Thread by @vbenard

… Et comme le véhicule électrique est à volume égale environ 50% plus lourd, son avantage théorique en terme de rendement est grignoté d’autant.

Vous croyez en avoir fini avec les handicaps de la batterie ?

Désolé, mais il y en a encore. Leur capacité de stockage se dégrade plus vite dans le temps si vous conduisez trop brutalement, car les batteries n’aiment pas “lâcher leur courant” trop vite.

Et si vous tentez de recharger vos batteries trop vite, alors vous risquez également de dégrader leur performance à long terme.

Et bien sûr, vous avez tous entendu parler de l’usage de matériaux rares utilisés par les batteries et les moteurs électriques à haute performance: l'extraction de ces métaux pose des problèmes écologiques sérieux.
amazon.fr/guerre-m%C3%A9…

La situation n’est pas meilleure du côté de la production et de la distribution d’électricité.
Dans les pays où l’électricité est faiblement nucléarisée, c'est à dire presque partout, ...

... La hausse de rendement du groupe motopropulseur électrique est compensée par le rendement assez faible des centrales thermiques, environ 40% pour une centrale moderne et bien entretenue.

Eh oui, le carburant qui n’est pas brûlé par le VMT l’est en amont, à la centrale. Si on “refactorise” les coûts de production et distribution de l’électricité et des carburants…

… Dans l’équation du rendement de la chaîne de propulsion, l’avantage du Véhicule électrique n’est plus de 1 à 4, mais “seulement” de 1 à 2 grand maximum, ce qui reste honorable, mais pas aussi excitant.

Et la distribution ? Si demain, d’un coup de baguette magique, tous les VMT étaient remplacés par des VE, pour accomplir le même service de mobilité, il faudrait augmenter la production électrique totale d’environ un tiers en France (mm ordres de grandeur ailleurs).

Et surtout, pour recharger une batterie “longue distance” en un temps raisonnable, il faudrait remettre à niveau le réseau de distribution pour amener à nos domiciles plus que le 6 ou 9 Kilovolts-ampères qui est ce qu’on trouve communément.

Et puis tout le monde voudra recharger la nuit: les heures de nuit, autrefois “creuses”, deviendront des heures de pointe… Les investissement nécessaires sont considérables. Pas sûr qu'ils soient finançables.

Or, nos gouvernants ne veulent pas AUGMENTER mais DIMINUER la production d’énergie et parlent de ne pas renouveler notre parc nucléaire. Et si le besoin d’électricité se manifeste de nuit, il ne faudra pas compter sur le solaire…

(et pas trop sur l'éolien, d'ailleurs).

Bref, dans un pays où l’énergie est totalement encadrée par des décisions publiques prises sous le sceau de l’incohérence et de l’incompétence, on ne voit pas comment tous ces problèmes pourraient disparaître par miracle d’ici 2040.

“Oui, mais la technologie va progresser, non ?”, me direz vous. C’est exact. La question est: “suffisamment ?”

Revenons aux progrès escomptables sur le véhicule et la batterie. La question qui se pose est: “peut on faire progresser les technologies des batteries pour combler ses handicaps actuels, et si possible d’ici 2040” ?

Et là, la réponse est clairement “Non par amélioration incrémentale des technologies existantes”. Elle ne sera oui que si une “rupture technologique” se produit. Mais par nature, les ruptures technologiques sont imprévisibles…

Ainsi, l’invention du moteur à explosion vers 1890 constitue indubitablement une rupture technologique. Mais elle était totalement imprévisible en 1880, époque à laquelle les politiciens se demandaient …

… Comment gérer le volume de déjections chevalines en hausse exponentielle dans nos villes. Problème passé au second plan 30 ans plus tard.

Autre exemple de rupture imprévisible dans un tout autre domaine: la découverte (années 20) presque par hasard de la pénicilline, sans doute une des plus grandes avancées médicales de tous les temps, qui a sauvé des centaines de millions de vies.

Là encore, c’était imprévisible, et un an avant, si on avait interrogé les meilleurs médecins, l'avenir du paysage médical qu'ils auraient décrit aurait été totalement différent de ce qu'il est devenu.

