DEFOSSE Julien Promotrice : LALOUX M. 6 ème D Lecteur : CABO P.-Y. 2011-2012 Discipline : Scientifique Travail de fin d'études : La course à la voiture écologique, en particulier électrique, est-elle perdue d'avance?
Je tiens à remercier toutes les personnes qui m'ont accompagné et soutenu dans l'élaboration de ce travail. Toutefois, je voudrais tout particulièrement apporter ma reconnaissance à : Madame Laloux, professeur au Sacré-Cœur de Jette, qui, par son aide et ses exigences, m'a permis de mener à bien ce travail ; Monsieur Cabo, également professeur au Sacré-Coeur de Jette, qui m'a accordé toute sa confiance en acceptant d'être le lecteur de ce modeste travail ; Ma famille, pour leur accompagnement au quotidien et leur motivation. Je remercie spécialement ma sœur et ma mère pour leurs conseils très précieux en matière d'orthographe et de technique ; Toutes les personnes qui ont répondu à mes questions, les nombreux spécialistes, les concessionnaires qui ont consacré du temps à mes recherches, signe d'un véritable intérêt ; Tous ceux que j'ai oublié de nommer dans ces remerciements. «Je rêve d'une cité idéale où les voitures n'auraient plus, elles aussi, le droit de fumer.» Philippe Bouvard
Table des matières Table des matières...p.1 A. Introduction...p.3 B. Histoire du véhicule électrique...p.4 C. La motorisation C.1. Le moteur électrique...p.6 C.1.1. Vue d'ensemble... p.6 C.1.2. Fonctionnement du moteur électrique...p.6 C.1.2.1. La batterie lithium-ion...p.6 C.1.2.2. Le moteur électrique...p.7 C.2. Le moteur hybride...p.8 C.2.1. Avantages du véhicule hybride...p.10 C.2.2. Inconvénients du véhicule hybride...p.10 D. La pile à hydrogène... D.1. Historique...p.12 D.2. Définition...p.12 D.3. Fonctionnement...p.12 D.3.1. Avantages...p.14 D.3.2. Inconvénients...p.14 D.4. La production d'hydrogène...p.15 E. Les avantages du véhicule électrique... E.1. Absence directe de pollution...p.17 E.2. L'économie à l'usage...p.17 E.3. Facilité d'utilisation / d'entretien...p.17 E.4. Confort...p.18 F. Les inconvénients du véhicule électrique F.1. Recyclage des batteries...p.20 F.2. Pollution indirecte...p.20 F.3. Ressources...p.21 F.4. Infrastructures...p.22 F.4.1. Le système Smart Grid...p.22 F.4.2. Bornes et autres...p.23 F.4.2.1. Les différents types de charge...p.23 F.4.3. Lieux...p.24 G. Le groupe Renault-Nissan... G.1. Histoire...p.26 G.2. Batteries...p.26 G.2.1. Prix...p.26 G.2.2. Charge...p.27 G.3. Modèles de véhicules électriques...p.28 1
H. Les politiques en matière de mobilité électrique H.1. Politique de l'ue...p.30 H.2. Politique de la Belgique...p.31 H.3. Politique de la France...p.32 I. Autre alternative écologique au véhicule à essence I.1. L'hydrogène...p.33 I.1.1. Fonctionnement...p.33 I.1.2. Application...p.33 J. Conclusion...p.34 K. Bibliographie...p.35 2
A. Introduction Qu'y a-t-il de plus symbolique que l'automobile dans notre société? Probablement rien. Elle a accompagné l'homme à travers le temps. Elle a évolué, comme le monde, vers un avenir plus sûr. Elle a toujours fait avancer les hommes en participant à toutes les révolutions de la société : elle a permis à de nombreuses familles de partir en voyage, elle a révolutionné les loisirs ainsi la consommation, et plus généralement les mœurs. Mais aujourd'hui, correspond-elle à la société actuelle? Est-ce encore normal que cette invention qui a procuré tant de bonheur à certains hommes ne profite pas à ceux qui ont juste les moyens de se déplacer, est-ce le réel progrès? Le vrai progrès c'est que tout le monde puisse en profiter en même temps. Le monde change, l'automobile aussi. Il faut oser repenser notre mobilité, redessiner l'automobile. Profiter de la vie aujourd'hui ne doit pas signifier vivre moins bien demain. La liberté des uns ne doit pas menacer la qualité de vie des autres: le plaisir de conduire n incombe pas uniquement au conducteur ; il concerne également l environnement de ce dernier. Ce monde qui nous entoure, c'est la nature, elle qui nous a tant donné. Faut-il accuser les générations antérieures d'avoir gaspiller nos ressources? Faut-il mettre en péril notre avenir et celui de nos enfants pour