La batterie lithium-soufre constitue une piste prometteuse pour augmenter sensiblement l’autonomie des véhicules propres, et faire voler des avions électriques.
Dans les années 1990, la technologie lithium-ion a révolutionné le monde des objets fonctionnant sur batteries, notamment l’électronique portable, mais il n’y a plus de développement spectaculaire à attendre de ce mode de stockage d’énergie.
Pour augmenter sensiblement l’autonomie des véhicules électriques, à moins de réduire considérablement leur poids, il n’existe que deux solutions : soit augmenter le nombre de cellules, soit faire appel à une autre technologie. Or le poids des batteries lithium-ion (Li-ion) est un facteur limitant : leur densité massique s’élève à environ 150 Wh/kg. Cela explique que le pack batteries d’une Renault Zoé 2e génération, d’une capacité de 52 kWh, s’élève à 326 kilos. Celui d’une Tesla Model 3, d’une capacité de 75 kWh, pèse un peu moins d’une demi-tonne, armature comprise.
Le lithium-soufre : solution d’avenir ?
C’est notamment ce qui explique pourquoi, depuis plusieurs années, les recherches sur la technologie lithium-soufre (LSB) s’intensifient.
En janvier dernier, nous avions déjà évoqué les progrès considérables réalisés par une équipe de chercheurs de l’université de Monash en Australie.
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De nombreux problèmes restaient à résoudre : faible durée de vie des cellules, instabilité des électrodes, et formation de dendrites sur les anodes. Mais aujourd’hui, ces obstacles sont en passe d’être surmontés.
Des chercheurs de l’Institut des sciences et technologies de Daegu Gyeongbuk (Corée du Sud) ont développé une structure hôte appelée « silice mésoporeuse ordonnée en plaquettes (pOMS) ». Cette structure permet d’utiliser un oxyde métallique peu coûteux et abondant, la silice, pour attirer les polysulfures de lithium solubles (LiPS) qui se forment à la cathode. Les LiPS atteignaient facilement l’anode et dégradaient progressivement la capacité de la batterie. Grâce à la silice, les LiPS peuvent désormais être piégées à la cathode.
Selon le professeur Jong-Sung Yu, qui a dirigé les études, « la structure de la silice retient clairement beaucoup plus de soufre pendant les cycles, et cela se traduit par une stabilité plus importante sur pas moins de 2000 cycles ».
Ces résultats pourraient conduire à une véritable révolution dans la fabrication des batteries au soufre, et ouvrent le champ des possibles en matière d’autonomie des véhicules propres, y compris des avions électriques.
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Le projet Oxis
Basée à Abingdon dans l’Oxfordshire (Royaume-Uni), l’entreprise Oxis Energy travaille depuis 2004 sur les potentialités des batteries lithium-soufre. Mark Crittenden, PDG d’Oxis Energy, est également confronté aux problèmes de dégradation de l’anode, mais il a réussi malgré tout à doubler la densité énergétique de ses batteries par rapport aux lithium-ion équivalentes. Oxis Energy atteint 470 Wh par kilo de batterie, et espère atteindre 600 Wh dans les cinq ans à venir.
Une telle évolution pourrait garantir une autonomie considérable pour des avions, mais permettrait aussi le développement de bateaux, de véhicules utilitaires, voire de poids lourds électriques.
Oxis Energy s’est associée à la société Texas Aircraft Manufacturing pour développer l’eColt, un avion 100% électrique équipé d’un pack de batteries lithium-soufre à haute densité de 90 kWh.
L’eColt, issu de l’adaptation du Colt-S-LSA, un biplace à moteur thermique, sera fabriqué au Brésil, et aura une autonomie de deux heures de vol ou de 370 kilomètres.Selon Oxis Energy, le pack de batteries de 90 kWh présente un poids inférieur de 40% par rapport à un pack équivalent au lithium-ion, grâce à une densité énergétique de 400 Wh/kg.
Mais ses détracteurs pointent du doigt une durée de vie plus courte, offrant entre 200 et 300 cycles de charge-décharge, ce qui en fait une technologie encore coûteuse.
Toutefois, au vu de ses nombreuses potentialités, la batterie lithium-soufre pourrait bien infliger un sérieux coup de griffe à la technologie Li-ion.
