Véhicule électrique : demi-progrès, fausse solution


Lundi 15 février 2021


Un véhicule électrique tire son énergie d'une batterie d'accumulateurs, qu'on nommera « batterie », qui permet de stocker de l'énergie grâce à l'exploitation d'une propriété physique de certaines substances, leur potentiel électrochimique. Pour faire simple, c'est la capacité de certains éléments à se charger, à stocker et à se décharger une certaine quantité d'électrons, dont la circulation est ce qu'on nomme l'électricité. Ces flux d'électrons peuvent être convertis en mouvement mécanique par un moteur électrique. Les qualités d'une batterie sont avant tout son poids et sa capacité de stockage dans le cas d'un véhicule. Drones, téléphones portables et voitures électriques sont le produit de la "domestication" de l'élément chimique le plus apte à stocker le maximum d'électrons pour le minimum de poids : le lithium, un métal léger qui est chimiquement l'optimal de potentiel électrochimique.

Ainsi nos batteries modernes au lithium, dites « li-ion » pour « lithium-ion » sont probablement l'ultime technologie reposant sur ce principe que nous somme capable d'exploiter pour le stockage d'électricité. La pensée scientifique se doit de parler au conditionnel, le scepticisme étant la base de la science, mais dans le cas présent, la problématique dépasse le cadre de la science de laboratoire. C'est également la rentabilité, non pas financière (qui reste une fiction), mais énergétique de l'ensemble des processus industriels qu'il faut prendre en compte.

Par exemple, les piles à hydrogène sont très aptes à faire circuler des véhicules, mais leur principe de fonctionnement est basé sur un élément extrêmement rare, le platine. Non seulement les stocks sont limités, mais sa concentration étant très faible, son extraction nécessite des quantités faramineuses d'énergie. C'est le problème fondamental.


Il y a certainement encore des progrès à accomplir sur l'accumulateur li-ion, mais l'écart à rattraper en terme de poids contre l'énergie potentielle, dans le cadre d'un réservoir d'énergie transporté, est, vis-à-vis des hydrocarbures, de l'ordre d'un facteur 20. Aussi, 3% d'efficacité par ci, 5% par là, sont des progrès considérables, mais le saut à accomplir pour que l'accumulateur puisse concurrencer les moteurs à pétrole est d'un autre ordre.


L'accumulateur est un objet complexe, dont la fabrication nécessite de l'énergie, et quantité de machines et de matières premières. D'autre part, il s'use [1]. Les fabricants de cellules li-ion garantissent leurs performances pour environs 500 charges/décharges, mais les capacités de stockage décroissent en permanence, et de plus en plus, tandis que les pertes d'énergie en chaleur augmentent du fait de l'augmentation de la résistance interne.

Contrairement au platine, le lithium n'est pas particulièrement rare, et peut se trouver dans la nature à des taux de concentration assez élevés. Cependant on ne peut l'extraire sans dépense extravagante d'énergie qu'a certains endroits. Il y a deux filières principales. Les "salars", déserts de sel, qu'on trouve majoritairement en Amérique du Sud. Le lithium est mêlé à différents sels solubles, jusqu'à une concentration de 0,14% [2] dans les meilleurs gisements. La nature soluble des sels est ce qui permet d'extraire le lithium de manière efficace, à moindre coût. Nous le verrons plus tard, c'est aussi ce qui fait que le recyclage des cellules li-ion ne sera jamais rentable. Certains minéraux, comme le spodumène, contiennent une teneur supérieure en lithium, mais nécessitent un traitement plus énergivore, donc plus coûteux.

Le diagramme suivant illustre la filière de fabrication des cellules li-ion, qui sont incorporées aux batteries des véhicules électriques. Il s'agit d'une simplification, avec quelques inexactitudes, mais suffisamment précise pour faire comprendre la complexité de la fabrication d'une cellule li-ion. Sachant qu'une batterie de voiture électrique peut en contenir jusqu'à 8000. Il faut garder à l'esprit que chaque substance chimique qui entre dans la fabrication a elle aussi subit un processus de fabrication comparable. Que chaque processus industriel nécessite des machines spécifiques qui consomment de l'énergie, et qu'il a fallu les construire à l'aide d'autres machines. Et enfin que les lieux physiques sont distants les uns des autres, et qu'il a fallu transporter les matières premières entre ces lieux.


