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Définition et implications du concept de voiture propre

 

2. Les projets et les potentialités

· Les principes d'une pile/batterie

Une pile est un convertisseur d'énergie chimique en énergie électrique grâce au contrôle d'une réaction d'oxydoréduction spontanée, c'est-à-dire l'échange d'électrons entre deux pôles ou électrodes : une anode (oxydation/perte d'électrons) et cathode (réduction, gain d'électrons).

Entre les deux se trouve un milieu, l'électrolyte, permettant le passage des ions mais non conducteur des électrons. C'est un conducteur ionique mais un isolant électrique.

La possibilité d'inverser la réaction permet de créer une batterie. Les caractéristiques principales d'une batterie sont les suivantes :

* tension (volts),

* capacité massique (milliampère-heure par gramme/mAh/g),

* capacité volumique (millampère-heure par litre/mAh/l),

* puissance massique (watt par kilogramme/W/kg, elle détermine la capacité d'un véhicule à changer de régime et donc à accélérer),

* densité d'énergie massique (Wh/kg, elle détermine l'autonomie du véhicule),

* densité d'énergie volumique (Wh/l),

* stabilité thermique,

* température d'utilisation,

* stabilité au cours des cycles de charge et décharge qui commande la durée de vie par le nombre des cycles possibles.

Il existe deux grands types de batteries :

* Les accumulateurs en milieu aqueux comprenant des systèmes

- acides (batterie au plomb),

- alcalins (nickel-cadmium, nickel-hydrure métallique,
nickel- hydrogène) ;

* Les accumulateurs en milieu organique (ion-lithium).

· La batterie au plomb

La batterie au plomb ou « acide-plomb » a été inventée en 1839 par Gaston Planté. Elle a notamment permis à Camille Jenatzy, en 1899, d'atteindre la vitesse de 105 km/h et une autonomie de 50 km à bord de la voiture Jamais contente.

Cette batterie utilise le plomb, l'oxyde de plomb (PbO2) et le sulfate de plomb (PbSO4). L'électrolyte est une solution aqueuse d'acide sulfurique. Elle peut délivrer une tension élevée (2,1V) mais sa masse réduit son énergie spécifique (35 Wh/kg).

· Les batteries alcalines

Elles ont pour point commun une électrode à base d'hydroxyde de nickel Ni(OH2) et une solution aqueuse de potasse (KOH) concentrée comme électrolyte.

La réduction du matériau se fait par réduction de l'ion métallique (Ni+) tandis qu'un ion (H+) est inséré dans la structure du matériau (intercalation). Au cours de la recharge, l'ion métallique libère un électron et un ion H+ est désintercalé et expulsé de la structure.

Ces batteries souffrent de deux handicaps : un effet mémoire (limite de la durée de vie) et une instabilité thermodynamique vis-à-vis de l'eau (décharge d'autant plus rapide que la température est élevée).

Les batteries alcalines se différencient par la nature de la deuxième électrode : un gaz (H2) ou des matériaux métalliques (Ni-Cd ou Ni-MH).

Les batteries Nickel-Cadmium (Ni-Cd) offrent une bonne densité d'énergie (50 Wh/kg) mais une mauvaise stabilité et souffrent de la toxicité des composants.

Les hydrures métalliques fonctionnent grâce à leur capacité à stocker l'hydrogène et à libérer des hydrures (ions H-). Ces batteries nécessitent des terres rares et une température élevée.

· Les batteries au lithium

Il en existe deux types principaux : lithium-graphite et lithium-polymère.

Le lithium est un métal alcalin très léger (numéro atomique Z=3 et masse molaire 6,94 g/mol). Il réagit violemment au contact de l'eau et s'oxyde en présence d'oxygène ou d'azote, d'où la nécessité d'un électrolyte organique anhydre et d'un conditionnement sous atmosphère inerte. Il faut en outre éviter la formation de filaments métalliques entre les électrodes (dendrites). Ces particularités expliquent les différences entres les deux types de batteries au lithium.

Dans les batteries lithium-graphite (dites lithium-ion), le métal pur est remplacé par un composé d'intercalation, le graphite, accueillant un ion lithium pour six carbones. L'autre électrode est composée d'un autre matériau d'intercalation (LiCoO2, LiNiO2 ou LiMnO4). Les ions lithium circulent donc d'un matériau à un autre.

