compatible avec la batterie du véhicule électrique. Précisons aussi qu’il existe plusieurs types de bornes permettant, pour les plus puissantes, de recharger une batterie de véhicule électrique en une demi-heure grâce à un ampérage nettement supérieur à ce qu’on trouve dans les habitations. Cependant ce type de recharge rapide a tendance à dégrader légèrement la batterie.34

Il conviendra aussi d’intégrer ces bornes harmonieusement dans l’espace public. On a déjà évoqué la grande gourmandise de l’automobile, véritable dévoreuse d’espace public, surtout dans les villes. La question se posera donc de savoir s’il faut réserver des emplacements aux véhicules électriques pour leur permettre d’accéder aux bornes de recharge. Les parkings constituent bien sûr un endroit idéal même si certains ont des idées plus originales comme les anciennes cabines téléphoniques rendues quasiment caduques par le succès des téléphones portables.35 Un autre problème est celui du vandalisme : les temps de recharge pouvant être longs, un système doit s’assurer que personne ne peut retirer la prise ou endommager le véhicule.

En conclusion on peut dire qu’il existe encore énormément d’incertitudes au sujet des bornes de recharges. Certains se posent même la question de leur utilité : des études ont montré que les utilisateurs actuels de voiture électrique n’en faisaient que rarement usage.36 La rentabilité de la mise en place de ces bornes est donc sans doute sujette à caution, même si les utilisateurs des flottes de test de voiture électrique ne sont sans doute pas représentatifs de la population entière. Les critères pour les sélectionner comprennent généralement la possession d’un garage, ce qui n’est pas le cas de la majorité de la population, certainement dans les villes. Beaucoup de questions restent donc ouvertes.

II.1.3.2. Solutions technologiques

Une solution technologique, qui pour certains observateurs est la solution idéale pour la transition vers les VE, est la voiture électrique hybride rechargeable (VEHR). Il s’agit en fait d’essayer de tirer parti dès maintenant des avantages de la voiture électrique tout en compensant les limitations en termes de rayon d’action dues à la batterie, par l’ajout d’un moteur thermique. Celui-ci peut avoir trois usages : remplacer le moteur électrique lorsque la batterie est épuisée, fonctionner de concert avec le moteur électrique pour plus d’efficience ou recharger la batterie lorsque celle-ci ne contient plus d’énergie. Le véhicule est alors une masse plus importante et est donc moins efficace énergétiquement. Par ailleurs, la cohabitation des deux systèmes a aussi un impact sur le bilan environnemental et le prix. Les analystes pensent cependant pour la plupart que c’est d’abord ce type de véhicule, pouvant se mouvoir à la fois grâce aux carburants traditionnels et à l’électricité, qui sera adopté par les automobilistes [Kendall, 2008].

Les constructeurs de voiture électrique ont bien sûr conscience du problème et essayent grâce à l’électronique embarquée de rassurer les conducteurs. On trouve ainsi sur la Nissan Leaf récemment commercialisée un système de positionnement par satellite (GPS) qui indique l’emplacement des bornes de recharge disponibles dans l’environnement immédiat du véhicule. Par ailleurs, en fonction de l’énergie restante dans la batterie et du type de mode de conduite sélectionné par le conducteur, le rayon d’action résiduel est indiqué numériquement ainsi que graphiquement sur la carte du GPS.37

Une autre solution technologique est la mise en place d’un système assez ambitieux d’échange de batteries dans des stations spécialement prévues à cet effet. La société Better Place38 a mis au point un système de ce type en partenariat avec de grands constructeurs automobiles, dont Renault et Nissan qui fournissent les premières voitures compatibles avec ce système. Lorsque la batterie du véhicule est près d’être déchargée, le conducteur se rend dans une station d’échange où un bras mécanisé remplace la batterie par une autre préalablement chargée. A l’heure actuelle un test est réalisé à Tokyo où trois taxis fonctionnent avec ce système.39

