L’interdiction du véhicule thermique en 2040, une bien mauvaise loi (2)

ELIICA by Nullumayulife (CC BY 2.0) — Nullumayulife , CC-BY

Le constat est sans appel : les technologies alternatives doivent faire de gros progrès pour se substituer convenablement au véhicule thermique.

Par Vincent Bénard.

Cet article est la deuxième partie d’une analyse de l’interdiction du véhicule thermique initialement publiée sur le site European Scientist. Retrouvez la première partie ici.

Améliorations « incrémentales » ou innovations de rupture ?

La question qui se pose est : « peut-on faire progresser les technologies des batteries pour combler ses handicaps actuels, et si possible d’ici l’échéance de 2040 fixée par le législateur ? »

La réponse est « probablement non ». Cela ne veut pas dire que c’est impossible, mais en 2040, cela paraît improbable. Cela ne sera possible que si une rupture technologique se produit. Mais par nature, les ruptures technologiques sont imprévisibles.

Ainsi, l’invention du moteur à explosion à la fin du XIXe siècle constitue indubitablement une rupture technologique. Mais elle était difficilement prévisible avant 1870, époque à laquelle les politiciens se demandaient comment gérer le volume de déjections chevalines en hausse exponentielle dans nos villes. Et son adoption ne s’est pas faite en un jour : entre son invention (brevetée par Otto en 1876) et son utilisation, d’abord en machinerie agricole, puis en automobile, plus de 15 ans seront nécessaires. Mais les conséquences de cette invention furent à long terme incalculables, et ont abouti à une forme de développement sociétal qu’aucun politicien n’était en mesure de prédire.

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

Quel rythme d’amélioration pour les batteries Li/ion ?

Contrairement à ce qu’on croit, la batterie n’est plus une industrie jeune, elle a 200 ans, les premiers prototypes de batteries lithium/ion ont été testés dans les années 70, et moins d’une dizaine de familles 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 » (source) permettant de rêver à un accroissement des performances aussi rapide que celui des microprocesseurs par simple évolution incrémentale de la technologie.

Avant l’apparition des batteries Li/Ion, l’amélioration de la densité énergétique des batteries d’ancienne génération plafonnait à 3 % an.

Depuis que le Li-Ion est passé au stade industriel en 1990, le gain de capacité moyen a été de l’ordre de 5 % par an, soit une multiplication par 3,5 en 25 ans, avec un ralentissement de l’amélioration depuis 2010 (cf. graphe ci-dessous, source).

batteries

5 % annuels équivalent à un doublement des capacités tous les 14 ans. C’est bien, mais en supposant que l’on puisse continuer au même rythme, cela amènerait nos batteries autour de 1,6 MJ/kg en 2040. Cela reste toujours 28 fois moins dense qu’un carburant fossile. Un tel progrès serait honorable, mais pas suffisant pour gommer tous les handicaps du VE.

Évolution des coûts de la technologie Li/ion

Il est difficile de prédire l’évolution des coûts des batteries, mais selon divers analystes agrégés par Bloomberg (source), un coût d’objectif de l’ordre de 62 dollars (55 euros) par kwh d’ici 2030 constitue une projection réaliste, soit en gros 4 fois moins qu’aujourd’hui. Une batterie de 80 Kwh (le double de l’actuelle Zoe), procurant une autonomie « suffisante » (toute question de temps de recharge mise à part) pourrait donc s’établir aux alentours de 4400 euros HT, plus ou moins la moitié du prix actuel. La situation serait donc meilleure qu’aujourd’hui mais très loin d’être compétitive face aux moteurs thermiques, si ceux-ci étaient autorisés à continuer leurs progrès, comme nous le verrons plus loin.

Développements nouveaux : loin de la maturité

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 technologie existante ou en phase de recherche initiale de laboratoire ne paraît réalistement en mesure de supplanter les avantages des carburants fossiles d’ici 20 ans. Fred Schachter, du Lawrence Berkeley laboratory, explique (lien) que l’optimisme qui prévalait dans le secteur au début du siècle a disparu au début de la présente décennie, lorsque de nombreuses filières de recherche se sont révélées moins prometteuses qu’initialement prévu.