Tout ça pour dire qu’on sait “imaginer”, à défaut de prévoir finement, ce que sera le monde en améliorant incrémentalement les technologies existantes, mais qu’il est impossible de prévoir une rupture technologique, et donc de baser une politique sur un tel espoir.

Or, Les technologies améliorant incrémentalement les batteries existantes sont bien en cours de R&D, mais aucun miracle n’est à espérer d’ici 2040. Aucune techno existante ou en phase labo ne paraît réalistement en mesure de supplanter les avantages des fossiles d’ici 20 ans.

Les lois de la physique et de la chimie limitent la densité théorique énergétiques des batteries Li/ion autour de 2 MJ/kg, soit 4 fois leur densité énergétique actuelle. Mais on est très loin de savoir comment rapprocher la densité réelle de ces batteries …

… de leur maximum théorique. D’autres chercheurs imaginent de remplacer le cobalt et le carbone (autres éléments participant à la réaction chimique des batteries Lithium) par des éléments plus légers. Mais même là encore, les limites théoriques…

… S'approcheraient à peine de 5MJ par kg, soit 10X moins qu'un réservoir de carburant (et là encore, la limite pratique sera nettement inférieure à la limite théorique).

Remplacer le lithium par d’autres matériaux est envisagé, mais le lithium est déjà un des éléments les plus légers de la table périodique des éléments: les essais réalisés aboutissent souvent à des batteries plus lourdes…

D’autres chercheurs ont développé des concepts théoriques recourant à d’autres principes chimiques, à base par exemple de Zinc oxydé, ou de silicone. Là encore, le rendement théorique pourrait avoisiner les 5 MJ/kg,

Mais en pratique, les premières déclinaisons, si elles voient le jour sous une forme industrielle, se situeront plutôt autour de 1MJ/kg, soit en gros le double des actuelles Li/ion.

Idem pour des batteries à “super capaciteurs”, qui ont fait parler, mais dont le rendement théorique maximal se situe dans ces eaux là. Et personne ne sait comment passer du modèle théorique au modèle physique, et a fortiori industriel, pour aucune de ces “super technologies”.

Régulièrement, sur internet, on annonce que “des chercheurs ont trouvé un matériau permettant d’améliorer l’efficacité des anodes de batterie d’un facteur 5 ou 10”, mais de l’annonce de labo au passage en prod, les déceptions sont nombreuses…

… Car dès que le matériau miracle doit être associé à une cathode, à des électrolytes, qu’il faut assembler des cellules individuelles en système de cellules, les ennuis commencent. Soit la batterie voit sa performance se dégrader au fur et à mesure des cycles de recharge,...

...Soit elle est dangereuse (trop inflammable, trop sensible à la chaleur, etc…), Soit elle utilise des matériaux d’appoint trop rares… Enfin bref, développer la batterie idéal n’est pas simple.

Mais au fait, Quel serait le cahier des charges d’une batterie idéale ?

Une batterie idéale devrait être petite, légère, avoir une forte densité énergétique, ça, on l’a vu. Il faudrait qu’elle puisse se recharger vite sans perdre en perfs, être tolérante à la surcharge, qu’elle puisse délivrer son énergie lentement ou rapidement, …

Qu’elle garde une performance quasi constante à chaque cycle de recharge, qu’elle fonctionne par grand froid, par grande chaleur, qu’elle soit facile à refroidir, ne s’enflamme pas, n’explose pas, qu’elle ne s’use pas quand la voiture ne tourne pas…

Qu’elle tolère le niveau de vibrations rencontré dans une voiture, que son processus de fabrication soit “environnementalement soutenable”, utilise peu d’énergie sur tout son cycle de fabrication et de recyclage, et ne nécessite aucune maintenance…

Et que tout ça soit possible à un coût de production raisonnable, donc sans utiliser de matériaux ultra rares (platine, rhodium...) ou très difficiles à usiner.

Inutile de dire que même nos Li-Ion actuelles ne répondent pas positivement à chaque point de ce cahier des charges.