rouler quelques kilomètres de plus? Le progrès doit désormais être accessible à tous, car c'est ensemble qu'un monde meilleur, plus juste et plus propre, est possible. Arrêtons de déranger la nature, cessons de laisser d'innombrables traces ineffaçables, l heure est venue de développer de nouvelles technologies en matière de mobilité afin de rendre la voiture plus propre et, par conséquent, plus respectueuse de la nature. La problématique du réchauffement climatique ne concerne pas uniquement les émissions de CO2 d une voiture en circulation, elle touche également l «avant» et l «après» de la vie d un véhicule. Nous sommes à nouveau à un tournant de notre histoire, l'automobile a été crée, à nous de la repenser; et deux solutions s'offrent à nous : soit continuer, aveuglément, à détruire notre terre, soit prendre ses responsabilités et réformer notre mobilité. Cette mobilité sera verte, et pour beaucoup électrique. Cependant, cela est-il réellement possible? N'est-ce pas une utopie? C'est à cette question que ce modeste travail va tenter de répondre. Au fil de ces pages, vous apprendrez tout sur l automobile électrique, de sa motorisation à sa commercialisation. Nous aborderons les nombreux avantages que présente ce nouveau mode de transport mais nous parlerons aussi de ses inconvénients. Nous prendrons le temps de constater qui sont les vrais acteurs du développement, parmi ceux-ci les constructeurs (Alliance Renault Nissan) et les états. Nous n'aborderons cependant pas le fonctionnement du moteur thermique dans ce travail. Cet exposé est le fruit d un travail de longue haleine qui fait la synthèse d'une série de recherches menées en bibliothèque, dans des librairies et sur internet. Il s'enrichit également à la source de plusieurs entretiens très enrichissants à propos de l'évolution de la mobilité. De façon générale, le présent travail tente de répondre aux questions qu'un consommateur curieux se poserait à propos des technologies automobiles soucieuses de l'environnement; et ce, notamment, en comparant mobilité électrique et autres moyens de déplacement. Le futur est en route... 3
B. Histoire du véhicule électrique Aujourd'hui, la voiture électrique semble être à l'aube d'une nouvelle apogée. Cependant, il est bon de rappeler qu'elle ne trouve pas son origine au XXIe siècle. Le véhicule électrique est à peu près aussi ancien que l'automobile elle-même. Voici, à travers quelques dates et véhicules marquants, un aperçu de son histoire : 1800 : L'italien Alessandro Volta élabore la première «pile de Volta». La pile voltaïque est l'ancêtre de la pile à hydrogène, indispensable au bon fonctionnement d'une majorité des véhicules électriques. 1821 : C'est à partir de l'invention de Volta, des découvertes du physicien danois Hans Christian Œrsted sur l'électromagnétisme (découverte de l'existence d'un champ magnétique autour d'un conducteur par un courant) et des travaux d'ampère (étude du champ magnétique en réaction avec de particules fournies d'une charge électrique) que le britannique Michael Faraday va développer le premier moteur électrique. 1830 : Robert Anderson, un homme d affaire écossais, crée le premier prototype de voiture électrique. Il sera rapidement suivi par un américain, Thomas Davenport, qui assemble en 1834 un véhicule qui ressemble davantage à une petite locomotive qu'à une réelle voiture. 1859 : C'est grâce à l'ingéniosité de Gaston Planté, physicien français qui avait compris qu'une batterie ordinaire s'épuise lorsque la réaction chimique dont elle est le siège est terminée, que l'on proposa de tirer parti de réactions chimiques que l'on pouvait inverser en les soumettant à un courant électrique : la batterie devenait ainsi rechargeable. 1881 : Camille Faure, autre physicien de l'hexagone, perfectionna l'accumulateur de Planté. Cela permit aux voitures électriques de réellement prendre leur essor. 1899 : Camille Jenatzy (un Belge!) fut le premier, aux commandes de la Jamais Contente, à passer la barre des 100 km/h (vitesse maximale de 105,88 km/h) à bord d'une voiture électrique. Sa création, en forme de missile, peut être considérée comme l'une des premières voitures de course. 