La voiture électrique

Cher(e) Ami(e),

L’avenir énergétique est électrique et si tu en doutais n’hésite pas à parcourir les articles Ordres de grandeur, premiers pas, Quelle énergie ? et Manipulation.

Ceci étant irréfutable, nous allons maintenant nous focaliser sur la mobilité électrique qui concerne un domaine majeur de notre industrie et sur laquelle il y a énormément de désinformations. Comme cette mobilité touche notre activité professionnelle comme non-professionnelle, il est crucial que vous ayez de solides connaissances à ce sujet car inévitablement à un moment ou un autre, vous allez avoir votre mot à dire dans le cadre d’une acquisition prochaine.

La démarche que je vais développer dans cet article consiste à reprendre une analyse appelée « Sun-to-Wheels », dont voici un exemple bio-ethanol versus photovoltaics qui consiste lorsque l’on analyse l’opportunité d’une énergie, de partir de la source durable la plus disponible sur terre, le rayonnement solaire, et d’aller jusqu’au lieu d’usage de cette énergie, en l’occurrence les « roues » dans notre cas. A noter que les valeurs indiquées dans l’exemple bio-ethanol versus photovoltaics concernant les rendements ne sont pas correctes, trop pessimistes au vu des valeurs réelles constatées pour les 2 technologies, mais le grand gagnant de ce duel est bien la solution photovoltaïque (mais pas avec un facteur de 180 au profit du photovoltaïque, qui signifierai qu’un hectare de modules photovoltaïques fait autant que 180 hectares en bio-éthanol).

Reprenons le raisonnement et allons plus loin  en comparant une solution photovoltaïque, avec une solution biométhane (plus pertinente que le bio-éhanol d’un facteur de 2, un hectare peut produire 2000 litres d’équivalent diesel en bio-éthanol contre 4000 litres d’équivalent diesel en bio-méthane), et une solution hydrogène :

  • solution photovoltaïque : cette solution consiste à mettre en place des modules photovoltaïques (au sol) pour produire de l’électricité, puis stocker cette électricité dans des batteries lithium, puis utiliser l’électricité avec un moteur électrique. La stratégie d’installations au sol est prise en compte ici pour être comparable à la stratégie biomasse (biométhane ou bioéthanol) mais les modules peuvent être placés sur d’autres supports (mur, toiture, etc…). Le rendement moyen d’une installation photovoltaïque (modules + perte de transport dans les câbles + conversion courant continu en courant alternatif) est de 18%. La perte de transport via le réseau électrique est estimée en moyenne à 5%, jusqu’au lieu d’usage. Le rendement de stockage avec des batteries lithium est de l’ordre de 98%, et le rendement du moteur électrique proche de 80%. Le total donne un rendement à la sortie du moteur électrique de 13.40% (0.18 x 0.95 x 0.98 x 0.8).
  • solution biométhane : cette solution consiste à produire sur de la terre agricole des plantes énergétiques (maïs et interculture) tout au long de l’année, puis d’en générer du gaz par méthanisation que l’on appelle biogaz (composé à env. 55% de méthane), puis à éliminer le CO2 du biogaz pour concentrer le méthane à 97% pour en faire un biométhane, puis de stocker celui-ci à 200 bars,  et l’utiliser dans la voiture via un moteur à combustion. Le rendement moyen de biogaz (maïs C4 irrigué + interculture) est de 1.04% (sans  compter la consommation des engrais minéraux, la consommation des tracteurs, insecticides éventuels). A la fin du process les cultures sont devenues du biogaz. Puis on « lave » le biogaz pour en faire du biométhane. Le processus de lavage a un rendement de 96% max. Puis on comprime le biométhane à 200 bars pour le stocker dans le véhicule (on suppose ici que le rendement de stockage est de 99%). Enfin on utilise ce biométhane dans un moteur à gaz d’un rendement de 40%. Le total donne un rendement à la sortie du moteur à biométhane de 0.395% (0.0104 x 0.96 x 0.99 x 0.4). C’est extrêmement bas, ce n’est pas une erreur et c’est le maximum. Une politique énergétique basé sur le bio-éthanol est 2 fois moins pertinente. En biométhane issu de cultures énergétiques, il faut 33.92 hectares cultivés pour faire aussi bien qu’un hectare de modules photovoltaïque.
  • A noter que si le biogaz ne vient pas de cultures, mais de déchets disponibles transportés sur un site de transformation, et en prenant en compte un coût énergétique de transport de 20% (rendement de transport = 80%) le rendement à la sortie du moteur à biométhane devient 30.4% (0.80 x 0.96 x 0.99 x 0.4). Ne pas valoriser localement des déchets qui peuvent se méthaniser énergétiquement pour générer de l’électricité ou une force mécanique est une erreur au vu des enjeux climatiques, mais il n’est pas possible de fonder une approche énergétique d’envergure en imaginant devoir produire des millions de tonnes de déchets « méthanisables » pour pouvoir se déplacer… d’où la nécessité de partir du rayonnement solaire dans toute approche globale. Par contre il ne faut pas négliger cette piste de valorisation de nos déchets tant qu’elle ne repose pas sur une part de cultures. Il faudrait même l’exiger auprès de nos élus, en parallèle de la mise en place d’une flotte de véhicules de transport fonctionnant aux énergies renouvelables.
  • solution hydrogène: cette solution consiste à hydrolyser de l’eau avec une électricité renouvelable pour produire de l’hydrogène, puis à transporter cet hydrogène, à le compresser à 200 bars voir plus, à utiliser une pile à combustible pour transformer cet hydrogène en électricité, et enfin utiliser cette électricité dans un moteur électrique. Le rendement photovoltaïque solaire est de 18%. Le rendement de l’hydrolyse est au maximum de 90%, le rendement de la pile à combustible de 65%, le rendement du moteur électrique de 80%. Le total donne un rendement à la sortie du moteur électrique de 8.42% (0.18 x 0.9 x 0.65 x 0.8). Il faut 1.59 fois plus de surface de modules photovoltaïques pour produire de l’hydrogène dans la chaîne de transformation, que nécessaire. C’est également vrai pour toute autre énergie renouvelable en « début de cycle », éolien, hydroélectricité, etc…