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Commentaires
Il faut nécessairement diviser par 2 le poids des véhicules électriques pour diviser par 4 la consommation d'énergie, car on ne pourra pas installer assez d'éoliennes et panneaux solaires (ou réacteurs EPR) pour charger toutes les batteries du parc véhicule routier en tout électrique. Sur les nouvelles batteries Lithium-soufre 2 fois plus légères, OK, mais quid du temps de recharge par rapport aux batteries Lithium-Ion ?
Il n'y a aucun problème. Si tout le parc de véhicule particulier (soit 40 millions de véhicules) était électrique il suffirait de 5 réacteurs nucléaires comme ceux de 900 mW pour pouvoir les alimenter
Transport routier = 500 TWh soit une puissance de réacteurs nucléaires totale de 82 GW, soit 92 réacteurs de 900 MW et non pas 5 réacteurs.
Les camions ne font pas partie des véhicules de particuliers que je sache.
Si je ne parle pas des camions c'est qu'aujourd'hui 99% des véhicules à batteries sont des véhicules de particuliers et les 1% restant sont des bus. La totalité du parc des particulier sera électrique avant qu'une part significative de camions soit électrifiée, si tant est qu'ils le soient un jour puisqu'il est probable qu'à cette époque l'hydrogène sera entré en concurrence avec la batterie et qu'il sera plus adapté aux véhicules de transports de marchandises qu'au véhicules légers.
Alors refaites les calculs avec 40 million de ve en imaginant même que tout le monde se rend au travail avec sa citadine ou sa berline..... vous devez être capable de faire ça, non ?
Pour les voitures particulières, l’énergie annuelle est de 440 TWh en énergie finale fossile. En équivalent de voitures électriques qui consommeraient 2 fois moins grâce au meilleur rendement, cela fait 220 TWh au total, soit un besoin de puissance nucléaire de 36 GW, soit 40 réacteurs nucléaires de 900 MW. L’explication de ces calculs figure dans mon livre disponible en ligne sur Librinova. Mon livre propose d’autres optimisations permettant d’accroître l’efficacité énergétique afin de ne pas être contraint de construire des installations de production d’énergie dépassant les capacités de notre territoire. Mon livre vous permet aussi de calculer les solutions que vous désirez, par exemple avec l’hydrogène pour les camions ; attention, le rendement de conversion en hydrogène est très faible ce qui obligerait à construire encore plus de réacteurs ou d’éoliennes pour produire la quantité d’énergie nécessaire.
Le parcours moyen d’un véhicule de particulier en France serait de 33 Km par jour selon Statistica :
https://fr.statista.com/statistiques/484345/distance-parcourue-en-moyenne-par-voiture-france/#:~:text=Il%20en%20ressort%20qu%27en%202018%2C%20une%20voiture%20particuli%C3%A8re,particuli%C3%A8re%20diesel%20cette%20distance%20%C3%A9tait%20de%2015.895%20kilom%C3%A8tres.
La consommation moyenne au 100 Km des véhicules électriques de particuliers serait selon la plupart des analyses trouvées sur Internet et qui confirme ma propre expérience de 15 KWh au 100 Km
Cela signifie que chaque jour un véhicule électrique consomme 15/100*33 = 5KWh et pour 40 millions de véhicules 198 GWh.
Sachant qu’un réacteur nucléaire de 900 MW produit en 24 heures 21, 6 GWh il en faut donc 9 et non 5.
D'accord, je me suis trompé de presque du simple au double, ma mémoire me faisant défaut car j’avais ce calcul il y a déjà plus sieurs années pour seulement la moitié du parc automobile ce sujet étant récurrent sur les forums… mea culpa. En revanche, nous sommes aux antipodes de vos conclusions avec vos 40 réacteurs de 900 MW…. Et le fait que vous ayez écrit cela dans votre bouquin n’en fait pas pour autant une vérité.
