Quid des batteries à charge rapide
Sous l’effet des « écololos-bobos » et les
gourous du GIEC, désormais quand on vous parle de « mobilité », elle
est nécessairement électrique, car « il faut décarboner » coûte que
coûte nos économies branlantes.
Elles auraient pu être triomphales, mais entre les secousses géopolitiques (nous y reviendrons probablement), les crises sanitaires et les conflits autour des sources énergétique de « l’ancien monde », celui des énergies fossiles, c’est donc à l’allure d’un cheval lancé au « grand-galop » qu’on nous impose de jeter nos outils acquis à grands-frais il y a encore peu : Tout le monde est prié de faire le plein d’électricité, dont on sait qu’en « Gauloisie-impitoyable », elle est d’origine nucléaire.
Seulement voilà, stocker de l’énergie électrique n’est
pas simple, sans même prendre en compte le fait que les technologies le permettant
sont friandes de terre-rares qu’il va bien falloir piller d’une façon ou d’une
autre.
Ne faisant ainsi que déplacer le problème de la « dépendance » aux bonnes volontés des fournisseurs éventuels : On n’en peut plus de ne pas retrouver un semblant de souveraineté qui assurerait que c’est le bon chemin.
Et désormais, on ne compte plus les annonces triomphales proclamant que la nouvelle batterie « Machin ++ » (ou une autre) va enfin résoudre le problème de la capacité et de la recharge rapide qui va rendre la voiture électrique aussi performante que le véhicule thermique classique avec un temps de recharge de moins de 5 minutes et une capacité kilométrique égale ou supérieure aux 800 km d’autonomie de la plupart des véhicules diesel d’aujourd’hui.
Fume mon gars, moâ je fais 1.100 km avec un seul plein de kérosène à l’allure pépère de 130 km/h, soit 8 (à 10) heures de conduite pour 10 minutes d’arrêt devant une pompe (et le temps de payer le fameux liquide inflammable).
D’ailleurs la presse fait la promotion de ces
solutions, assuranr que les voitures électriques qui demandaient 24 heures de
charge au début de l’époque moderne, ont vu leur temps de charge possible
passer rapidement à 12 heures, puis 6 heures, et sembler se réduire rapidement
au fil du temps : Les 5 minutes sont pour bientôt !
Avec des condensateurs, ça pourrait fonctionner ainsi, sauf que le condensateur fonctionne « à l’envers », il charge longtemps pour décharger en un éclair.
Et personne n’a jamais pensé à le faire fonctionner dans l’autre sens.
Passons.
Il faut dire qu’il existe une barrière physique,
invisible mais bien présente.
La recherche tous azimuts sur les batteries est très probablement le sujet qui a déjà mobilisé le plus de ressources de recherche dans le monde depuis plusieurs dizaines d’années. Et cela sans résultat vraiment probant : Le saut technologique déterminant n’a jamais eu lieu.
On nous dit aussi que les nouvelles batteries sont le projet dont la période initiale de développement a duré le plus longtemps. La raison en étant que la physique s’oppose obstinément à la découverte de batteries électriques douées de performances comparables à celles d’un modeste carburant issu de fossile.
Sans ça, ça aurait déjà été fait.
Le défi est simple à énoncer, mais difficile à
atteindre. Il s’agit de créer une
batterie possédant les caractéristiques suivantes : Être capable de stocker
autant d’énergie que celle contenue dans le réservoir d’un véhicule diesel
classique, soit 60 litres de fuel, ou 48 kg ; rechargeable en moins de 5
minutes (temps d’un plein moyen).
Et ces deux premières performances ne doivent pas diminuer pendant toute la durée de vie du véhicule.
De plus le dispositif doit rester entier pendant toute la durée de vie du véhicule.
Et malgré la formidable masse des recherches, les batteries actuelles sont encore très éloignées de ces performances.
Bref fausse piste puisque de toute façon la physique limite clairement les possibilités d’innovation dans ce domaine.
Le problème essentiel, jamais d’ailleurs évoqué clairement
par les constructeurs, vient de la caractéristique numéro 2. Pour le
comprendre, il faut examiner ce qui se passe dans le tuyau d’une pompe
lorsqu’on fait le plein de carburant.