Ainsi pour la mobilité, sans ambiguïté la solution photovoltaïque-électrique est de loin la plus pertinente, et il ne faut surtout pas hésiter à réaliser cet achat. Si le besoin énergétique n’est pas un besoin de mobilité, comme une consommation sur site fixe, le raisonnement est rigoureusement le même, tout en remplaçant la solution de stockage au lithium par un volant inertiel (rendement de 80%). Ainsi le rendement pour usage fixe est de 10.94% (0.18 x 0.95 x 0.80 x 0.8).

Devant la suprématie énergétique de cette solution, la réponse des énergéticiens gaz, pétrole &Co. a consisté à attaquer le mode de stockage actuel : les batteries lithium.

L’attaque consiste à mettre l’accent sur la toxicité du lithium, sa dépendance à l’extraction minière, et l’incapacité de recyclage des batteries en question.

Concernant la toxicité, la contre-argumentation est assez surprenante, car elle suppose que dans les voitures actuelles à énergie fossile celle-ci ne serait pas sujette à cette problématique d’extraction ou d’utilisation de composants potentiellement toxiques. C’est oublier un peu vite la toxicité du plomb, présent dans les batteries, les matières plastiques, les lubrifiants utilisés qui étrangement n’a pas soulevée de communication auprès des usagers. Si cela vous intéresse, il est possible d’avoir une information fiable sur le site de l’inrs (fiches toxicologiques) qui montre qu’il n’y a rien de nouveau dans l’utilisation de produits potentiellement toxiques dans divers équipements, peintures, solvants, matériel électronique, etc…  et ce type de contre-argumentation ne tient que si l’on est désinformé de l’état actuel des composants utilisés dans l’industrie d’une manière générale. La toxicité du lithium n’est pas un argument valable pour exclure son utilisation dans les voitures électriques, d’autant que nous l’utilisons par ailleurs dans de nombreuses autres applications. A noter que le lithium représente 1% des composants d’une batterie.

Concernant la dépendance à l’extraction minière, la posture est surprenante car l’extraction minière concerne tous les métaux rares et précieux (dont la joaillerie est très friande), l’ensemble des minéraux, la pierre, le sable… La aussi il semble que seule la décontextualisation de l’information peut permettre de la trouver pertinente pour exclure un achat de voiture électrique au nom de cet argument.

