Transformation, stockage, transport et distribution - CEA

Les véhicules doivent être légers pour minimiser lataille de la batterie, donc ses coûts d’achat et d’usage.Une grande part des véhicules électriques actuels sontdes véhicules thermiques électrifiés. Avec la « diésélisation» du parc, les besoins d’insonorisation associéset le renforcement de la sécurité passive et activedes véhicules, leur masse s’élève à 1 100-1 300 kg.L’électrification conduit à une masse finale de l’ordrede 1 500 kg et à l’obligation d’inclure une batterie de25 à 30 kWh pour assurer 160 km d’autonomie. Lataille du véhicule et celle de la batterie influent fortementsur les coûts d’achat et/ou de location, ainsi quesur le coût kilométrique.Un véhicule beaucoup plus léger et une batterieréduite en proportion sont nécessaires pour garantirla compétitivité des véhicules électriques. Cecis’avère possible à condition, plutôt que d’électrifierl’existant, de concevoir une voiture électrique optimisée,ce qui est en cours chez les constructeurs, oude proposer des véhicules différents tels que scooters,trois-roues, quadricycles ou Renault Twizy (3) .La recharge rapideLes accumulateurs lithium peuvent être optimisésen puissance en agissant sur les matériaux d’électrodeset leur épaisseur, ainsi que sur les feuillardsd’aluminium et de cuivre (4) , pour être en mesure deréaliser des charges rapides. Ceci permet de proposerdes véhicules électriques pour des trajets locaux etdomicile-travail, avec des charges lentes de nuit enusage régulier, tout en ayant la possibilité d’effectuerde longs trajets avec des successions de roulages et decharges rapides.La recharge rapide des accumulateurs lithiumouvre également des perspectives nouvelles pour laconception de véhicules, comme l’illustre le projetcollaboratif ElLiSup (Autobus Électrique à batteriesau Lithium et Supercapacités), porté par la sociétéIrisbus.Pour parvenir à offrir 150 km d’autonomie à un bus,en recharge de nuit, il faut l’équiper d’une batteriedont la masse peut atteindre plusieurs tonnes, cequi n’est économiquement compétitif que pour unedurée de vie de la batterie de dix années. Une autresolution consiste à utiliser des supercondensateurs (5)dimensionnés pour couvrir la distance inter arrêts, etde placer une station de recharge de forte puissance(200 kW) à chaque arrêt. Cette solution est très fortementpénalisée par le coût de l’infrastructure nécessaireà chaque station. Le projet ElLiSup s’attache audéveloppement d’un bus léger, avec une chaîne detraction optimisée et une batterie de puissance chargéeen bout de ligne en cinq minutes. L’infrastructurese limite à une borne de recharge de 200 kW à chaquefin de ligne. La taille de la batterie est trois fois pluspetite que dans les options précédentes et son coût(3) La Twizy, du constructeur automobile Renault, estune voiture électrique biplace en tandem. De petites dimensions(2,34 m de long, 1,24 m de large et 1,45 m de haut), elle afficheune autonomie de 100 km en milieu urbain et peut êtrerechargée en trois heures et demie. Elle est équipée de batteriesLi-ion de 6,1 kWh. Sa masse, batteries comprises, est de 450 kg.(4) Ils servent à collecter le courant.(5) Supercondensateur : il récupère l’énergie cinétique lors dela phase de freinage et la transforme en électricité. Capable de secharger et de se décharger très rapidement, il se présente commeune batterie ultra-rapide.Le véhicule électrique démonstrateur du CEA a permis de mettre en évidence l’impact dela masse sur les performances. En remplaçant le pack batterie NiCd d’origine, de 12 kWh spécifié(mais de 7 à 8 kWh en réel), par une batterie LiFePO 4 de 10 kWh, puis de 13 kWh, d’une massedivisée par deux, les chercheurs du CEA ont doté ce véhicule d’une autonomie de 130 km enusage réel, de bonnes performances en montage (montée à l’Alpe d’Huez et retour) et d’unerecharge rapide. L’autonomie est analogue à celle des voitures électriques d’aujourd’hui, maisavec une batterie deux fois plus petite. Ainsi, une conception adaptée, prenant en compte lescontraintes de sécurité actuelles, permettrait de proposer un véhicule électrique de moinsd’une tonne, à batterie et coût réduits. Les chercheurs ont également démontré que ce véhiculepouvait parcourir, grâce à la recharge rapide, 780 km en journée et 1 240 km en 24 heures,sur route, autour de Grenoble (Isère).d’achat diminue en conséquence. Le temps de retoursur investissement est ramené à trois ou quatre ans.Un bus hybride rechargeable et un bus électriquesont mis au point selon ce concept (voir Les transportsélectriques, p. 84).L’électrification des transports connaît aujourd’huiun développement rapide pour la traction des trains etla propulsion des bateaux (électriques ou diesel-électriques),ainsi que pour les commandes électriquesdes avions et des véhicules. Le but est d’économiserl’énergie tout en augmentant les prestations. Lesbatteries progressent régulièrement chaque année,portées par les marchés de toutes les applicationsnomades. Si dans le domaine des microprocesseurs,la loi de Moore indique que le nombre de transistorssur une puce double tous les deux ans, dans celui desbatteries, la capacité des accumulateurs croît de 10 %par an. Les performances des batteries et des piles àcombustible s’améliorent continûment en termesd’autonomie, de sécurité et de durée de vie. Les coûtsd’achat et d’usage deviennent compétitifs. L’objectifest de mettre en circulation en France 400 000 véhiculesélectriques et hybrides en 2015 et 2 millions àl’horizon 2020.> Daniel ChatrouxInstitut Liten (Laboratoire d’innovationpour les technologies des énergies nouvelleset les nanomatériaux)Direction de la recherche technologiqueCEA Centre de GrenobleCEA/Institut LitenCLEFS CEA - N° 61 - PRINTEMPS 201359