1900 : Le marché automobile est composé de plus d'un tiers de véhicules électriques. Toutefois, l'essor du moteur à essence entraine le déclin de l'électrique dès 1912, notamment à cause de l'arrivée de la Ford T. 1972 : Il faut attendre 60 ans pour que la voiture électrique ressurgisse dans le secteur automobile. Plusieurs marques prennent l'initiative de lancer un modèle électrique : le premier est une voiture hybride, la Buick Skylark de General Motors; suit, en 1974, la Citicar de Vanguard- Sebring. 1976 : Le congrès américain adopte un nouveau plan pour le développement et la recherche en matière de voitures électriques. C'est ce plan qui permit au groupe General Motors de lancer sa célèbre EV1 en 1990. On peut également observer l'apparition au début du XXIe siècle de la Prius de Toyota ou encore la EV-11 de Nissan. 4
De nombreux autres modèles ont été lancés sur le marché entre 1990 et 2012 mais aucun d'entre eux n'a révolutionné cette mobilité. Et aujourd'hui? C'est à nous d'écrire l'histoire. Ce travail nous permettra d'évaluer quel avenir est possible, si l'automobile électrique peut percer définitivement. Considérer cet héritage en matière de maîtrise de l électricité peut nous permettre d apprendre quelles erreurs sont à éviter et où il faut progresser. Sommes-nous les témoins privilégiés des débuts hésitants d'une nouvelle ère? Il faut l'espérer. 5
C. La motorisation C.1. Le moteur électrique C.1.1. Vue d'ensemble Comme nous pouvons le voir sur le schéma suivant, la composition mécanique d'un véhicule électrique est beaucoup moins complexe que celle d'un véhicule classique. En effet, la transmission et le moteur sont nettement plus petits, ce qui constitue un gain de place non négligeable. De plus, l'ensemble de batteries est logé sous le plancher, au centre, ce qui permet une meilleure répartition des masses et donc un meilleur équilibre. Une intégration des batteries au châssis («squelette» du véhicule) permet également d'abaisser le centre de gravité et d'améliorer ainsi la tenue de route. Ces différents aménagements réduisent de manière considérable le poids et la taille du véhicule, ce qui donne lieu à une diminution de la consommation d énergie et à une réduction des émissions de gaz à effet de serre. De la même manière, la voiture gagne en puissance lors du démarrage ou pendant une accélération. C.1.2. Fonctionnement du moteur électrique C.1.2.1. La batterie lithium-ion De nombreux types de batteries existent. Cependant, toutes les batteries fonctionnent à peu près sur le même principe, c'est pourquoi nous n'analyserons, dans ce travail, qu'un seul type de batterie : la batterie lithium-ion (la plus présente dans les modèles de véhicule électrique). Le principe de la batterie lithium-ion est basé sur le transfert réversible de l'ion lithium entre deux pôles, la cathode et l'anode. C'est ce transfert d'ions qui produit de l'électricité, ou en consomme. En effet, l'électricité est générée quand les ions lithium se déplacent de l'anode vers la cathode (voir schéma).pour recharger les accumulateurs, il suffit d'inverser le processus; les ions lithium sont alors «arrachés» à la cathode pour ensuite être renvoyé vers l'anode. Une batterie lithium-ion standard est composée de couches d anodes et de cathodes espacées. L'anode est généralement constituée de carbone ou de graphite afin de pouvoir stocker un maximum d'ions lithium. Notons que la microstructure du carbone ou du graphite joue un rôle majeur : un graphite cristallin est capable de contenir jusqu'à un ion lithium pour quatre atomes de carbone. Quant à la cathode, elle est principalement composée d'oxyde de cobalt ou de manganèse. C'est le choix des matériaux composant les électrodes (cathode et anode) et l électrolyte qui déterminent les performances ainsi que la tension délivrée par l accumulateur. 6