Et à ce jour, aucune technologie de batterie en labo, ne répond à toutes ces qualités. En général, les échecs sont moins médiatisés que les promesses technologiques, Mais la déception domine jusqu’ici.

En fait, une batterie peut avoir certaines qualités ci dessus mais pas toutes.

Un exemple parmi d'autres: si vous créez une batterie capable de stocker “beaucoup” d’énergie, il y a des chances pour qu’elle ne soit pas capable de la libérer rapidement.

Et plus un proto de labo se rapproche d’un compromis idéal, et plus il coûte cher, ou obtient sur un seul point clé une note disqualifiante (par exemple: la faisabilité industrielle, l’écologie des process de fabrication, ou la stabilité au feu, etc).

Et de toute façon, gardons à l’esprit que passer d’un stade labo à un stade R&D puis à un stade fab’ prend du temps !

Contrairement à ce qu’on croit, la batterie n’est plus une industrie jeune, elle a 200 ans, et parmi les premières voitures vers 1900, certaines étaient électriques. La "Jamais contente" de Camille Jenatzy fut même la 1ère à plus de 100km/h en 1899 !

Les premiers protos de batteries lithium-ion ont été testés dans les années 70 en labo universitaire, leur première commercialisation pour des appareils électroniques portables remonte à 1990 par Sony. 20 ans de R&D.

Moins d’une dizaine de famille de batteries, parmi les centaines qui ont été testées, sont parvenues au stade industriel, et encore, elles n’ont pas toutes été des succès commerciaux.

Et une chose est sûre après tout ce temps, il n’y a pas dans le domaine des batteries une “loi de Moore” permettant de rêver à un accroissement exponentiel des performances par simple évolution incrémentale de la technologie.

En fait, depuis que le Li-Ion est passé au stade industriel, le gain de capacité moyen est de 8% par an. C’est une performance tout à fait honorable, cela équivaut à un doublement des capacités tous les 9 ans.

C’est bien, mais en supposant que l’on puisse continuer au même rythme, cela amènerait nos batteries à 2MJ/kg en2040. Toujours cette valeur qui revient en boucle. Cela reste toujours 25 fois moins dense qu’un carburant fossile. Un tel progrès serait...

...honorable, mais pas de quoi résoudre tous les problèmes ci avant énoncés pour les VE. Et encore moins pour les poids lourds, qui ne peuvent s’alourdir au delà d’une certaine limite de résistance de nos routes et de nos ouvrages d’art.

… Et on ne sait absolument pas si ces 2MJ seront atteintes, si elles le sont, à des prix et à des conditions environnementales, de fiabilité, un peu ou nettement meilleures que les batteries actuelles. Que d'inconnues !

"Et l’hydrogène ?", direz vous.
En théorie, sa densité énergétique au poids est 3 fois supérieure à celle du fuel. “Ah, enfin !”

Sauf que… Si la densité par rapport au poids est bonne, la densité au volume est désastreuse, car l’hydrogène est un gaz !

… Même compressé à 700 fois la pression atmosphérique (!), la densité énergétique “volumique” de l’hydrogène est 6 fois inférieure à celle du fuel. Et la production de l’hydrogène est elle même assez gourmande. Et la liste des caractéristiques…

… des groupes motopropulseurs à hydrogène est encore loin de répondre positivement à tous les critères du cahier des charges décrit plus haut pour les batteries “idéales”.

“Mais si le gouvernement interdit la VMT en 2040, ça va stimuler la recherche, et on va bien finir par trouver !”. Ce n’est pas un ingénieur croyant dans le progrès scientifique pour trouver des solutions aux problèmes actuels qui va blâmer votre foi en l’avenir.

Mais l’ingénieur sage est AUSSI celui qui connaît les contraintes de l’incertitude, au contraire du politicien velléitaire. Si beaucoup de gouvernements rejoignaient la France dans un bannissement généralisé du moteur thermique, alors …

… Soyons certains que tous les efforts pour améliorer cette technologie s’arrêteraient rapidement, puisque non amortissables dans la durée !