Enfin concernant l’incapacité de recyclage, cette information est totalement fausse :

  1. Tout d’abord il faut savoir que la pertinence d’un recyclage dépend de la capacité à collecter le produit à recycler. Il est effectivement extrêmement difficile de recycler les 40 milliards de piles fabriquées et commercialisées par an dans le monde, car la collecte dépend de la conscience civique des citoyens des divers pays, mais concernant des batteries liées à une voiture et pesant  plusieurs dizaines de kilos ce n’est pas du tout le cas.
  2. De plus concernant les batteries dans les voitures électriques, celles-ci sont démontées bien qu’elles aient encore 80% de capacité de charge pour être utilisées pour d’autres usages moins exigeants, comme le stockage sur site. Elles sont alors utilisées pour la même fonction que les volants à inertie, le stockage et le lissage de la production afin de répondre au mieux à la consommation électrique elle-même intermittente.
  3. Enfin le recyclage des batteries de voiture au lithium est opérationnelle depuis 2010, et des sidérurgistes comme Umicore recycle 100% des batteries en divers composants : récupération des éléments électriques pour réutilisation, extraction par fonderie de l’oxyde de cobalt lithium (CDO) pour réutilisation, extraction d’un résidu contenant du lithium pour la fabrication du ciment.

Et voilà, vous êtes maintenant bien armés pour être un électromobiliste 😉

N’oubliez pas l’objectif, cette courbe DOIT s’infléchir :

courbe-4-scenarios-1.png

Complément sur la consommation énergétique de fabrication d’une voiture électrique :

Pour certains, la voiture électrique n’est pas pertinente car sa fabrication nécessite plus d’énergie qu’une voiture thermique, mais pour juger de la pertinence énergétique d’un objet qui en substitue un autre, il faut prendre en compte également l’énergie d’usage de cet objet.

Comme vous le savez maintenant le rendement énergétique d’usage des voitures électriques est au minimum 2 fois supérieur au  rendement d’usage des voitures fossiles ce qui signifie que lorsque l’on réalise un bilan année après année, il y a nécessairement un croisement des courbes prenant en compte l’énergie cumulée de l’énergie de fabrication et de l’énergie d’usage des véhicules. La question devient: est ce que le croisement se fait dans les 5 premières années , dans le 10 premières années, avant la fin de la durée de vie des véhicules étudiés ?

Pour vous donnez un ordre de grandeur qui a un sens, je vais prendre comme exemple un véhicule qui consomme 6 litres au 100 km parcourus, c’est à dire qu’en moyenne avec 600 kWh d’énergie fossile (essence ou gasoil) il parcourt 100 km, et que ce véhicule réalise 15000 km par an. Avec ces hypothèses la différence d’usage entre  les 2 véhicules en terme de consommation énergétique est de  (15000/100 x 50% x 600) 45 000 kWh par an. Sur 5 ans, la différence est de 225 000 kWh. Que représente cette énergie en terme de fabrication ?

  • au niveau de la fabrication des batteries, il a été estimé que 1 kWh d’autonomie avec des batteries lithium nécessitait 162 kWh d’énergie. C’est à dire qu’avec 225 000 kWh vous pouvez justifier la fabrication de 1388 kWh de batterie. La Tesla S a une batterie de 100 kWh…impact fabrication batterie. La fabrication d’une batterie de 100 kWh consomme tout au plus 20 000 kWh soit 8.88% de l’énergie économisée lors de l’usage du véhicule sur 5 ans. Le retour énergétique de la consommation énergétique de fabrication se fait en 160 jours d’utilisation du véhicule.
  • au niveau du poids, si l’on prend comme exemple la IONIQ, le modèle électrique a une masse en service de 1495 kg, proche du modèle hybride de 1445 kg. La masse d’un véhicule non hybride est généralement 15% moindre que le même modèle hybride donc la masse du véhicule « fossile » correspondant à la IONIQ électrique peut être estimée à 1220 kg. Le delta est de 275 kg et si on ramène cette masse à la différence énergétique disponible sur 5 ans, nous avons 745 kWh/kg (205000/275) fabriqué en plus pour le modèle électrique. Avec une densité de 8, le cuivre consomme 175 kWh/kg et l’aluminium le métal le plus énergivore consomme avec une densité de 2.7 703 kWh/kg, cf.  Energie grise de quelques matériaux. Autant dire que ce surpoids en fabrication est compensé nécessairement en moins de 5 ans.

Ainsi même si cette approche peut paraitre très succincte, on constate qu’en à peine 5 ans, le retour énergétique sera réalisé et cela d’autant plus vite que le véhicule roule beaucoup. Entre 3 et 5 ans au maximum, cela ne semble pas un bon argument pour prétendre que cette solution de mobilité est une erreur d’autant que les SUV compact consomment plutôt 8l/100km.

Amicalement,

E.D.F.

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