N'étant en aucun cas spécialiste dans ce domaine, il m'est impossible de vous expliquer avec précision le phénomène permettant le fonctionnement d'une telle pile. Toutefois il est indispensable d'ajouter que la quantité de charge qu'une batterie peut contenir décroît progressivement avec l'utilisation et le vieillissement de celle-ci. En effet, chaque cycle chargedécharge altère peu à peu les électrodes, dégrade l'électrolyte et forme une fine couche bloquant l'intercalation de ions lithium. Spécifiée pour fournir une capacité de 100% lorsqu'elle est neuve, la batterie a besoin d'être remplacée lorsque sa capacité de charge descend sous le seuil des 80 %. Plus précisément, nous constatons deux choses. La batterie lithium ion ne possède pas d'effet mémoire. L'effet mémoire est un phénomène physico-chimique qui détruit peu à peu certaines capacités des accumulateurs. L'accumulateur restitue moins d'énergie, avec pour conséquence la diminution de la capacité de charge de base. Par exemple, lorsqu'on recharge plusieurs fois de suite la batterie de manière partielle et qu'ensuite on décide de recharger une fois entièrement, un effet mémoire est probable. Deuxièmement, la batterie lithium ion subit une très faible auto-décharge. L'auto-décharge est un phénomène que subissent généralement une majorité de batteries : elle consiste à la réduction progressive de la charge d'une batterie, même si celle-ci n'est pas stimulée. Elle est de +/- 10 % par mois, voire moins. Pour conserver une batterie de manière optimale, il est conseillé de la placer à température ambiante à un niveau de charge de 40 %... Elle conservera ainsi 98% de ses capacités après 1 an. Les experts préconisent le seuil de 40 % car, d'une part, si elle est chargée totalement, la batterie perdra plus rapidement sa tension; et, d'autre part, si elle est chargée à un niveau bas, on prend le risque d épuiser totalement la batterie et de l endommager définitivement. La batterie lithium ion est indispensable au bon fonctionnement d' un véhicule électrique. Elle permet de faire tourner le moteur électrique. Dès lors, analysons ce moteur. C.1.2.2. Le moteur électrique Comment un moteur électrique fonctionne-t-il? Les moteurs électriques à courant continu fonctionnent grâce au magnétisme. A l intérieur du moteur se trouve le rotor qui lui-même est composé d'une bobine de fil de cuivre très fin qui peut tourner librement entre les pôles d un aimant (voir schéma). Le passage du courant électrique dans cette bobine la transforme en un deuxième aimant. Deux aimants peuvent s attirer ou se repousser par des forces magnétiques. Ce sont ces forces magnétiques qui provoquent la rotation du moteur. 7
Cependant, comment se fait-il que la bobine tourne? La réponse se trouve dans un principe bien connu des scientifiques : la force de Laplace. La force de Laplace est une force F qui s'exerce sur un fil conducteur parcouru par un courant I placé dans un champ magnétique B. Cette force est tangentielle à l'axe de rotation (axe central). Plusieurs caractéristiques de la force de Laplace (la direction et le sens) et du courant peuvent être déterminées par la règle des 3 doigts de la main droite : le pouce indique le sens du courant, l'index désigne le sens du champ magnétique et le majeur montre le sens de la force. Comme nous pouvons le voir sur le schéma (schéma de droite), il y a deux pôles (le + et le - ). Leur rôle est de faire parvenir le courant au connecteur central (en orange sur le schéma). Un fil conducteur relie les deux pôles, il représente une bobine de 1 spire. C'est sur ce fil que la force de Laplace s'exerce. C'est donc au moyen de cette force due au champs magnétiques et au courant que le rotor peut tourner. C'est la rotation du rotor qui permet de faire tourner l'axe central du moteur, et donc les roues. Toutefois, le moteur au sens général du terme n'est pas uniquement représenté par la partie décrite précédemment. En effet, c'est un ensemble de systèmes qui forme le moteur. La batterie stocke l électricité et la transfère ensuite vers le groupe moteur. Ce groupe moteur est composé de différents éléments : 1 - Le boitier d'interconnexion : il distribue l énergie à la bonne intensité, soit au moteur, soit à la batterie, soit aux composants électroniques de la voiture électrique, en fonction de leurs besoins et de la phase de roulage du véhicule électrique (charge, accélération, décélération). Lorsque le conducteur du véhicule appuie sur la pédale d accélérateur, la batterie libère du courant. 