Cette technologie a un coût élevé mais permet de fortes tensions et une grande densité d'énergie sans effet mémoire.

Les batteries lithium-polymère intègrent tous les matériaux actifs dans un fil plastique poreux « polymère » conducteur ionique.

Les recherches se poursuivent sur les différents types de batteries en fonction de leur usage potentiel.

Les batteries plomb-acide (électrode en pomb, acide sulfurique comme électrolyte) sont une technologie éprouvée et sûre. Elles équipent la totalité des véhicules. Leur coût moyen est faible et compris entre 15-30 €/kWh pour le démarrage et 50-100 €/kWh pour le transport. Son principal handicap est sa faible densité massique en énergie (30 Wh/kg). Parfaitement adaptées au démarrage, elles semblent aussi offrir le meilleur rapport performance/prix pour le « stop & start » demandant peu d'énergie. Des batteries « plomb compressé » verront prochainement le jour et seront certainement utilisées plusieurs années encore pour les applications industrielles et le transport de proximité (petits bus de 22 places).

Source : EDF, 2005.

Les batteries Nickel utilisant une électrode Nickel se subdivisent en deux catégories : Nickel Cadmium (NiCd) et Nickel métal hydrure (NiMH). La batterie NiCd fabriqué par SAFT et placée sur les véhicules électriques produits au cours des années 1990 leur a conféré une autonomie de l'ordre de 70 à 80 km. Sa densité en énergie est 50 % plus élevée que les batteries au plomb. Ce type de batterie va progressivement disparaître en raison de l'évolution des normes environnementales (dangerosité du cadmium). Il était également difficile de connaître précisément son niveau de charge et sa durée de vie dépendait de cycles complets de charge-décharge.

Les batteries Nickel métal Hydrure permettent un nouveau progrès dans les performances. La densité d'énergie est deux fois plus importante (70 Wh/kg) que dans une batterie au plomb. Elles sont pour l'instant essentiellement utilisées dans les véhicules hybrides (Toyota Prius et Lexus RX400 h) et produites par des firmes japonaises (Panasonic, Matsushita, Sanyo). Elles offrent une puissance massique très élevée (1.500 W/kg à 20 °C). Elles sont sûres d'utilisation (sécurité, gestion de la charge, durée de vie), mais onéreuses à fabriquer. Des recherches sont effectuées sur le nickel zinc mais il n'est pas certain que cette technologie soit suffisamment performante pour concurrencer les batteries au lithium.

Les batteries Sodium Nickel Chlorure (NaCl et NiCl2) - ZEBRA -, de la société suisse MES-DEA, ont pour intérêt d'avoir une densité d'énergie supérieure à 100 Wh/kg. Il s'agit de batteries « chaudes » fonctionnant à 300 °C. Contenant un électrolyte liquide, elles doivent être conditionnées dans un caisson étanche. Elles occupent donc un volume relativement important ce qui les destine à être essentiellement utilisées par les bus électriques et véhicules lourds. Un usage automobile n'est toutefois pas exclu.

Les batteries au lithium (lithium ion et lithium polymère) sont celles qui offrent le plus grand potentiel pour les futures voitures électriques. Elles pourraient fournir une autonomie comprise entre 200 et 300 km. Elles pourraient aussi équiper des véhicules hybrides rechargeables.

Les batteries lithium ion sont des batteries à électrolyte liquide. Peu de sociétés en fabriquent pour assurer l'alimentation de véhicules électriques, l'essentiel des usages étant réservés pour l'instant à l'électronique portable. Selon les modèles ou les sociétés, les batteries ont des caractéristiques variables. La société française SAFT, l'une des plus performantes au monde dans ce secteur, a mis au point des batteries de haute puissance (2 850 W /kg), de moyenne puissance (1170 W/kg) et de haute énergie (420 W/kg et 150 Wh/kg).

Les batteries lithium polymère sont des batteries solides. Tous les éléments sont sous forme de films plastiques pour l'électrolyte et la cathode et métallique (lithium) pour l'anode. Elles sont fabriquées en France par la société BatScap et au Canada par la société Avestor mais pour des usages stationnaires.

Enfin les super condensateurs qui permettent de délivrer une puissance très élevée pendant un faible laps de temps seront sans doute adaptés à des usages spécifiques de transport en commun (tramway - stop & go) et pour l'équipement de voitures mild-hybrid en complément du système d'alternodémarrage.