Légende :

C'est la facilité d'extraction à partir des sels qui condamne le recyclage des cellules [3]. Il est beaucoup plus difficile d'extraire le lithium, et les autres éléments, à partir d'une cellule usagée qu'à partir des gisements. Le bilan énergétique de l'opération est négatif, car cela implique de revenir au tout début de la chaîne de production, pour retrouver le lithium sous sa forme de carbonate, sachant que la majeure partie de l'énergie consommée dans le processus de fabrication l'est après cette étape. Cependant, aucune substance contenue dans les cellules n'est considérée comme toxique.

Une étude américaine de 2017 [4], publiée dans « The International Academy for Production Engineering » a établi la consommation d'énergie nécessaire à la fabrication d'une batterie d'automobile (Nissan leaf) d'une capacité de 24 kWh (pour comparaison, la batterie d'une "Tesla S" a 60 kWh de capacité). Ils obtiennent, par batterie produite, une dépense énergétique 88,3 GJ, soit environs 24 MWh. Les cellules li-ion représentent 66% de la consommation totale, le reste étant majoritairement consommé par les matériaux du carénage, des systèmes de refroidissement, et les systèmes électroniques nécessaires au rechargement de la batterie.

Nous le verrons plus loin, tout l'enjeu l'efficacité d'un véhicule électrique (VE) réside dans sa batterie, plus précisément dans la durée de vie de la batterie.

L'énergie nécessaire pour produire un véhicule moyen, diesel, a été estimée à environs 33 MWh [5]. Le VE est pénalisé en sortie d'usine par le coût de sa batterie, une estimation du coût énergétique de sa fabrication peut raisonnablement donner 46 MWh, pour un modèle moyen.

D'après EDF [6], un foyer consomme en moyenne 2000 kWh par an pour le rechargement d'un véhicule électrique. Ce chiffre représente le "profil d'utilisation" standard d'un foyer. Cela équivaut, pour la batterie précédemment citée, à une charge complète tous les 4 jours, soit environs 80 charges par an, et une distance parcourue d'environs 10 000 km. Sachant que les constructeurs garantissent les batteries généralement 8 ans, cela représente 640 charges/décharges, ce qui est cohérent avec l'ordre de grandeur de la « durée de garantie » des cellules.

Lors de son utilisation, la dépense énergétique d'un VE est de deux à trois fois plus petite qu'un moteur diesel. Pour 1 kWh d'énergie électrique introduit dans un VE, il faudra l'équivalent en diesel, en moyenne, de 2,5 kWh d'énergie pour parcourir la même distance. Une étude extensive [7] a montré que le type de trajet est le facteur principal. Le VE est plus performant pour les trajets urbains, mais l'écart se réduit avec la vitesse qui augmente. Cependant, c'est sur le cycle de vie du véhicule que le bilan final doit être calculé. C'est là toute l'originalité de cet article. Comme dit plus haut, étant donné le coût énergétique important de la fabrication de la batterie du VE, sa durée de vie est fondamentale dans l'équation.

Cette technologie étant récente, nous ne disposons pas de données historiques permettant d'avoir une idée précise sur ce point, en dehors de la période de garantie des constructeurs généralement de 8 ans. D'autant qu'il y a de nombreux paramètres qui rentrent en jeu. L'usure de la batterie est dépendante de son utilisation. La durée de vie augmente moyennant notamment de ne jamais la charger à 100%, et de ne pas la laisser se décharger à plus de 60%. Ceci implique de n'utiliser que la plage 70-90% pour l'utilisation courante. Ce qui est contraignant et pas toujours compatible avec la nécessité. D'autre part, le climat local est aussi un facteur majeur d'usure. La température élevée et l'humidité sont des facteurs aggravants. Le froid, lui, va réduire les performances d'utilisation, mais a un effet moindre sur l'usure, qui, je le rappelle, est inéluctable.