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 encore loin de savoir comment rapprocher la densité réelle de ces batteries de leur maximum théorique.

Remplacer le lithium, ou d’autres matériaux actuellement utilisés tels que le cobalt, 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, à base par exemple de Zinc, de silicium, ou encore d’électrolytes dits solides à base de gels polymères, ou de super-capaciteurs. Là encore, la densité théorique pourrait avoisiner les 5 MJ/kg, mais en pratique, les premières déclinaisons, si elles voient le jour, se situeront plutôt autour de 1MJ/kg, soit en gros le double des actuelles Li/ion.

Et personne ne sait à ce jour comment passer du modèle théorique au modèle physique, et a fortiori industriel, pour aucune de ces « super technologies ».

À la recherche de la batterie idéale

Mais au fait, quel serait le cahier des charges d’une batterie idéale ? La densité énergétique indispensable pour que la batterie soit compacte et légère n’est pas le seul critère important.

  • Il faudrait aussi qu’elle puisse se recharger vite sans perdre en performances, 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 ou de chocs rencontré dans une voiture, qu’un accident ne risque pas de provoquer de pollution toxique.
  • Que son processus de fabrication soit « écologiquement 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 ou très difficiles à usiner.

Eh bien à ce jour, aucune technologie de batterie ni existante, ni en laboratoire, ne répond à toutes ces qualités.

En fait, une batterie peut avoir certaines des qualités ci-dessus mais pas toutes. Par exemple (cf. diagramme ci-dessous), 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 concept de batterie se rapproche d’un compromis opérationnellement utilisable, et plus elle 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). On est donc encore très loin d’imaginer quelle génération industrialisable succèdera à l’actuelle génération Lithium/ion.

Le rêve médiatique de la batterie miracle

Gardons à l’esprit qu’entre leur premier test en laboratoire (vers 1975, en Angleterre) et leur commercialisation initiale (1990 par Sony), les batteries Lithium Ion ont demandé 15 années de recherche et développement à différents stades. Pour espérer qu’une technologie miracle soit industrialisable vers 2040, il faudrait qu’elle apparaisse tout prochainement en laboratoire. Sachant qu’il peut s’écouler plusieurs années entre de telles avancées et leur passage sous le radar des médias, il est impossible d’affirmer qu’aucune découverte de ce type n’est en cours. Mais rien pour l’instant ne laisse supposer le contraire !

Régulièrement, sur internet, on annonce que des chercheurs ont trouvé un matériau miracle permettant de créer des batteries révolutionnaires. Mais comme l’a dit le professeur Jud Virden, directeur d’un laboratoire en pointe dans le recherche sur les batteries, lors d’un témoignage devant le congrès US en mai 2015 (lien),

« On lit régulièrement des communiqués de presse à propos de nouveaux matériaux permettant de créer des anodes 5 fois meilleures que ce qui existe, et qui le sont effectivement, mais dès que vous associez ce matériau à un électrolyte et une cathode, que vous assemblez le tout et essayez de le réaliser à une plus grande échelle, plein de choses ne fonctionnent pas. Les matériaux se dégradent, la chimie n’est pas maîtrisée, il y a des réactions collatérales, et toute ceci aboutit à des performances ou à une sécurité dégradée. Et en tant que scientifiques en recherche fondamentale, nous n’en comprenons pas (encore) les mécanismes… Et nous sous-estimons le défi que représente la montée en échelle… Souvent une expérience de laboratoire fonctionne superbement, et lorsque vous voulez la démultiplier par milliers, ça ne fonctionne plus. »

Bref, attention aux effets de surmédiatisation de découvertes de laboratoire ! Du laboratoire à l’industrialisation, la route est semée d’embûches.