Logiquement, les deux voies les plus explorées par les constructeurs qui espèrent mettre sur le marché un véhicule électrique polyvalent sont les batteries lithium ion et lithium polymère.

Dassault-Heuliez et Bolloré relancent la réalisation d'une voiture électrique compétitive.

Dans le cadre du programme interministériel PREDIT, la Société de la voiture électrique (SVE) qui résulte de l'association en 2001 du groupe Dassault et de Heuliez, a été aidée par l'État pour construire 30 véhicules électriques et hybrides, et les expérimenter dans les conditions réelles d'utilisation.

SVE a ainsi mis au point trois véhicules successifs Cleanova I, II et III. La Cleanova I était dotée d'une carrosserie propre. La Cleanova II a été élaborée sur la base de la Renault Kangoo, sans toutefois que logo Renault apparaisse. Enfin, la troisième version est fabriquée sur celle de la Renault Mégane Scenic dont le losange est à nouveau présent sur la calandre, petit détail qui a montré au salon de Genève la volonté du constructeur français d'être à nouveau présent dans ce secteur.

Les Cleanova sont équipées de batteries SAFT lithium-ion. Cette technologie est testée depuis près de 10 ans. Elle disposerait d'une autonomie de 210 km en cycle urbain. L'énergie massique est de 150 Wh/kg. La batterie de 25 kWh se recharge sur le secteur (230 V - 16 A) en 7 heures et peut être rechargée à hauteur de 70 % en 30 minutes mais à partir de prises spécifiques (35 kW - 150 A).

Le coût affiché est de 350 €/kWh. Les accumulateurs représenteraient un poids de 250 kg dont le coût à l'achat serait de 11.000 € pour une production de 2000 à 5000 par an.38(*)

SVE a également présenté au Mondial de Paris une Cleanova dotée d'un prolongateur d'autonomie permettant de parcourir plus de 400 km. Cette voiture hybride est d'une puissance électrique de 22 kWh et dispose d'un moteur essence et d'un réservoir de 20 litres.

 

Cleanova II

Cleanova II + prolongateur

Énergie embarquée

25 kWh

22 kWh & 20 l

Cycle urbain euro

210 km

530 km

Cycle extra urbain

150

390

Cycle mixte

170

450

Source : SVE

SVE espère placer ces véhicules auprès des grands opérateurs publics (Poste, EDF, État et collectivités territoriales) puis auprès du grand public. La commercialisation est envisagée à partir de 2007.

Au-delà de son expérimentation en France, SVE a signé, le 9 octobre 2004, un partenariat avec le chinois Wanxiang pour la vendre dans ce pays notamment à l'occasion des Jeux olympiques de Pékin en 2008. Il est question d'une commande de 70 000 taxis électriques.

Bolloré et sa filiale Batscap sont le deuxième grand acteur en France de ce secteur. La voiture électrique Batscap intitulée BlueCar a été présentée pour la première fois au Salon de Genève en 2005. Ce prototype vise surtout à démontrer la faisabilité et la viabilité de la technologie des batteries lithium polymère. L'architecture de la voiture et la traction électrique ont été conçues avec Matra Auto Engineering, Pininfarina et Philippe Guédon. Celui-ci a d'ailleurs coutume de dire que la Blue Car est la première voiture électrique dans sa conception, toutes les autres n'étant que des « voitures électrifiées » n'ayant pu bénéficier de toutes les avancées permises par la propulsion électrique, notamment en termes d'habitabilité et de capacité de chargement.

La batterie lithium polymère développée par Bolloré est issue du savoir-faire acquis par le groupe dans les papiers minces puis les films plastiques et les condensateurs. Des travaux sont engagés depuis 1993 pour un montant total de 70 millions d'euros. Depuis novembre 2001, EDF collabore à ces recherches et a pris une participation de 20 % dans Batscap.

Cette batterie est composée de multiples unités de base de 2,5 V constituées du bobinage d'un film de 150 um. Ce film est composé de quatre couches : anode en lithium métallique, électrolyte en polyoxyéthylène et sels de lithium, cathode en oxyde de vanadium, carbone et polymère et d'un collecteur de courant. Ces batteries fonctionnent à une température de 90 °C.