Pour la suite, concernant la production d'hydrogène qui nécessiterait de construire de nouvelles éoliennes spécialement dans ce but est un aberration sachant que si nous avions des parcs éoliens en mesure de participer activement à la fourniture d'électricité dont nous avons besoin en permanence, les fantaisies météorologiques que nous ne maitrisons pas seront nécessairement en mesure de fournir fréquemment des excédents que nous ne pourrions que perdre si on ne les utilisaient pas dans la production d'hydrogène par exemple. Ce stockage de faible rendement ne peut se justifier que dans l'option de ne pas perdre une production dont on n'a pas besoin au moment où elle est créée. Il n'y aura donc jamais besoin de construire des éoliennes spécialement pour cela ce qui reviendrait à jeter l'argent par la fenêtre car l'hydrogène ne vaut quelque chose que pour autant que l'énergie qui a servi à la produire ne coute rien.
La Renault Zoe (voiture électrique moyenne) consomme 13 kWh aux 100 km. Et en ville c’est plus selon ce site internet (18 kWh aux 100 km).
https://www.automobile-propre.com/dossiers/la-consommation-dune-voiture-electrique/#:~:text=Une%20caract%C3%A9ristique%20dont%20l'importance,kWh%2F100%20km%20en%20ville.
De plus, beaucoup de voitures électriques sont maintenant des SUV très lourds consommant 2 fois plus. Si je retiens la consommation de 15 kWh pour tout le monde, ce qui est un minimum, c’est 3 fois plus que la vôtre (5 kWh) ; alors vos 198 GWh par jour deviennent : 198 x 3 = 594 GWh par jour. Le nucléaire Français ayant un facteur de charge annuel de 70 % (chiffres des rapports officiels RTE), un réacteur de 900 MW produit en moyenne 15 GWh par jour. Il faut donc 594/15 = 39,6 réacteurs de 900 MW.
Mr Piketty vous avez l’air fâché avec les chiffres. Les 198 GWh avancés par Mr Rochain correspondent à une consommation moyenne de 15 kWh/100 km et une distance moyenne de 33 km par jour, donc c’est bien 5 kWh en moyenne par jour par VE et donc 198 GWh pour 40 millions de VE. Pourquoi multiplier par 3?
Pour 40 millions de véhicules électriques (hors poids lourds) Mr Rochain calculait une consommation journalière de 198 GWh soit 72,27 TWh par an (0,198 TWh x 365 jours).
J’indiquais pour ma part une consommation du transport routier de 440 TWh par an, en énergie fossile très majoritaire. En équivalent de 100 % de voitures électriques qui consommeraient 2 fois moins qu’avec des moteurs thermiques grâce au meilleur rendement du moteur électrique, j’obtenais un total de 220 TWh à comparer avec les 72,27 TWh de Mr Rochain (multiplication par 3).
Voici une réactualisation détaillée de mon calcul.
En 2020 notre consommation nationale d’énergie pour le secteur des transports est de 443 TWh en diminution de près de 15,8 % par rapport à 2019 à cause du Covid. CF page 32 de ce document.
https://www.statistiques.developpement-durable.gouv.fr/edition-numerique/chiffres-cles-energie-2021/pdf/chiffres-cles-de-l-energie-edition-2021.pdf
Le transport routier représente 95 % de cette consommation et l’électrification avec batteries concerne surtout les véhicules hors poids lourds qui représentent 87 % du trafic, soit 366 TWh. Je mets de côté comme Mr Rochain les poids lourds (13 %) qui ne pourront pas tous être électrifiés par batteries à cause du poids trop important des batteries nécessaires.
La consommation des véhicules électriques à batteries serait divisée par 3 grâce au meilleur rendement du moteur électrique. J’applique ici une division par 3 de la consommation grâce au meilleur rendement du moteur électrique, c’est ce que j’ai trouvé pour des véhicules électriques pas trop lourds en me basant sur les données de spritmonitor.de/fr.
Cette division par 3 de la consommation pour l’ensemble des véhicules hors poids lourds est à vérifier à l’usage. En effet la proportion des véhicules électriques est actuellement assez faible sur les routes ; avec 100 % de véhicules électriques, notamment pour tous les trajets autoroutiers, la consommation électrique serait plus forte qu’actuellement.
Néanmoins, avec ces hypothèses, l’économie d’énergie serait de 366 x 2/3 = 244 TWh pour une consommation totale de (366 – 244) = 122 TWh électriques, donc pour 100 % de véhicules électriques à batteries hors poids lourds.