Déverser plus d’argent sur la filière batteries ne provoquera pas de miracle

Actuellement, les géants de la cellule de batterie, à savoir Samsung, Panasonic et LG, investissent surtout dans l’amélioration incrémentale de leurs batteries existantes Li/ion plutôt que dans des nouvelles filières. Même Tesla, qui assemble des cellules produites par les 3 précités, mais ne développe pas lui-même de cellule, poursuit cette voie conservatrice. Pourquoi ? Parce qu’aucune « filière gagnante » promettant de dépasser l’ère du Li/ion n’a émergé, et que parier sur 15 ans de R&D sans garantie de succès leur paraît moins prometteur que d’améliorer ce qui existe déjà… D’autant plus que l’existant est lourdement subventionné !

Une étude de 2016 sur plus de 4 milliards investis dans des startups nord-américaines du secteur (source) a montré qu’en moyenne, celles-ci avaient disposé de 40 millions sur 8 ans, alors que Tesla est prêt à mettre 5 milliards sur la table dans sa gigafactory de batteries conventionnelles. À l’évidence, ces sommes ne sont pas suffisantes pour passer de l’étape « matériau d’anode prometteur » à celle du « prototype de batterie candidat à l’industrialisation ». Et apparemment, pas une de ces filières alternatives n’a su à ce jour convaincre un plus gros acteur du secteur de s’associer à leur aventure.

Les fausses bonnes idées : le chargement par remplacement du pack de batteries

Pour l’utilisateur de VE, la moindre autonomie ne serait pas un gros problème si la recharge pouvait être rapide, d’où l’idée un temps imaginée par certains constructeurs, de disposer de packs de batteries préchargées en station-service, qui seraient changées à la demande et rechargées « au calme » par le fournisseur.

Malheureusement, cette idée séduisante sur le papier se heurte rapidement à des considérations pratiques et logistiques complexes, et donc à des questions de coût prohibitif.

Tout d’abord, il faudrait que les packs de batteries soient relativement standardisés, ainsi que leur emplacement sur le véhicule (ou en remorque), afin que la station service n’ait pas un trop grand nombre de références à stocker. Malgré tout, elles devront bénéficier de volumes de stockage importants. Par ailleurs, l’efficacité économique de ces stations suppose qu’elles puissent faire tourner leur stock de batteries très rapidement. Cela suppose donc de pouvoir recharger à très haut débit à toute heure de la journée, y compris aux heures où l’électricité sera la plus chère.

Mais qui dit recharge rapide et fréquente des batteries dit aussi dégradation plus rapide de leurs performances. Aussi l’automobiliste ne saurait pas s’il reçoit un pack neuf avec sa pleine capacité de charge, ou un pack usagé lui prodiguant une moindre autonomie réelle. Enfin, lors des jours de grands départs en vacances, le système serait certainement soit saturé, soit sous-approvisionné. Bref, il y a encore beaucoup d’inconnues sur la faisabilité réelle de ce modèle, tant technique qu’économique.

En 2012, D. Hillebrand, directeur du département énergie d’un grand laboratoire national US, affirmait (source) qu’en l’état, les batteries étaient 20 fois trop chères pour qu’un business d’échanges de batteries soit viable. Depuis, le prix des batteries a été divisé par à peu près 3, et une nouvelle division par 4 est attendue d’ici 2030. Elles seraient donc dans dix ans encore près de 2 fois plus chères qu’il ne le faudrait pour permettre des business models rentables sans subventions. L’affirmation de M. Hillebrand a été confortée en 2013 par l’échec massif de ce modèle expérimenté par Renault sur le marché israélien.

L’hydrogène : pas le miracle attendu

Et l’hydrogène ? En théorie, sa densité énergétique au poids est 3 fois supérieure à celle du fuel (source). Alors, est-ce l’énergie idéale ? Non ! 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 bars, 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 en énergie. 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, à commencer par leur coût actuellement prohibitif. Le potentiel de l’hydrogène ne doit pas être minimisé, mais y déceler la filière dominante en 2040 est prématuré.

Le constat est sans appel : les technologies alternatives doivent faire de gros progrès pour se substituer convenablement au véhicule thermique. Les parlementaires estiment pouvoir accélérer ces améliorations en décrétant l’interdiction du moteur thermique en 2040. Est-ce la bonne façon de procéder ? Cela fera l’objet de la troisième et dernière partie de cet article.

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