2 - Le chargeur : il adapte le courant apporté par la prise de branchement à ce que la batterie électrique peut recevoir. 3 - L'onduleur / convertisseur. Le convertisseur : il transforme le courant continu de la batterie en courant alternatif pour ensuite le réinjecter dans le circuit électrique vers le moteur. L'onduleur permet aussi de protéger les installations électroniques des variations de tensions électriques. 4 - Le moteur / réducteur : sa composition et son rôle ont été développés précédemment. Signalons qu'il joue également le rôle de boîte de vitesse. Ces différentes composantes du système électrique sont indispensables au bon fonctionnement du véhicule. Un autre des avantages du moteur électrique est qu il peut transformer l énergie cinétique du véhicule en énergie électrique pendant les phases de décélération et de freinage. Le moteur devient un générateur qui permet de recharger la batterie. La qualité de la batterie et de la recharge apparait dès lors comme essentielle. C.2. Le moteur hybride La voiture hybride thermique-électrique est, en quelque sorte, la grande sœur du véhicule électrique. Il est donc profitable de s'intéresser à son fonctionnement et à son rôle. 8
Le véhicule hybride thermique-électrique, comme son nom l'indique, est un véhicule qui associe deux types de motorisation : un moteur thermique et un moteur électrique ; deux moteurs, deux énergies. Cette technologie, qui a déjà été adoptée par beaucoup de constructeurs, est assez astucieuse tout en restant écologique. Cependant, on pourrait penser que le véhicule hybride, qui se meut au moyen de deux moteurs, rejette justement deux fois plus de pollution. Détrompez-vous! En effet, l'un des rôles de ce type de voiture est de diminuer ce rejet. Comment? C'est grâce à l'alliance de ces deux moteurs. Le principe de la motorisation hybride est de faire fonctionner les moteurs à tour de rôle ou simultanément selon les besoins de la conduite. Toutefois, cette alliance peut varier en fonction du véhicule. Ces différents niveaux d'hybridation sont : le mild hybrid ou «hybride léger» : ce type de véhicule est le moins hybridé. Effectivement, le moteur électrique n'intervient que lorsque le véhicule atteint une très faible vitesse (par exemple, c'est à partir de 6 km/h que le moteur électrique intervient pour la Citroën C3), ce qui permet de couper le moteur thermique qui tourne en permanence au-dessus de cette vitesse minimum. Ainsi, à l'arrêt, le moteur thermique est coupé et n'émet pas de gaz polluants. De plus, le moteur électrique récupère l'énergie cinétique du véhicule lors du freinage ou lors d'une descente (au moyen d'alternateurs). Cela permet de recharger les batteries qui entrainent le moteur électrique. En général, ce système se nomme «Stop and Start». le plug-in hybrid ou «hybride rechargeable» : il s'agit du niveau moyen d'hybridation. Comme l'indique son nom, c'est un véhicule qui peut être rechargé au moyen de l'énergie cinétique (freinage) mais également au moyen d'une borne électrique - au contraire du mild hybrid. Ce niveau d'hybridation n induit pas que le véhicule puisse se mouvoir uniquement au moyen du moteur électrique ; deux types de systèmes sont à l œuvre dans cette catégorie. D'une part l'hybride parallèle : le moteur électrique intervient en supplément du moteur thermique pour fournir davantage de puissance (ex.: lors d'une accélération). Ce système permet une réduction des rejets de CO 2 et une baisse de la consommation de carburant. D'autre part l'hybride série : seul le moteur électrique fonctionne en permanence, alors que le moteur thermique ne tourne que pour fournir l'énergie nécessaire pour recharger les accus permettant au moteur électrique de fonctionner. Remarquons que les deux moteurs ne sont pas mécaniquement liés. Ainsi, le moteur thermique peut tourner à son régime optimal. 9