Batscap indique qu'elle sera à même de répondre aux besoins. Elle doit procurer une autonomie supérieure à 200 km, une bonne accélération et une vitesse de pointe de 120-130 km. Son niveau de charge sera facile à connaître et son temps de recharge plus court que les technologies actuellement disponibles (total en 6 h). Sa durée de vie serait supérieure à 1000 cycles et donc supérieure à 10 ans et 150 000 km. Le poids total des batteries ne dépasserait pas 200 kg et un volume de 150 litres au lieu des 400 kg pour le NiCd. Elle permettrait un coût de 250 €/kWh environ.

Ces batteries entièrement sèches sont très stables et ont une longue durée de vie. Elles peuvent fonctionner à une température extérieure comprise entre - 20 °C et + 60 °C. La densité d'énergie est de 150 Wh/kg et la puissance est de 300 W /kg.

La batterie LiPM et ses concurrentes :

 

Plomb-acide

NiCd

NiMH

Li ion

Li PM

Densité d'énergie (Wh/kg)

30-40

45-60

80-90

120-150

150

Densité de puissance (W/kg)

120

150

150

200/300

300

Nombre de cycles

500

1500

800

1000

1000

Coût (€/kWh)

110

400

400

350

< 250

Source : Batscap

Bolloré prévoit un marché de l'ordre de 120 000 véhicules électriques dans le monde en 2010 sur un total de 50 millions.

· La voiture électrique urbaine ou très sportive ?

En dehors de ces deux industriels français du secteur, une observation attentive de l'actualité permet de voir le paysage évoluer dans deux autres directions : les toutes petites voitures électriques et les voitures électriques à haute performance.

Dans le domaine des très petites voitures électriques, on observe un intérêt croissant pour des voitures exclusivement urbaines permettant d'accueillir une à deux personnes et qui seraient mises à disposition en libre service.

Une voiture indienne, la G-Wiz, de marque Reva, est commercialisée au Royaume-Uni depuis quelques mois. Elle est alimentée par des batteries au plomb classiques, dispose d'une autonomie de 64 km. Sa vitesse maximum est de 64 km/h. Elle se régénère en partie grâce à l'énergie du freinage. Vendue au prix de 13 000 € environ, ses ventes sont pour l'instant confidentielles. Elle pourrait connaître un certain succès à Londres puisqu'elle est exempte du péage et peut se garer gratuitement en centre ville.

Une autre voiture électrique proche du prototype est la Tango, conçue par la firme américaine Commuter Cars. Ne mesurant que 99 cm de large, elle embarque deux passagers l'un derrière l'autre. Deux moteurs électriques sont installés dans les roues arrière. Elle dispose d'une autonomie théorique comprise entre 100 et 130 km et d'une pointe de vitesse à près de 192 km/h. elle devrait être vendue 85 000 $.

Elle se rapproche donc des prototypes électriques à très haute performance qui ont été mis au point ces derniers temps. Parmi ceux-ci on peut citer le roadster Venturi Fetish qui propose une autonomie de 350 km avec une vitesse de pointe de 170 km/h. Son point fort est l'accélération. Le 0 à 100 est atteint en 4,5 s. Il est le résultat d'une collaboration avec la firme AC Propulsion. La production sera confidentielle (25 exemplaires) d'autant que le prix proposé est très élevé (540.000 €).

Vos rapporteurs, lors de leur mission au Japon, ont pu rencontrer le Professeur Shimizu, de l'université Keio de Tokyo. Celui-ci dirige un programme de recherche visant à construire et mettre au point des véhicules électriques capables de surpasser les voitures à moteur thermique. Il est ainsi parvenu à construire des prototypes nommés Eliica pour Electric lithium-ion battery car. Deux véhicules ont été mis au point, dont l'un a atteint la vitesse record de 370 km/h et l'autre l'accélération spectaculaire du 0 à 160 km/h en 7 secondes.

Ces deux prototypes sont représentatifs des recherches effectuées sur les véhicules électriques à la fois en termes d'architecture, de composants et de performance. En termes d'architecture, les deux véhicules sont dotés de huit roues motrices avec un moteur électrique dans chacune d'elles (in wheel motor). Les batteries au lithium sont situées dans le plancher de telle sorte que l'habitacle est entièrement libéré des contraintes traditionnelles : bloc moteur, transmission... En termes de composants les recherches visent à approfondir les connaissances sur les batteries et les moteurs électriques en fonction de la performance recherchée. Ainsi, le véhicule le plus rapide n'est pas celui qui accélère le plus vite, les mêmes qualités n'étant pas requises. Enfin, en termes d'autonomie et de rechargement, ces modèles affichent 300 km d'autonomie et une recharge partielle très rapide : 70 % entre 4 et 30 minutes en fonction du type de batterie.

