Allons enfants de la batterie !
Les premiers véhicules électriques ont été brevetés il y a près de cent cinquante ans ! Aujourd’hui encore, leur point fort demeure le moteur mais la batterie reste leur principale faiblesse. Sa fabrication nécessite de telles quantités de métaux stratégiques qu’elle représente aussi une aberration écologique. C’est pourtant ce modèle que nous imposent nos dirigeants...
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Les premiers véhicules électriques ont été brevetés il y a près de cent cinquante ans ! Aujourd’hui encore, leur point fort demeure le moteur mais la batterie reste leur principale faiblesse. Sa fabrication nécessite de telles quantités de métaux stratégiques qu’elle représente aussi une aberration écologique. C’est pourtant ce modèle que nous imposent nos dirigeants.
Les batteries passent souvent pour le composant essentiel de la voiture électrique. Mais c’est bien son moteur qui lui donne son identité et ses performances. Il suffit de se trouver à côté d’une voiture électrique à un feu rouge pour ressentir la différence en termes d’accélération lors du démarrage.
Cette différence tient au couple de la voiture électrique qui a la propriété d’atteindre son maximum quasi immédiatement. Le couple mesure la capacité d’accélération. Un moteur thermique atteint son couple maximum aux alentours de 1 500 à 2 000 tours par minute pour un diesel et plutôt autour de 3 000 tours pour une essence, tandis qu’un moteur électrique en dispose dès les premiers tours.
Simplicité contre complexité
La différence est liée au fonctionnement des deux types de moteurs. Un moteur thermique automobile, c’est-à-dire un moteur à explosion, a, par construction, besoin d’un certain délai pour délivrer sa pleine puissance. Il s’agit même d’une véritable usine à gaz. Au sens propre et figuré. Qu’il soit à essence ou diesel, le moteur doit passer par quatre temps (admission, compression, combustion-détente, échappement) qui actionnent les pistons et les bielles, et font tourner le vilebrequin, lequel, via un arbre de transmission et une boîte de vitesse, entraîne les roues… Véritables exploits mécaniques, les moteurs à explosion transforment l’énergie provenant de l’explosion du mélange air-carburant en mouvement de rotation des roues.
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En comparaison, le moteur électrique se révèle d’une simplicité extrême. L’interaction entre un courant électrique et un champ magnétique engendre une force mécanique. Il suffit de deux composants principaux, le stator et le rotor, alimentés par du courant pour obtenir le moteur. La découverte de ce phénomène ne date pas d’hier. Dès 1821, le physicien anglais Michael Faraday obtient une rotation électromagnétique. Dans les années 1830, plusieurs brevets de moteurs électriques sont déposés et, en 1886, c’est Nikola Tesla qui brevette une première « machine électrique-dynamo ». Les brevets concernant les moteurs à explosion datent de la même époque – 1862 : cycle à quatre temps de Beau de Rochas développé par Nikolaus Otto en 1867 et Gottlieb Daimler en 1887.
La suprématie du moteur à explosion n’est donc pas liée à son antériorité ni à ses performances. Le rendement énergétique d’un moteur thermique est très inférieur. Il varie de 36 % pour un moteur à essence à 42 % pour un diesel. Ces chiffres, théoriques, sont liés à la transformation de l’énergie thermique en énergie mécanique. Une partie importante de l’énergie fournie par le carburant est perdue sous forme de chaleur.
La faiblesse des batteries
Côté moteur électrique, le rendement théorique atteint les 90 %. Dans la pratique, en tenant compte des pertes liées à la recharge des batteries, il se situe entre 55 et 60 %, grâce à l’absence de chaleur dans le cycle de production de l’énergie motrice.
Alors pourquoi l’usine à gaz a-t-elle si longtemps supplanté l’électricité ? Pourquoi des générations d’ingénieurs se sont-elles évertuées à perfectionner un moteur moins efficace ? La réponse est fort simple. Si un tiers des voitures circulant en 1900 étaient électriques, l’industrialisation de la Ford T, en 1908, a changé la donne. Dans le même temps, les multiples découvertes de gisements de pétrole ont permis au moteur thermique de s’imposer. Les voitures électriques, elles, n’ont pas réussi à éliminer leur talon d’Achille : les batteries. Leur fabrication très polluante nécessite des quantités considérables de métaux stratégiques et d’énergie. Bien entendu, les batteries vont continuer à faire des progrès, mais il est peu probable qu’elles puissent offrir rapidement une autonomie de 1 000 km pour un temps de recharge de cinq minutes en dépit des promesses et des annonces fracassantes entendues toutes les semaines…. depuis dix ans.
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Pour donner un ordre d’idées, pour fabriquer une batterie lithium-ion de 400 kg d’une technologie classique pour un véhicule électrique tout aussi classique, il faut 15 kg de lithium, 30 kg de cobalt, 60 kg de nickel, 90 kg de graphite et 40 kg de cuivre. Plus parlant encore, pour obtenir les 15 kg de lithium nécessaires, il faut traiter dix tonnes de saumure de lithium. Pour obtenir les 30 kg de cobalt, ce sont 30 tonnes de minerai. Pour les 60 kg de nickel, on en est à cinq tonnes de minerai. Il faut six tonnes pour les 40 kg de cuivre et une tonne pour les 90 kg de graphite.
L’hydrogène peut changer la donne… un jour
Cependant, il est possible de s’affranchir de ces limites et d’avoir le meilleur des deux mondes, le moteur électrique tout en se passant des batteries. À l’époque des premiers brevets sur les moteurs électriques, en 1839, le chimiste allemand Christian Schönbein découvre l’effet pile à combustible. Le principe repose sur une double réaction chimique : l’oxydation sur une électrode d’un combustible réducteur et la réduction d’un oxydant sur l’autre électrode. Le résultat est une production d’électricité. Pour l’obtenir, il suffit de deux combustibles : l’hydrogène (H2) et l’oxygène (O2). Le premier doit être produit à partir, par exemple, de la molécule d’eau (H2O) et le second est contenu dans l’air.
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Concrètement, il suffit d’installer un réservoir d’hydrogène sous pression dans une voiture et une pile à combustible pour obtenir une voiture électrique qui se passe presque de batteries. Elle produit sa propre électricité. Pour l’alimenter, on se contente de remplir le réservoir d’hydrogène dans une station-service équipée. L’opération ne dure que quelques minutes comme pour le remplissage d’un réservoir d’essence.
D’où la question : pour quelles raisons le couple moteur électrique – pile à combustible n’apparaît-il pas, aujourd’hui, comme la solution idéale pour la transition énergétique dans le transport routier ? Pour deux raisons. Parce que fabriquer de l’hydrogène décarboné demande beaucoup d’électricité elle-même décarbonée. Et depuis des décennies, les gouvernements ont sous-investi dans les capacités de production électrique. Ensuite, parce que sous la pression des mêmes gouvernements et des institutions européennes, les constructeurs automobiles ont investi des dizaines et des dizaines de milliards d’euros dans le véhicule électrique à batteries… Le rôle des politiques est bien de fixer des objectifs à atteindre par les industriels et les ingénieurs. Mais il n’est certainement pas de leur dicter les technologies à utiliser.
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