Je veux parler du débit énergétique, c’est-à-dire de la quantité d’énergie qui doit transiter, pendant le temps du plein ou de la charge, soit dans le tuyau, sous forme de carburant, soit dans le câble de recharge sous forme d’électricité.
Pour satisfaire à la condition numéro 2, il faut pouvoir faire passer dans le câble de recharge du véhicule électrique, une quantité d’énergie équivalente à celle qui transite par le tuyau, et c’est là que le bât blesse.
Pourquoi ? Le carburant diesel classique contient
une énergie libérable par combustion de 44 mégajoules soit 12,2 kWh par kilo (notre
référence).
Le plein (60 litres, soit 48 kilos) d’un réservoir de véhicule diesel contient donc une énergie libérable totale de : 12,2 x 48 = 585,6 kWh
Notons que la capacité des batteries équipant les voitures électriques actuelles est d’environ 50 kWh, soit de l’ordre de 10 fois moins que la valeur à atteindre ci-dessus et que la Tesla modèle 3 pourrait être équipée d’une batterie de 100 kWh, soit de l’ordre de 5 fois moins que cette valeur.
Cependant, il faut aussi tenir compte du rendement des opérations. D’après Wikipédia, le rendement global d’un véhicule thermique sur autoroute serait seulement de 20 % du carburant aux roues.
L’énergie réellement utilisable à partir du plein est donc seulement de 585,6 x 0,2 =117,1 kWh.
Alors que le rendement d’un véhicule électrique sur autoroute, toujours selon Wikipédia, est nettement meilleur : Il serait de 74 % de la batterie aux roues, rendement qu’il faut encore multiplier par le rendement de la recharge de la batterie qui serait de 85 %.
Pour une comparaison équitable avec un véhicule électrique, il faut donc diviser les 117,1 kWh ci-dessus par le produit des rendement VE (moteur et recharge), et l’énergie devient : 117,1 / (0,74 x 0,85) = 186,2 kWh
L’énergie calculée ci-dessus doit être transférée par
la pompe dans le réservoir en 5 minutes.
La pseudo-puissance correspondant au transport dans ce temps de la même quantité d’énergie dans une hypothétique batterie à rechargement rapide (5 minutes, soit 1/12ème d’heure) sera donc de 186,2 x 12 = 2.234 kilowatts, soit environ 2,2 MW.
Cette valeur est plus proche de la puissance d’un transformateur de moyenne puissance alimentant plusieurs centaines de foyers, que de celle d’une installation domestique (environ 12 kW pour un grand logement).
Notons que comme il s’agit de transférer une quantité d’énergie électrique d’un générateur à une batterie, et cela dans un temps donné, le résultat de la division de la quantité d’énergie par le temps correspond bien, dans ce cas, à la puissance électrique du générateur de recharge.
C’est donc une quantité d’énergie électrique
importante qui doit être transférée dans un temps relativement court. Pour
fixer les idées, sous une tension de 500 volts continus, le câble de liaison
entre la station et la batterie devrait supporter une intensité de 4.400
ampères, ce qui apparait assez irréaliste.
Surtout que le câble est tiré depuis la centrale électrique la plus proche…
En effet, même en admettant que la batterie soit modifiée pour pouvoir recevoir une charge sous 500 volts continus et 4.400 ampères et que l’on puisse installer une borne de recharge fournissant ces caractéristiques, la puissance demandée (plus de 2 mégawatts) est telle que cette borne ne pourrait être installée que dans certains sites précis et peu nombreux et qu’il ne serait pas question d’installer deux bornes au même endroit, ce qui correspondrait à une puissance de 4,4 MW.
Un câble capable de supporter les 4.400 ampères
demandés devrait être une barre de cuivre de 225 x 20 mm pour pouvoir supporter
l’intensité avec un échauffement limité à 30° C au-dessus de la température
ambiante ! Ce genre de dispositif poserait des problèmes quasi insolubles
quant à la connexion proprement dite (qualité des contacts) ainsi qu’au
positionnement précis du véhicule par rapport à la barre d’alimentation.