Pour apprécier l'économie d'énergie du VE, voici plusieurs scénarios, dépendants de la durée de vie de la batterie, c'est-à-dire, au bout de combien d'années doit-on changer la batterie pour maintenir des conditions d'utilisation raisonnables.

Les scénarios comparent la dépense brute d'énergie pour un véhicule diesel, avec une consommation moyenne de 5L/100km contre un VE de classe comparable, doté d'une batterie type « Nissan leaf » de 24 kWh. Les coûts de production des véhicules sont la donnée de départ, auxquels s'ajoutent les coûts de fonctionnement pour 10 000 km/an, pour une durée de 20 ans. J'assume que les coûts d'entretien du moteur diesel (bougies, filtres), en tant que dépense d'énergie, sont compensés par la dégradation de l'efficacité énergétique de la batterie du VE.

1er scénario : la batterie n'est pas changée durant les 20 ans : ceci est très optimiste, et l'aspect « qualitatif » des capacités du véhicule n'est pas pris en compte.

Nous le verrons plus loin, tout l'enjeu l'efficacité d'un véhicule électrique (VE) réside dans sa batterie, plus précisément dans la durée de vie de la batterie.

L'énergie nécessaire pour produire un véhicule moyen, diesel, a été estimée à environs 33 MWh [5]. Le VE est pénalisé en sortie d'usine par le coût de sa batterie, une estimation du coût énergétique de sa fabrication peut raisonnablement donner 46 MWh, pour un modèle moyen.

D'après EDF [6], un foyer consomme en moyenne 2000 kWh par an pour le rechargement d'un véhicule électrique. Ce chiffre représente le "profil d'utilisation" standard d'un foyer. Cela équivaut, pour la batterie précédemment citée, à une charge complète tous les 4 jours, soit environs 80 charges par an, et une distance parcourue d'environs 10 000 km. Sachant que les constructeurs garantissent les batteries généralement 8 ans, cela représente 640 charges/décharges, ce qui est cohérent avec l'ordre de grandeur de la « durée de garantie » des cellules.

Lors de son utilisation, la dépense énergétique d'un VE est de deux à trois fois plus petite qu'un moteur diesel. Pour 1 kWh d'énergie électrique introduit dans un VE, il faudra l'équivalent en diesel, en moyenne, de 2,5 kWh d'énergie pour parcourir la même distance. Une étude extensive [7] a montré que le type de trajet est le facteur principal. Le VE est plus performant pour les trajets urbains, mais l'écart se réduit avec la vitesse qui augmente. Cependant, c'est sur le cycle de vie du véhicule que le bilan final doit être calculé. C'est là toute l'originalité de cet article. Comme dit plus haut, étant donné le coût énergétique important de la fabrication de la batterie du VE, sa durée de vie est fondamentale dans l'équation.

Cette technologie étant récente, nous ne disposons pas de données historiques permettant d'avoir une idée précise sur ce point, en dehors de la période de garantie des constructeurs généralement de 8 ans. D'autant qu'il y a de nombreux paramètres qui rentrent en jeu. L'usure de la batterie est dépendante de son utilisation. La durée de vie augmente moyennant notamment de ne jamais la charger à 100%, et de ne pas la laisser se décharger à plus de 60%. Ceci implique de n'utiliser que la plage 70-90% pour l'utilisation courante. Ce qui est contraignant et pas toujours compatible avec la nécessité. D'autre part, le climat local est aussi un facteur majeur d'usure. La température élevée et l'humidité sont des facteurs aggravants. Le froid, lui, va réduire les performances d'utilisation, mais a un effet moindre sur l'usure, qui, je le rappelle, est inéluctable.

Pour apprécier l'économie d'énergie du VE, voici plusieurs scénarios, dépendants de la durée de vie de la batterie, c'est-à-dire, au bout de combien d'années doit-on changer la batterie pour maintenir des conditions d'utilisation raisonnables.