Cela ne tient pas compte des pertes de 5 à 15 % lors de la recharge des batteries, en moyenne 10 % de 122 TWh, soit environ 12 TWh par an. Il y a aussi les pertes en ligne de transport et de distribution d’électricité d’environ 8 % soit 10 TWh. Mon calcul de consommation électrique en tenant compte des pertes passe à (122 + 12 + 10) = 144 TWh à comparer avec les 72,27 TWh de Mr Rochain (multiplication par 2).
Dans la présente réactualisation, je passe d’un facteur 3 à un facteur 2 en tenant compte d’une baisse générale de consommation du transport routier de 15,8 % en 2020 à cause du Covid, d’un rendement du moteur électrique permettant une division de la consommation par 3 au lieu de 2, et j’ai tenu compte des pertes d’électricité en ligne et lors de la charge des batteries.
Monsieur Piketty, j'ai lu votre livre, mais je ne sais pas où vous allez chercher vos 500 TWh. N'oubliez pas qu'au lieu d'un rendement de 25% pour les moteurs thermiques, celui des moteurs électriques est de 90%, ce qui réduit déjà très fort la quantité d'énergie nécessaire. En outre les véhicules électriques récupèrent suivant les cas 10 à 30 % de l'énergie consommée lors des décélérations et des freinages grâce au freinage régénératif. Et puis tous ceux qui ont une voiture électrique vous expliqueront qu'à 95% du temps ils rechargent leur voiture la nuit, lorsqu'ils ne l'utilisent pas et que le courant est moins cher. Or la nuit, la courbe de consommation sur le réseau est au point bas. Les études ont montré qu'il y a donc moyen de charger des millions de voitures électriques sans augmenter la puissance installée totale du parc. Les unités de production (éoliennes, centrales au gaz, centrales nucléaires, centrales hydro, etc ...), au lieu d'être mises à l'arrêt ou de réduire leur puissance pendant la nuit produiront plus, mais il ne faudra pas augmenter leur nombre. En France, comme en Belgique, comme en Allemagne et sans doute d'autres pays, les organes officiels de régulation du marché de l'électricité ont produit des études qui ont démontré cela. En France c'est une étude de la CRE que vous pourrez retrouver sur automobile-propre.com si je me souviens bien. En Belgique (situation que je connais mieux), la CREG (équivalent de la CRE française) a démontré qu'il était possible de recharger 2 millions de voitures (soit quasi la moitié du parc de voitures) avec le parc de production électrique existant (donc sans devoir construire la moindre nouvelle centrale ou la moindre éolienne), à condition que ces véhicules se rechargent la nuit, ce qui, je le répète est le cas pour la toute grande majorité des utilisateurs. En Allemagne une étude similaire arrive aux mêmes conclusions. Je n'ai pas le temps de rechercher les références de ces études, mais si vous faites un petit effort, vous les trouverez sans problème. Petit conseil : avant de lancer des chiffres fantaisistes, informez-vous des réalités auprès de ceux qui utilisent au quotidien une voiture électrique, ce que je fais depuis plus de 7 ans. Pendant toute cette période, les statistiques que j'ai récoltées montrent que j'ai chargé 95 % de l'électricité utilisée par mon véhicule pendant la nuit. Et pourtant je parcours 30.000 à 45.000 km par an, soit beaucoup plus que la moyenne des électromobilistes.
Quand il y a quelques années le gouvernement britannique a émis l'idée d'arrêter la vente de véhicules à énergie fossile en 2040, certains ont crié en cœur que ça serait la fin du monde, qu'on ne pourrait pas alimenter tous ces VE sans provoquer des coupures à répétition. Le gouvernement a donc demandé une étude au National Grid, l'équivalent là-bas de notre RTE français, pour savoir si le réseau serait prêt à une telle mutation. Conclusion, le National Grid a annoncé qu'ils ne seraient pas prêts en 2040, mais en 2030.
Alors si même les Anglais y arrivent...
Peu probable que la technologie des batteries perce vraiment dans l'aéro qui a pris l'habitude du kérosène (plus de 10 kWh/kg) à l'exception de quelques petits appareils type DR400 ou équivalent pour les écoles de pilotage. Les pistes les plus prometteuses à l'heure actuelles sont les biocarburants voire le GNL voire l'hydrogène (liquide pour les gros appareils, compressés pour les petits => des protos de cette catégorie ont déjà volé avec des perfos prometteuses)