Reconnaissons que ces contraintes sont telles qu’elles éliminent à la fois l’existence possible de stations de recharge régulièrement réparties le long des routes, mais également celle d’une configuration des batteries et des systèmes de liaison capables de supporter ces contraintes.
L’argent étant le plus conducteur de tous les métaux,
on peut espérer diminuer la contrainte dimension du conducteur en remplaçant le
cuivre par de l’argent.
Hélas, les différences de résistivité entre les deux métaux sont faibles (cuivre : 1,72 µohm/centimètre, argent : 1,59 µΩ/cm.
Ce remplacement peut modifier au mieux de quelques pourcents les dimensions des conducteurs, sans amélioration fondamentale.
Et puis l’argent est plus coûteux que le cuivre…
Il pourrait être possible de transporter un courant de 4.400 ampères dans un matériau supraconducteur maintenu à une température inférieure à sa température critique par une circulation d’azote liquide = ― 195 °C.
Comme la résistance d’un tel conducteur est nulle, ses dimensions peuvent être telles que le conducteur soit souple.
L’inconvénient majeur du système est l’obligation de maintenir le conducteur à sa température de fonctionnement, ce qui impose une lourde station de réfrigération à très basse température tout au long du fil.
De plus, cette solution ne peut pas être étendue facilement aux conducteurs internes du véhicule, ce qui restreint l’avantage de la supraconductivité.
La charge totale de la batterie est beaucoup plus
difficile à atteindre qu’une charge partielle à 75 % ou même 50 %. En effet,
dans ces cas, la valeur de l’énergie à transporter est multipliée par 0,75 ou
0,50, ce qui permet de réduire l’intensité dans les mêmes proportions : On
passe à 3.300 ampères (75 %) ou 2.200 ampères (50 %).
On pourrait alors se contenter de 10 minutes de temps de recharge, au lieu de cinq. L’intensité passe alors à 1.650 A pour 75 % de charge et 1.100 A pour 50 % de charge.
Et on pourrait accepter une capacité de la batterie divisée par deux (292,8 au lieu de 585,6 kWh, ce qui correspond encore à trois fois la capacité de la batterie de la Tesla 3). On arrive alors à 550 ampères, valeur qui devient réaliste avec les moyens actuels.
Cette valeur peut encore être divisée par deux pour arriver finalement à 275 ampères, si on accepte de monter la tension de recharge à 1.000 volts.
Il est probable que c’est vers cette troisième solution que les constructeurs vont se tourner, en oubliant les objectifs initiaux et en acceptant une autonomie réelle réduite (300 ou 400 km) et un temps de recharge de 10 minutes qui devient réaliste si le nombre des stations de recharge est important, et qu’on les trouve partout, ce qui est rendu possible par l’abaissement des contraintes.
Ces petits calculs sur coin de table de la semaine
dernière montrent que les batteries des voitures électriques sont assez loin
des performances d’un simple réservoir de carburant diesel.
Par ailleurs, il faut se résigner au fait qu’elles ne pourront tout simplement pas les atteindre, non pas pour des raisons liées aux batteries elles-mêmes, mais pour des raisons de puissance de distribution.
Il faudra donc réduire nos ambitions. Et, soit le véhicule électrique pour tous n’est probablement pas pour demain, ni même pour après-demain (tant pis pour les « écololos-bobos »), soit à passer à autre chose comme le véhicule à hydrogène.
C’est le nouveau plan de « Jupiter ».
C’est qu’avec une voiture à hydrogène un plein, ce ne sont pas des litres, mais des kilos d’hydrogène (H2), le gaz le plus léger qui existe.
Pour faire le plein de 5 kilos d’hydrogène il faut compter seulement à 3 à 5 minutes pour une recharge complète. Ce qui représente une autonomie d’environ 500 kilomètres.
Problème, en 2019, seulement 77 stations étaient
opérationnelles en « Gauloisie-automobile », dont 47 compatibles avec
les utilitaires, 20 pour les voitures particulières et 25 pour les bus, le
reste desservant aux autres mobilités.