le full hybrid ou «hybride complet» : ce système est le plus répandu mais également le plus sophistiqué du monde de l'automobile hybride. Les voitures équipées de ce système peuvent se déplacer uniquement avec le moteur électrique, soit uniquement avec le moteur thermique, ou tout simplement avec les deux moteurs en même temps. Au démarrage ou à faible vitesse (cycle citadin), seul le moteur électrique fonctionne. La voiture est alors silencieuse et n'émet pas de gaz à effet de serre. Lorsque la vitesse augmente, le moteur thermique se met en route, tandis que le moteur électrique intervient en cas d'accélération. Si le véhicule freine, les batteries se rechargent (voir schéma). C'est un système de gestion de l'énergie placé dans la voiture qui sélectionne intelligemment la source d'énergie la plus adéquate. C.2.1. Avantages du véhicule électrique Après avoir analysé toutes ces technologies, une autre question se pose : quels sont les réels avantages de ce moyen de locomotion? 1 - La voiture hybride permet de faire des économies grâce à la baisse de consommation de carburant. 2 - La voiture hybride permet une diminution non négligeable de la pollution émise. En effet, le véhicule hybride produit moins de gaz à effet de serre, surtout en ville, grâce à son moteur électrique. 3 - Elle nous fournit une qualité de conduite meilleure que celle des véhicules à moteur thermique classiques. La sensation au volant a fortement évolué. L'accélération du véhicule est immédiate grâce au moteur électrique; l'alliance des deux moteurs donne une puissance maximale. Par ailleurs, le bruit est très fortement réduit, surtout en ville. 4 - L'absence de problèmes d'autonomie. Effectivement, le moteur électrique est accompagné du moteur thermique, les batteries sont donc rechargées à chaque décélération par ce même moteur thermique, une panne du moteur électrique est dès lors peu probable. C.2.2. Inconvénients du véhicule hybride A côté des nombreux avantages que revêt l utilisation d un véhicule hybride, il existe également plusieurs inconvénients. 1 - Le prix d'achat du véhicule hybride est généralement plus élevé que celui des véhicules classiques. De plus, les incitants fiscaux de 15 % sur le prix total du véhicule attribués par l'état à 10
l'acheteur d'une voiture qui émet moins de 99 g C0 2 /km ont été supprimés à la fin de l'année 2011. Cela ne pousse pas à l'achat d'un tel véhicule. 2 - Le véhicule hybride est avantageux à faible vitesse, notamment lors d'une accélération; mais sur autoroute, il n'y a aucune différence avec un véhicule thermique. 3 - Le peu de bruit qu'émet un tel véhicule peut apparaître comme un avantage mais il peut aussi s avérer très vite dangereux, notamment en ville où des piétons distraits qui n auraient pas entendu le véhicule pourraient provoquer des accidents. A la suite de ce que nous venons d exposer, nous pouvons affirmer que les voitures hybrides incarnent déjà une solution aux problèmes actuels de mobilité. Néanmoins, nous allons voir qu il est possible de faire mieux encore. 11
D. La Pile à hydrogène D.1. Historique Également appelée pile à combustible, la pile à hydrogène est apparue pour la première fois au XIXe siècle. Elle a été découverte par un avocat anglais passionné d'électrochimie, Sir William Grove. Cependant, cette invention ne fut pas exploitée à l'époque de sa découverte, elle resta une curiosité scientifique pendant plus d'un siècle. Il faut attendre Francis T. Bacon qui en créera un prototype «viable» pour les expéditions spatiales GEMINI (1963-1966) et APPOLO (1961-1975). Le secteur automobile va fortement améliorer les rendements de la pile à hydrogène, notamment en investissant en masse dans la recherche. Aujourd'hui, l'essor et l'application de cette technologie sont fortement pour permettre une meilleure production d'énergie et une diminution certaine des coûts de production. D.2. Définition La pile à hydrogène est un générateur électrochimique de courant qui transforme l'énergie d'une réaction chimique en courant électrique de façon continue par l'oxydation d'un combustible réducteur, tel que le dihydrogène, sur un électrode et la réduction d'un oxydant sur l'autre électrode, tel que l'oxygène. Afin de comprendre pleinement cette réaction, il faut assimiler le concept de réaction d'oxydoréduction (ou redox). Au