L’idée n’est en fait pas nouvelle. The Economist rapporte l’histoire d’une compagnie de bus électriques dans les années 1900 à Londres. Celle-ci faisait également appel au système d’échange de batteries pour compenser le rayon d’action limité à 60 km que lui permettait de parcourir les batteries au plomb de l’époque. Malgré un certain succès, l’entreprise fit faillite mais pas en raison de problèmes techniques : le système était au point, populaire auprès de ses utilisateurs, et il ne fallait que trois minutes pour remplacer les batteries.40

II.1.3.3. Solutions Comportementales

Comme nous le verrons plus loin, la voiture électrique est l’occasion de repenser la mobilité. De nos jours les automobilistes choisissent généralement d’acheter un véhicule en fonction de l’utilisation maximale qu’ils en feront. Pourtant cette utilisation maximale ne se produit réellement que de rares fois, ce qui fait qu’on voit dans les embouteillages des files de voitures spacieuses et sous-occupées avec seulement leur conducteur. De même, une étude du département des transports américain révélait qu’en 2007 la distance parcourue par voiture et par jour était de 52,3 km [Kendall, 2008 : 100]. En Europe, les distances sont très nettement inférieures avec des moyennes de déplacements quotidiens en automobile de 26 km [Eurostat, 2009]. Les batteries des véhicules électriques actuelles sur le marché permettant de parcourir théoriquement 160 km, la part des déplacements qui dépassent cette limite n’est en fait que de quelques pourcents.

Lire le mémoire complet ==> (La voiture électrique : révolution ou fausse bonne idée ?)
Master en Sciences et Gestion de l’Environnement – Université Libre de Bruxelles
Institut de Gestion de l’Environnement et d’Aménagement du Territoire
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26 Par souci de concision et conformément à ce que l’on trouve dans la littérature, nous les appellerons dorénavant simplement batteries.
27 Voir à ce propos la règlementation européenne (directive 2006/66/CE) qui en limite l’usage aux secteurs où leur collecte en fin de vie est bien assurée.
28 Cette controverse, qui a trouvé un écho dans la presse française, en raison du choix technologique fait par Renault et Peugeot-Citroën d’opter pour la technologie utilisant du manganèse, a été lancée notamment par le chercheur du CNRS Michel Armand. Ce dernier qui travaille sur la question de la sécurité et de la conception des batteries au lithium depuis environ 20 ans. Il faut cependant rappeler que ce chercheur est à la fois juge et partie dans le débat, étant le détenteur d’un brevet sur la technologie utilisant le phosphate de fer, rivale de celle au manganèse qu’il juge dangereuse. Voir : http://lexpansion.lexpress.fr/entreprise/questions-sur-les-dangers-de-la-voiture- electrique_258068.html
29 United States Geological Survey, institut gouvernemental américain qui étudie les sciences de la Terre. Voir http://www.usgs.gov/aboutusgs/
30 Pour un éventail d’estimation voir [Zimmer, 2009 : 23].
31 L’Environmental Protection Agency est l’agence qui définit aux Etats-Unis la consommation théorique des véhicules.
32 Quantité extraite selon l’USGS (voir http://minerals.usgs.gov/minerals/pubs/commodity/lithium/mcs-2008-lithi.pdf)
33 Ce nombre est à comparer à la production mondiale annuelle qui se situe autour de 60 millions de véhicules pour 2009, en baisse par rapport à 2008 (voir http://oica.net/category/production-statistics/).
34 Même si les données manquent encore pour étudier ce phénomène, trop peu de voiture électrique étant en circulation, les experts sont généralement assez rassurants et ne pensent pas que cette dégradation soit trop importante.
35 Il existe au moins deux projets de ce type, en Autriche et en Espagne. Voir par exemple http://www.just-auto.com/news/plan-to-turn-phone-boxes-into-ev-charging-stations_id104270.aspx?lk=dm
36 Voir http://gas2.org/2010/03/08/public-electric-car-charging-stations-may-go-largely-unused/