Il est évident que ces différentes voitures électriques ne seront pas des modèles grand public mais ils permettent de mesurer l'évolution des recherches en la matière, l'intérêt renouvelé pour ce type de véhicule et surtout la volonté de démontrer les performances sportives d'un mode de propulsion présenté habituellement comme peu attractif.

· Le véhicule hybride rechargeable

Malgré les efforts déployés pour mettre au point un véhicule électrique compétitif, les limitations d'autonomie et la crainte de se trouver à bout de batterie, conduisent la plupart des consommateurs à ne pas percevoir la voiture électrique comme pouvant devenir une voiture multi usages convenant à tous les besoins.

Au contraire, les véhicules hybrides, principalement thermiques, qui existent aujourd'hui et qui rechargent leurs batteries à partir de l'énergie produite par le moteur thermique et l'énergie cinétique, apparaissent comme affranchis de ces contraintes. Les affiches publicitaires de Toyota montrant le profil d'une voiture dessiné par un fil électrique dont les prises mâle et femelle se rejoignent vont tout à fait dans ce sens. Cependant, ces véhicules ne permettent de rouler en électrique pur que sur une faible distance - quelques kilomètres.

Dès lors, apparaît l'idée d'un véhicule hybride rechargeable sur le réseau (VHR). Un tel véhicule pourrait disposer d'une autonomie électrique très supérieure tout en garantissant une autonomie beaucoup plus large grâce au moteur thermique ainsi qu'une totale polyvalence.

Cette « vision » est corroborée par les études sur les trajets types des Français. 60 % des trajets journaliers seraient couverts par un VHR disposant d'une autonomie électrique de 30 km. Une autonomie électrique de 40 km permettrait d'atteindre 70 % des trajets en mode électrique pur. En dehors des déplacements journaliers, les Français utilisent leurs véhicules pour des grands trajets, des fins de semaine ou les vacances. Cela représente 30 % de leur kilométrage annuel.

EDF a mené des études pour évaluer les émissions de CO2 du moteur à la roue d'un véhicule familial moyen essence. Ce véhicule émet normalement 155 g CO2 /km39(*). S'il s'agit d'un hybride de type Prius environ 100 g, s'il s'agit d'un VHR ayant une autonomie comprise entre 10 et 60 km, il émettrait en France entre 80 et 40 g CO2 / km. Ainsi le VHR 60 permettrait d'atteindre le facteur 4 dans le secteur automobile, ce qui est l'objectif affiché par les pouvoirs publics en 2050.

Évaluation des émissions de CO2 du puits à la roue selon la motorisation :

Type de véhicule

Puits au moteur
(g CO2/km)

Moteur à la roue

Émissions totales

Conventionnel

20 à 35

130 à 180

150 à 210

Hybride

24

104

128

Electrique

10 à 14

0

10 à 14

VHR 10

22

73

95

VHR 30

21

52

73

Source : EDF/ADEME

Cependant, ce type de véhicules n'apporte de gains importants que si le mix-énergétique conduisant à la production de l'électricité est exempt de CO2, ce qui est le cas en France ou en Norvège.

Ainsi, en Chine, Inde, Australie ou Afrique du Sud, l'utilisation d'un véhicule entièrement électrique est plus inefficiente qu'un véhicule thermique, tant l'électricité est aujourd'hui chargée en carbone.

Dans le monde en moyenne, et plus particulièrement aux États-Unis, en Italie, en Allemagne, au Royaume-Uni et en Espagne, il en est de même des véhicules hybrides rechargeables car le mix énergétique est mauvais en termes d'émissions de GES.

Les moyennes OCDE et UE 15 sont favorables. C'est tout particulièrement le cas en Norvège, en Suisse, en France, au Canada et en Belgique en raison du recours massif à l'hydroélectricité et au nucléaire.

Ces véhicules hybrides rechargeables sont à l'état de prototypes.

Vos rapporteurs ont cependant acquis la conviction que cette technologie était sans doute parmi les plus prometteuses et doit faire l'objet d'une attention beaucoup plus importante de la part des pouvoirs publics et des industriels.

* 38 Industrie et technologie, n°865, février 2005.

* 39 Moyenne ADEME du parc français.