Et donc, soit d’ici 2040, que peut-il se passer ?

Soit un miracle se produit: un génie (ou un chanceux !) trouve ZE technologie permettant de surpasser la densité énergétique du carburant-pétrole dans moins de 10 ans, et l’industrie peut passer également en moins de 10 ans au stade industriel à prix accessible…

Soit le miracle ne se produit pas, et… et quoi ? Vous joueriez l’avenir de notre mobilité individuelle, sur laquelle repose une grande part de notre qualité de vie et de notre prospérité économique, sur un pari aussi incertain, vous ?

“Oui, mais que devrait faire le gouvernement ?”

En bon libéral, je vous répondrai… “RIEN”.

Il y a de toute façon une demande forte des consommateurs pour aller vers des moteurs moins polluants, et je ne parle pas ici de CO2, mais de tout le reste, sans oublier les inconvénients géopolitiques de notre dépendance au pétrole.

Dans un marché libre, les constructeurs feraient ce qu’ils ont toujours fait, c’est à dire mixer l’amélioration du moteur thermique, et le recours accru à l’hybridation au fur et à mesure que le rapport prix-avantages de ces solutions évoluerait favorablement.

Car même le moteur thermique a encore des marges de progression. Ainsi, le remplacement des bougies par des antennes micro-ondes pour améliorer la combustion interne est déjà en test "conditions réelles".

SI ces tests sont concluants (conditionnel, comme toujours, au stade de R&D), pour un coût industriel faible, le rendement des moteurs thermiques pourrait être amélioré de 20 à 30% (sur les testeurs, on atteindrait déjà 15%),

Et cette technologie améliorerait aussi le bilan vis à vis des émissions polluantes (NOx, SO2, particules fines...) - Bref, stopper le développement du moteur thermique n'est peut être pas une si bonne idée !

Bref, le VMT s'est beaucoup amélioré en terme de consommation et de pollution depuis sa naissance au début du XXe siècle, et il peut encore le faire, au moins au même rythme que le VE, pendant encore plusieurs décennies !

Et donc l'amélioration conjointe et graduelle des moteurs thermiques et de la chaine électrique conduirait à une amélioration continue de l’efficacité énergétique du parc automobile, ….

... Sans faire peser d'inconnue angoissante sur ce qui se passerait en 2040 du fait d'une rupture législative mal conçue.

Au contraire, si on stoppe mondialement l’incitation à améliorer le thermique, alors tous les modèles vendus dans le monde d’ici son bannissement (qui ne sera pas total, les pays en développement refuseront) progresseront nettement moins par rapport aux niveaux actuels…

… Et les gens seront moins incités à renouveler leurs véhicules, entre des VE n’ayant pas comblé leurs lacunes, et des VMT bientôt interdits, et s’améliorant peu.

Le résultat en terme de pollution dans les 20 prochaines années, sauf miracle R&D non anticipable, serait bien plus mauvais que celui qu’une option plus pragmatique et libérale aurait permis d’espérer. Et le recul en terme de service de mobilité rendu nous appauvrirait...

Bon, si jamais mon pessimisme technologique sur la question de la batterie se confirme, soyons certains que de nombreux pays, même parmi ceux ayant cédé à la tentation médiatique de bannir l’essence,...

… Reviendront sur leur décision et adopteront un compromis législatif plus raisonnable permettant une transition technologique sereine et en douceur.

Mais ici, en France, le complexe de supériorité injustifié de nos politiciens, et l’hystérie climatique ambiante, pourraient conduire à un entêtement dont nous ferions tous les frais. /Fin du thread (annexes à suivre)

ADDENDUM :

Quelques sources pour ce thread qui fut long à élaborer:

American physical society
aps.org/publications/a…

Bulletin of atomist scientists
thebulletin.org/2009/01/the-li…

MIT
technologyreview.com/s/602245/why-w…

The Battery University
batteryuniversity.com/learn/article/…

/FIN

Fin de ce thread
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https://twitter.com/vbenard/status/1139789236029276161