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Quelques clés pour comprendre notre avenir efficient sans pétrole ni pollution

Cet article va présenter un exercice amusant : une comparaison point par point entre l'électricité et les hydrocarbures pétroliers en tant que carburant automobile. Il sera divisé en 2 parties, d'abord le stockage, ensuite l'exploitation.

Ci-dessus, un jeu de 4 batteries Optima Yellow sur un low-rider et 3 des meilleures voitures électriques jamais réalisées : la Ford e-Ka, la GM EV1, et la Toyota e.com.

Le stockage

Le stockage de l'électricité diffère totalement du stockage d'un hydrocarbure car il n'est pas gratuit : il sous-entend un rendement. Si on met 50 litres d'essence dans un réservoir, puis qu'on vide le contenu de ce réservoir dans un autre, on retrouve les 50 litres d'essence. Il n'en va pas de même avec l'électricité comme nous en avons fait l'expérience (c'est facile). Armé d'un wattmètre, nous avons mesuré la quantité d'électricité nécessaire à charger une batterie qui était complètement déchargée, et une fois qu'elle fut chargée à bloc, nous avons mesuré la quantité d'électricité qui en sortait pendant que nous la déchargions. Nous avons fait l'expérience avec une batterie plomb-acide de camping-car (prévu pour accepter les décharges profondes), et un pack de batteries NiMH. Pour la première, nous avons constaté un rendement de 68 %, pour le second : 76 %. Même si les conditions dans lesquelles nous avons réalisé ces tests n'étaient pas de la plus grande rigueur scientifique, le fait est incontestable : 24 et 32 % de l'électricité stockée ont été consommés par la batterie lors de sa charge/décharge. Et il y a ensuite le phénomène de la décharge lente.

Concept de scooter électrique Yamaha Dolsa.

Si un automobiliste laisse sa voiture à essence sans s'en servir pendant un mois, il trouvera à son retour la même quantité de carburant dans le réservoir (encore que cette essence se sera altérée, mais dans des proportions infimes). Une batterie par contre, perd continuellement de son électricité, et se décharge, se vide, d'elle même, automatiquement, immanquablement. Mais ce défaut n'en est pas vraiment pas un, puisque dans le cadre d'une utilisation normale, on ne laisse pas son auto sans s'en servir pendant une longue période. Et pour un arrêt de 24/48 heures, les pertes sont négligeables.

Plus embêtant, une batterie s'use quand on s'en sert. On peut faire mille fois le plein d'un réservoir d'essence sans constater la moindre usure, alors qu'une batterie ne peut tolérer qu'un nombre de cycles (charge/décharge) limité. Et ce nombre de cycles varie, en fonction de la profondeur de la décharge effectuée. C'est comme si le réservoir d'essence d'une auto s'usait plus si on le remplissait après être arrivé à la panne sèche, au lieu d'avoir fait 2 demi-pleins.

Autre particularité des batteries, c'est qu'elles obligent à réviser nos habitudes dans les caractéristiques des automobiles. On raisonne couramment avec les valeurs de poids à vide, et de poids en ordre de marche, or les deux sont identiques dans une voiture électrique.

Ces quelques considérations qualitatives faites, on peut maintenant passer aux caractéristiques quantitatives de batteries, et notamment leur capacité, un sujet épineux.
On apprend aux enfants que la quantité d'énergie contenue dans une batterie (en watt/heure) est le produit de sa tension par son nombre d'ampères/heure (qui est écrit dessus). C'est la théorie, mais la pratique est bien différente ! Une batterie 12 V de 50 Ah contiendrait ainsi 600 Wh. C'est vrai. Mais on peut faire des tests qui montreront qu'elle n'en contient que 550. Ou 500. Cela parce que la capacité mesurée d'une batterie varie en fonction de l'ampérage du courant qu'elle prodigue. Rapporté à l'essence, cela voudrait dire que la quantité d'essence contenue dans un réservoir varie en fonction du débit aspiré par la pompe à essence qui alimente le moteur !

D'une manière générale, ce n'est d'ailleurs pas une bonne chose que de parler d'une batterie en indiquant l'énergie qu'elle contient, soit un chiffre en kWh (même si ce site le fait souvent, comme tellement de gens, car c'est plus simple). Les professionnels parlent plutôt des capacités nominales rapportées à un certain nombre d'heures. Les valeurs s'appellent alors C/5, ou C/20, et elles désignent l'ampérage du courant que la batterie est capable de fournir pendant un nombre d'heures donné, en précisant la tension, car plus on demande un ampérage fort, plus la tension diminue (la tension de 12 V d'une batterie est nominale).