Les scénarios comparent la dépense brute d'énergie pour un véhicule diesel, avec une consommation moyenne de 5L/100km contre un VE de classe comparable, doté d'une batterie type « Nissan leaf » de 24 kWh. Les coûts de production des véhicules sont la donnée de départ, auxquels s'ajoutent les coûts de fonctionnement pour 10 000 km/an, pour une durée de 20 ans. J'assume que les coûts d'entretien du moteur diesel (bougies, filtres), en tant que dépense d'énergie, sont compensés par la dégradation de l'efficacité énergétique de la batterie du VE.

1er scénario : la batterie n'est pas changée durant les 20 ans : ceci est très optimiste, et l'aspect « qualitatif » des capacités du véhicule n'est pas pris en compte.


Il faut attendre la 5ème année pour que le bilan énergétique du surcoût de production du VE soit compensé par sa moindre consommation. L'écart au bout de 20 ans est de 54% en faveur du VE. C'est considérable, mais bien loin des 250% qu'on aurait naïvement déduit du différentiel de consommation.

2ème scénario : la batterie est remplacée au bout de 8 ans. Le coût de production de la batterie s'ajoute au bilan du VE.

Le bénéfice énergétique est repoussé à la 12ème année en faveur du VE, qui n'a plus qu'un écart de 20% avec le diesel.

3ème scénario, la batterie est remplacée au bout de 15 ans.


Le bénéfice reste en faveur du VE sur les 20 ans, mais l'écart demeure de 20%.


Conclusion.


Le VE a l'avantage de ne pas polluer les centres urbains, tant par les particules fines que par le bruit. Cependant, si on abaisse la consommation du moteur diesel à 3L/100km, l'écart de dépense énergétique sur 20 ans devient négligeable (moins de 8%) dans le meilleur scénario (n°1). Dans les autres scénarios, le diesel aura consommé moins d'énergie pour les 200 000 km parcourus.


D'autre part, il faut s'interroger sur la source de production électrique qui a rechargé le VE. Toutes les énergies dites "renouvelables" sont pénalisées par l'intermittence de leur production. Une éolienne d'une capacité de 1 MWh ne produira au bout d'un an que 20% de sa capacité, soit 0.2MWh [8]. La différence devra être assurée par des centrales pilotables, privilégiant les énergies fossiles, le nucléaire n'étant que semi-pilotable.


Le bilan sur la pollution de l'air doit prendre en compte les modes de production d'électricité tels qu'ils existent [9].


Les capacités d'extension de l'hydraulique sont minimes, car le potentiel dépend de la géographie, et qu'il est déjà exploité aux limites de ses possibilités. Solaire et éolien sont des mythes grassement subventionnés, sauf à une condition : réduire drastiquement les déplacements, comme jadis les marins devaient attendre les vents favorables. Il n'y aura pas de solution technologique à la raréfaction du pétrole, mais une solution sociale : changer radicalement nos modes de vie et de consommation.



[1] Dian Wang, Yun Bao and Jianjun Shi, Department of Physics, Donghua University, Shanghai

[2] https://investingnews.com/daily/resource-investing/battery-metals-investing/lithium-investing/lithium-deposit-types-brine-pegmatite-and-sedimentary/

[3] https://en.wikipedia.org/wiki/Lithium-ion_battery#Environmental_impact_and_recycling

[4] https://www.researchgate.net/publication/316884465_Manufacturing_energy_analysis_of_lithium_ion_battery_pack_for_electric_vehicles

[5] http://energyskeptic.com/2015/how-much-energy-does-it-take-to-make-a-car-by-david-fridley-lbl/

[6] https://www.edfenergy.com/electric-cars/batteries

[7] Jorge Martins, Francisco P. Brito, Delfim Pedrosa, Vítor Monteiro, João L. Afonso Real-Life Comparison Between Diesel and Electric Car Energy Consumption, in Grid Electrified Vehicles : Performance, Design and Environmental Impacts, pp.209-232, Nova Science Publishers, New York, 2013, ISBN 978-1-62808-839-7

[8] CNRS : https://www.sauvonsleclimat.org/images/articles/pdf_files/etudes/interm_enr.pdf

[9] https://www.researchgate.net/figure/Fuel-shares-of-global-electricity-generation-in-2009-adapted-from-International-Energy_fig1_258404306


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