Le plan hydrogène dévoilé par Nicolas Hulot en 2017 prévoit une centaine de stations en 2023 et au moins 400 stations d’ici 2028.
C’est que ça coûte cher : Pour les plus petites stations, il est tombé d’un million à environ 600.000 €.
Le coût annuel d’une station (amortissement de l’investissement compris) tombe en dessous de celui d'une station essence classique si son taux d'utilisation est supérieur à 50 %. Or, pour l’heure, le marché privilégie donc les flottes captives, comme la flotte de taxis Hype déployée à Paris par la Société du taxi électrique parisien (STEP), qui tablait sur 600 voitures fin 2020, ou le consortium H2Bus, qui prévoit de déployer 1.000 bus en Europe d'ici à 2023, et l’Union des groupements d’achats publics (UGAP), qui lançait en 2019 un appel d’offres portant sur 1.000 bus d’ici à 2024.
Mais pas seulement : Il faut compter un prix d’achat supérieur de 40 % à celui d’un véhicule thermique pour une même gamme, pas à la portée des classes moyennes.
En revanche, un véhicule à hydrogène pourrait faire un million de kilomètres, durée de vie du moteur électrique, là où les véhicules électriques ne feraient que 150.000 km, durée de vie de la batterie embarquée et ses cycles de charges et décharges.
Les choix sont donc simples, sauf qu’au départ on est
d’abord parti sur la mauvaise piste des batteries, sans avoir le réseau de
distribution que tout le monde finance à grands coups de subventions et on a
laissé les délais se rallonger pour les réseaux, production et distribution, de
l’hydrogène.
Il est plus que temps de rattraper ces retards et construire des centrales électronucléaires en pagaille dans les prochaines années.
À mon sens, il faudra dix ans pour se mettre à niveau : Mais il n’est jamais trop tard pour bien faire !
Objectif 2030, quoi…
Elles auraient pu être triomphales, mais entre les secousses géopolitiques (nous y reviendrons probablement), les crises sanitaires et les conflits autour des sources énergétique de « l’ancien monde », celui des énergies fossiles, c’est donc à l’allure d’un cheval lancé au « grand-galop » qu’on nous impose de jeter nos outils acquis à grands-frais il y a encore peu : Tout le monde est prié de faire le plein d’électricité, dont on sait qu’en « Gauloisie-impitoyable », elle est d’origine nucléaire.
Ne faisant ainsi que déplacer le problème de la « dépendance » aux bonnes volontés des fournisseurs éventuels : On n’en peut plus de ne pas retrouver un semblant de souveraineté qui assurerait que c’est le bon chemin.
Et désormais, on ne compte plus les annonces triomphales proclamant que la nouvelle batterie « Machin ++ » (ou une autre) va enfin résoudre le problème de la capacité et de la recharge rapide qui va rendre la voiture électrique aussi performante que le véhicule thermique classique avec un temps de recharge de moins de 5 minutes et une capacité kilométrique égale ou supérieure aux 800 km d’autonomie de la plupart des véhicules diesel d’aujourd’hui.
Fume mon gars, moâ je fais 1.100 km avec un seul plein de kérosène à l’allure pépère de 130 km/h, soit 8 (à 10) heures de conduite pour 10 minutes d’arrêt devant une pompe (et le temps de payer le fameux liquide inflammable).
Avec des condensateurs, ça pourrait fonctionner ainsi, sauf que le condensateur fonctionne « à l’envers », il charge longtemps pour décharger en un éclair.
Et personne n’a jamais pensé à le faire fonctionner dans l’autre sens.
Passons.
La recherche tous azimuts sur les batteries est très probablement le sujet qui a déjà mobilisé le plus de ressources de recherche dans le monde depuis plusieurs dizaines d’années. Et cela sans résultat vraiment probant : Le saut technologique déterminant n’a jamais eu lieu.
On nous dit aussi que les nouvelles batteries sont le projet dont la période initiale de développement a duré le plus longtemps. La raison en étant que la physique s’oppose obstinément à la découverte de batteries électriques douées de performances comparables à celles d’un modeste carburant issu de fossile.