La batterie plomb-acide d'un scooter électrique EVT-4000 a ainsi les propriétés suivantes :
(Chiffres fournis par le fabricant)

Capacité/heureCourant demandé
(ampères)
Tension mesurée
(volts)
Capacité nominale
(ampère/heure)
Energie
(Watt/heure)
C/58,510,0042,5425
C/202,510,5050525


La même batterie (ci-contre) contient donc une énergie de 425 Wh si elle fournit un courant de 8,5 A à la tension de 10 V pendant 5 heures, ou une énergie de 525 Wh si elle fournit un courant de 2,5 A à la tension de 10,5 V pendant 20 heures. Comme un moteur thermique, qui a une courbe de puissance, et une courbe de couple, une batterie possède une courbe d'exploitation, et on peut même parler de plage d'utilisation. Si on demande à une batterie un courant en dehors de cette plage, trop fort ou trop faible ampérage, le rendement ne sera pas bon.

Le scooter EVT-4000 possède 4 de ces batteries, qu'il exploite au mieux grâce à un contrôleur, car n'oublions pas que plus on décharge une batterie, plus la tension du courant qu'elle fournit diminue. Rapporté à l'essence, cela équivaudrait à ce que l'indice d'octane de l'essence diminue à mesure que le réservoir se vide ! C'est pour cela que les ingénieurs ajoutent maintenant des contrôleurs aux batteries des autos électriques ou hybrides (en plus du contrôleur qui gouverne le moteur), pour contrôler et réguler la tension du courant, et optimiser la décharge de la batterie. Ce qui rapporté à la voiture à essence, équivaudrait à disposer d'un système embarqué de régulation automatique de l'indice d'octane de l'essence !

Les contrôleurs de batteries sont aussi nécessaires, car si une voiture à essence ne possède qu'un et un seul réservoir, toutes les voitures électriques ou hybrides possèdent en fait une multitude de petits réservoirs montés en série. La batterie d'une Honda Insight est ainsi constituée de 120 éléments NiMH de 1,2 V (la tension prodiguée par toute batterie NiMH), pour former un ensemble de 144 V. C'est beaucoup ? Non, ce n'est pas beaucoup, puisque sur une Venturi Fetish, il y en a plus de 6000, reliés d'abord en série pour atteindre la tension voulue, puis en parallèle pour augmenter la capacité disponible. Il faut donc un contrôleur, un système de gestion, pour surveiller que tous ces éléments travaillent bien de concert, qu'il n'y en ai pas un qui chauffe, ou qui se charge/décharge de manière erratique. Et quelqu'un imagine une voiture à essence dont le réservoir de 50 litres se diviserait en 500 petits réservoirs de 10 centilitres ?

Signalons enfin un chiffre étonnant qu'on relève sur les batteries aux Etats-Unis. Ces batteries affichent en effet des capacités de 500, 600 ou même 800 Ah, ces valeurs ne sont évidemment pas calculées de la même manière qu'en France. Ces chiffres indiquent la puissance au démarrage de la batterie. La batterie est capable de fournir un courant de 600 ou 800 ampères, pendant 15 secondes, à -18°. En France, on parle plutôt de la puissance crête d'une batterie, on l'exprime en kW, en précisant le nombre de secondes pendant laquelle est disponible, et avec quelle profondeur de décharge.

A côté des batteries, une autre technologie existe, celle employée par les supercondensateurs. Cette technologie de stockage d'électricité n'est pas nouvelle, mais elle est pour le moment trop rare, et trop chère pour qu'on puisse l'aborder ici comparativement aux batteries : les supercondensateurs de la Honda FCX valent plus de 50 000 €...

L'exploitation

Se fait dans un moteur électrique, et on ne peut en dire que du bien. C'est le meilleur moteur qui soit. Un moteur thermique produit des émissions toxiques, des émissions de gazs à effet de serre (sauf s'il est alimenté par de l'hydrogène), du bruit, de la chaleur, alors qu'un moteur électrique ne produit quasiment rien d'autre qu'une force motrice, et donc avec un rendement exceptionnel.

On ne le dit en effet pas trop, mais un moteur à essence a un rendement franchement mauvais. Une Ferrari fait rêver, mais si on calcule, en joules, la quantité d'énergie contenu dans le carburant consommé par le bolide italien, et qu'on la compare avec la force motrice, toujours exprimée en joules, mesurée en bout du vilebrequin, le rendement est d'à peine 20 %. 80 % du carburant consommé par une Ferrari est perdu !