cours d'une réaction d'oxydo-réduction, il y a toujours un transfert d'électrons entre en oxydant d'un couple et un réducteur d'un autre couple. Il y a d'une part l'oxydant. C'est une espèce susceptible de capter un ou plusieurs électron(s) (principalement des corps simples). Il y a également le réducteur. C'est une espèce susceptible de donner un ou plusieurs électron(s) (principalement des métaux). Ici, il y a 2 couples redox distincts : l'oxydation de H et la réduction de O. Dès lors, tous les électrons cédés par le réducteur du premier couple sont captés par l'oxydant du deuxième couple. Par conséquent il n'apparaît aucun électron dans l'équation de la réaction. Le dihydrogène étant, lorsqu'il sera associé à de l'oxygène, grand libérateur d'énergie, il pourra fournir un courant électrique. Cette réaction chimique aura pour produit de l'eau et peut s'écrire sous la forme suivante : 2 H 2(red 2) + O 2(ox1) -------------------> 2 H 2 0 Cette réaction est spontanée et libératrice d'électricité au moyen d'électrons, c'est pourquoi elle est effectuée. D.3. Fonctionnement Premièrement, il est nécessaire d'indiquer que la pile à combustible fonctionne sur le mode inverse de l'électrolyse de l'eau. Une pile est un générateur de courant qui transforme l'énergie 12
d'une réaction chimique en courant électrique de façon continue. Quant à l'électrolyse, elle est le moyen de provoquer une réaction chimique par l'apport d'une tension électrique (cette réaction est donc non spontanée). On alimente la pile en hydrogène et en oxygène. On constate l'apparition d'une tension électrique entre les deux pôles : nous sommes en présence d'un générateur de courant. Néanmoins, afin de créer cette tension électrique, la pile nécessite la présence d'une anode et d'une cathode (les électrodes) ainsi qu'un électrolyte séparant les électrodes. L'électrolyte est une substance conductrice qui joue un rôle de barrière, favorisant le passage des ions vers la cathode et bloquant le passage aux électrons ( l'électrolyte est sélectivement perméable au ions H + ). Le combustible à base d'hydrogène H 2 est amené sur l'anode. Là, H 2 va se transformer en ions H + et en électrons suite à l'oxydation. H 2 -------------------> 2 H + + 2 e - D'un côté, les électrons vont gagner la cathode par un circuit conducteur externe, déviés par la membrane imperméable à ceux-ci qui sert d'électrolyte. C'est ce passage d'électrons dans un parcours externe qui va générer un courant électrique. Par ailleurs, les ions H + traversent l'électrolyte et parviennent à la cathode. À la cathode, du gaz O 2 est injecté. Mis en contact avec les électrons et les ions H +, le dioxygène va réagir et on va apercevoir la formation d'eau H 2 O. 2 H 2 + O 2 -------------------> 2 H 2 0 Cependant, la tension électrique produite ne dépassera jamais 0,7 V par cellule. C'est pourquoi il faut réaliser cette réaction en série pour obtenir la tension requise. 13
D.3.1. Avantages Si les piles à hydrogène commencent à avoir un tel succès, c'est grâce aux nombreux avantages qu'elles possèdent. En effet, ces générateurs d'énergie semblent être une réelle solution pour une production d'électricité moins polluante. Premièrement, les piles à hydrogène ont un rendement énergétique très important. Le rendement électrique d'une telle pile peut atteindre au maximum 50 % à 60 % selon le type de pile - ce qui est très élevé pour un générateur d'électricité. Par comparaison, un moteur thermique a un rendement maximum de 30 %. Le rendement électrique indique le pourcentage d'énergie que restitue un système. Le reste de l'énergie, qui est convertie en chaleur, peut toujours être réutilisé dans les autres circuits de la voiture (chauffage,...). Avec l'emploi de cette chaleur, le rendement atteint les 80 %. Deuxièmement, les émissions polluantes d'une pile à hydrogène sont très faibles voire inexistantes. La réaction interne à base d'hydrogène et d'oxygène qui produit de l'électricité ne produit comme seul résidu que de la vapeur d'eau. Ainsi, cela permet une amélioration de la qualité de l'air et cela réduit la production de gaz à effet de serre (CO 2 ). Troisièmement, la