Sans ça, ça aurait déjà été fait.
Et ces deux premières performances ne doivent pas diminuer pendant toute la durée de vie du véhicule.
De plus le dispositif doit rester entier pendant toute la durée de vie du véhicule.
Et malgré la formidable masse des recherches, les batteries actuelles sont encore très éloignées de ces performances.
Bref fausse piste puisque de toute façon la physique limite clairement les possibilités d’innovation dans ce domaine.
Je veux parler du débit énergétique, c’est-à-dire de la quantité d’énergie qui doit transiter, pendant le temps du plein ou de la charge, soit dans le tuyau, sous forme de carburant, soit dans le câble de recharge sous forme d’électricité.
Pour satisfaire à la condition numéro 2, il faut pouvoir faire passer dans le câble de recharge du véhicule électrique, une quantité d’énergie équivalente à celle qui transite par le tuyau, et c’est là que le bât blesse.
Le plein (60 litres, soit 48 kilos) d’un réservoir de véhicule diesel contient donc une énergie libérable totale de : 12,2 x 48 = 585,6 kWh
Notons que la capacité des batteries équipant les voitures électriques actuelles est d’environ 50 kWh, soit de l’ordre de 10 fois moins que la valeur à atteindre ci-dessus et que la Tesla modèle 3 pourrait être équipée d’une batterie de 100 kWh, soit de l’ordre de 5 fois moins que cette valeur.
Cependant, il faut aussi tenir compte du rendement des opérations. D’après Wikipédia, le rendement global d’un véhicule thermique sur autoroute serait seulement de 20 % du carburant aux roues.
L’énergie réellement utilisable à partir du plein est donc seulement de 585,6 x 0,2 =117,1 kWh.
Alors que le rendement d’un véhicule électrique sur autoroute, toujours selon Wikipédia, est nettement meilleur : Il serait de 74 % de la batterie aux roues, rendement qu’il faut encore multiplier par le rendement de la recharge de la batterie qui serait de 85 %.
Pour une comparaison équitable avec un véhicule électrique, il faut donc diviser les 117,1 kWh ci-dessus par le produit des rendement VE (moteur et recharge), et l’énergie devient : 117,1 / (0,74 x 0,85) = 186,2 kWh
La pseudo-puissance correspondant au transport dans ce temps de la même quantité d’énergie dans une hypothétique batterie à rechargement rapide (5 minutes, soit 1/12ème d’heure) sera donc de 186,2 x 12 = 2.234 kilowatts, soit environ 2,2 MW.
Cette valeur est plus proche de la puissance d’un transformateur de moyenne puissance alimentant plusieurs centaines de foyers, que de celle d’une installation domestique (environ 12 kW pour un grand logement).
Notons que comme il s’agit de transférer une quantité d’énergie électrique d’un générateur à une batterie, et cela dans un temps donné, le résultat de la division de la quantité d’énergie par le temps correspond bien, dans ce cas, à la puissance électrique du générateur de recharge.
Surtout que le câble est tiré depuis la centrale électrique la plus proche…
En effet, même en admettant que la batterie soit modifiée pour pouvoir recevoir une charge sous 500 volts continus et 4.400 ampères et que l’on puisse installer une borne de recharge fournissant ces caractéristiques, la puissance demandée (plus de 2 mégawatts) est telle que cette borne ne pourrait être installée que dans certains sites précis et peu nombreux et qu’il ne serait pas question d’installer deux bornes au même endroit, ce qui correspondrait à une puissance de 4,4 MW.
Reconnaissons que ces contraintes sont telles qu’elles éliminent à la fois l’existence possible de stations de recharge régulièrement réparties le long des routes, mais également celle d’une configuration des batteries et des systèmes de liaison capables de supporter ces contraintes.
Hélas, les différences de résistivité entre les deux métaux sont faibles (cuivre : 1,72 µohm/centimètre, argent : 1,59 µΩ/cm.
Ce remplacement peut modifier au mieux de quelques pourcents les dimensions des conducteurs, sans amélioration fondamentale.