Certains moteurs font heureusement mieux, ce sont les diesels. Les derniers blocs, avec les systèmes d'injection à très haute pression atteignent 35 % de rendement, et on dit que c'est formidable. Oui, mais... Les meilleurs moteurs électriques atteignent les 97 % de rendement !!! Et en plus avec une facilité d'utilisation sans égal. Presque tous les automobilistes ont déjà expérimenté des difficultés de démarrage, moteur froid ou moteur chaud, alors qu'il suffit d'appuyer sur le bouton pour qu'un moteur électrique tourne, instantanément.

Autre atout fabuleux, un moteur électrique peut récupérer l'énergie perdue au freinage en se transformant en générateur et recharger les batteries. Personne à notre connaissance n'a encore inventé le moteur à essence qui remplit le réservoir quand il tourne ?
Les moteurs électriques dernière génération (sans balais) sont de plus sans aucun entretien, et ils sont plus solides que n'importe quel moteur thermique, même s'ils cassent quand on leur demande trop. Ce rédacteur avait ainsi grillé le moteur d'une meuleuse d'angle, mais ce n'était pas grave puisqu'il s'agissait d'un outil acheté 11,90 €, et qu'il y en avait encore au magasin.

Les moteurs électriques sont en effet fabriqués en très très grande quantité. On en produit plus d'un million chaque jour dans le monde, et conséquemment, ils ne sont pas chers du tout. Ces moteurs ont aussi l'atout de la compacité, mais cela peut-être au détriment de leur apparence. Autant un puissant moteur thermique peut faire la fierté de son propriétaire, quand il montre le dessous de son capot à ses amis, autant un moteur électrique ne ressemble à rien d'autre qu'une grosse boite de conserve. Mais l'avantage de cette forme simple, c'est de pouvoir se glisser n'importe où dans une auto, tandis que la compacité permet de caser le moteur dans une roue (ci-dessus, un moteur-roue Mitsubishi).

Cela le moteur-roue, en éliminant toute perte dûe à la transmission, et en ne tournant que lorsque le véhicule est en mouvement, c'est une technologie exceptionnellement prometteuse. Les 2 premiers constructeurs du monde, General Motors et Toyota, travaillent activement à la développer. Mais elle requiert toutefois des moteurs spécifiques.
Un moteur électrique est souvent un moteur qui tourne à très haut régime (10/12.000 tr/mn), alors qu'on ne peut imaginer les roues d'une auto tourner aussi vite. Et on imagine mal de mettre un réducteur à l'intérieur d'une roue (même si c'est possible, des ingénieurs y travaillent en ce moment). Cette aptitude à se passer de transmission est en tout cas un autre atout formidable du moteur électrique, garantie supplémentaire d'un rendement encore amélioré par rapport à une voiture à essence.

Shéma de la Nissan Effis.
Concept-car de voiture électrique assisté d'une pile à combustible.
Il possède 6 batteries LiIon dans son plancher, avec la PAC au centre.


Alors même si les batteries ont encore de nombreux handicaps, que la dernière génération de batteries Lithium Métal Polymère promet toutefois de réduire largement, on peut déjà rassurer les automobilistes, en leur donnant la certitude qu'il n'y a pas que le pétrole. On pourra toujours avoir des voitures quand il n'y en aura plus.

La difficulté principale reste cependant le ravitaillement. Sur une prise de courant domestique (230 V/16 A), il faut au minimum 10/12 heures pour charger les batteries d'une voiture électrique comme une Peugeot 106 électrique. Les voitures électriques de demain, qui stockeront plus d'énergie dans des batteries plus performantes, demandront encore plus longtemps pour être chargées. Une solution serait alors d'augmenter le débit, avec des bornes de recharges à courant fort (par exemple, 380 V/70 A), mais l'ampérage qu'une batterie peut recevoir en charge est limité. Comme pour la décharge, chaque batterie a son courant de charge optimal...

Les voitures électriques de demain seront peut-être moins performantes, moins autonomes et plus chères (les 350 kg de batteries d'une Venturi Fetish offrent 350 km d'autonomie pour plus de 100.000 euros) que nos actuels modèles à essence, mais on pourra quand même rouler avec, et s'amuser à leur volant. Et pour ceux qui veulent plus, il sera toujours possible d'associer, ou de remplacer les batteries, par une pile à combustible alimentée par de l'hydrogène. L'avenir n'appartient pas qu'aux vélos et aux transports en commun !



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