Et puis l’argent est plus coûteux que le cuivre…
Il pourrait être possible de transporter un courant de 4.400 ampères dans un matériau supraconducteur maintenu à une température inférieure à sa température critique par une circulation d’azote liquide = ― 195 °C.
Comme la résistance d’un tel conducteur est nulle, ses dimensions peuvent être telles que le conducteur soit souple.
L’inconvénient majeur du système est l’obligation de maintenir le conducteur à sa température de fonctionnement, ce qui impose une lourde station de réfrigération à très basse température tout au long du fil.
De plus, cette solution ne peut pas être étendue facilement aux conducteurs internes du véhicule, ce qui restreint l’avantage de la supraconductivité.
On pourrait alors se contenter de 10 minutes de temps de recharge, au lieu de cinq. L’intensité passe alors à 1.650 A pour 75 % de charge et 1.100 A pour 50 % de charge.
Et on pourrait accepter une capacité de la batterie divisée par deux (292,8 au lieu de 585,6 kWh, ce qui correspond encore à trois fois la capacité de la batterie de la Tesla 3). On arrive alors à 550 ampères, valeur qui devient réaliste avec les moyens actuels.
Cette valeur peut encore être divisée par deux pour arriver finalement à 275 ampères, si on accepte de monter la tension de recharge à 1.000 volts.
Il est probable que c’est vers cette troisième solution que les constructeurs vont se tourner, en oubliant les objectifs initiaux et en acceptant une autonomie réelle réduite (300 ou 400 km) et un temps de recharge de 10 minutes qui devient réaliste si le nombre des stations de recharge est important, et qu’on les trouve partout, ce qui est rendu possible par l’abaissement des contraintes.
Par ailleurs, il faut se résigner au fait qu’elles ne pourront tout simplement pas les atteindre, non pas pour des raisons liées aux batteries elles-mêmes, mais pour des raisons de puissance de distribution.
Il faudra donc réduire nos ambitions. Et, soit le véhicule électrique pour tous n’est probablement pas pour demain, ni même pour après-demain (tant pis pour les « écololos-bobos »), soit à passer à autre chose comme le véhicule à hydrogène.
C’est le nouveau plan de « Jupiter ».
C’est qu’avec une voiture à hydrogène un plein, ce ne sont pas des litres, mais des kilos d’hydrogène (H2), le gaz le plus léger qui existe.
Pour faire le plein de 5 kilos d’hydrogène il faut compter seulement à 3 à 5 minutes pour une recharge complète. Ce qui représente une autonomie d’environ 500 kilomètres.
Le plan hydrogène dévoilé par Nicolas Hulot en 2017 prévoit une centaine de stations en 2023 et au moins 400 stations d’ici 2028.
C’est que ça coûte cher : Pour les plus petites stations, il est tombé d’un million à environ 600.000 €.
Le coût annuel d’une station (amortissement de l’investissement compris) tombe en dessous de celui d'une station essence classique si son taux d'utilisation est supérieur à 50 %. Or, pour l’heure, le marché privilégie donc les flottes captives, comme la flotte de taxis Hype déployée à Paris par la Société du taxi électrique parisien (STEP), qui tablait sur 600 voitures fin 2020, ou le consortium H2Bus, qui prévoit de déployer 1.000 bus en Europe d'ici à 2023, et l’Union des groupements d’achats publics (UGAP), qui lançait en 2019 un appel d’offres portant sur 1.000 bus d’ici à 2024.
Mais pas seulement : Il faut compter un prix d’achat supérieur de 40 % à celui d’un véhicule thermique pour une même gamme, pas à la portée des classes moyennes.
En revanche, un véhicule à hydrogène pourrait faire un million de kilomètres, durée de vie du moteur électrique, là où les véhicules électriques ne feraient que 150.000 km, durée de vie de la batterie embarquée et ses cycles de charges et décharges.
Il est plus que temps de rattraper ces retards et construire des centrales électronucléaires en pagaille dans les prochaines années.
À mon sens, il faudra dix ans pour se mettre à niveau : Mais il n’est jamais trop tard pour bien faire !
Objectif 2030, quoi…
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