pile est silencieuse, contrairement aux moteurs thermiques (ou autres). Effectivement, il n'y a pas de pièces en mouvement dans la pile à hydrogène. C'est un atout primordial pour le consommateur car il permet une réduction de la pollution sonore. Ensuite, elle fonctionne à basse température. Pour la plupart des applications de cette pile, la température interne du moteur n'atteint jamais plus de 80 C et la température à la sortie du pot d'échappement pour les véhicules ne dépasse pas les 110 C - quand un moteur diesel dépasse les 800 C. Finalement, les piles ne nécessitent que peu d'entretien et ont une taille réduite. Elles prennent peu de place, le rendement étant élevé (il en faut moins). Rappelons que les piles ne provoquent peu ou pas de mouvements, ce qui ne crée donc aucune usure. D.3.2. Inconvénients La pile à hydrogène parait être la solution pour l'avenir. Toutefois, elle ne présente pas que des atouts. Le plus grand de ses désavantages est peut-être (et même sûrement) son coût. Une telle pile coûte cher car elle nécessite la présence de matériaux coûteux. Tout d'abord, il y a la membrane perméable aux ions H + qui coûte à elle seule 35 % du coût de la pile. L'efficacité de cette membrane dépend de la fine couche catalytique qui recouvre ses 2 faces. À base de platine, ce revêtement représente la majeure partie du prix de la pile. Cela reste la principale préoccupation des chercheurs : diminuer considérablement les coûts. La pile à hydrogène n'a pas une durée de vie très longue. En effet, le catalyseur ne supporte que très peu d'impuretés dans le combustible, lesquelles le rendent inopérant. Elle ne suffit qu'à quelques dizaines de milliers d'heures. Aujourd'hui, il faudrait qu'elle ait une durée de vie de plus de 40 000 heures pour pouvoir concurrencer les autres technologies (par exemple le moteur 14
thermique). De plus, le changement d'une pile coute également très cher, ce qui, là encore, n'est pas à l'avantage du produit. Il ne faut pas oublier que pour améliorer ces piles, il faut également repenser leur recyclage. Par ailleurs l'hydrogène est un gaz, ce qui rend donc le stockage de celui-ci (en grande quantité) assez difficile dans les voitures. Cependant, plusieurs types de stockage existent : le stockage sous forme gazeux (en comprimant le gaz à très forte pression), le stockage liquide (à très basse température, amenée par l'énergie du moteur. Mais il faut faire attention car c'est le tiers de l'énergie récupérable qui est utilisée pour le refroidissement de l'hydrogène) et le stockage moléculaire (éponge à hydrogène). Notons également que l'hydrogène est un gaz très inflammable : il ne faut donc pas que la voiture devienne une bombe. En plus de ces défauts, qu'en est-t-il de l'approvisionnement et de la production de l'hydrogène? Pour ce qui est de l'approvisionnement et de la distribution de l'hydrogène aux consommateurs, un service de stations-service doit être mis en place (mais nous parlerons de ce problème plus tard dans le travail). D'autre part, bien que l'hydrogène est l'élément le plus abondant de notre planète (sous forme d'eau): il n'est pas directement disponible tel qu'on en a besoin. D.4. La production de l'hydrogène Comme cité précédemment, la présence de l'hydrogène sous forme de H 2 gazeux est problématique. L'hydrogène n'est présent sur terre qu'à l'état combiné sous forme d'eau H 2 O ou d'hydrocarbures. Premièrement, on peut obtenir le dihydrogène par une extraction chimique des hydrocarbures fossiles : Réaction entre la vapeur d'eau H 2 O et le méthane CH 4. Cette opération s'appelle le vaporeformage et vise à transformer une molécule d'hydrocarbure en d'autres composants. Le principe est le suivant : en présence de vapeur d'eau et de chaleur (réaction qui se passe à 750 C-850 C), les atomes carbonés du méthane se dissocient sous la pression de la vapeur d'eau. Après la réaction, ils se reforment séparément pour obtenir CO et H 2. CH 4 + H 2 0 -------------------> CO + 3H 2 Ce procédé est le plus couramment utilisé pour former de l'hydrogène. Par contre, en utilisant les hydrocarbures, nous sommes toujours dépendants du pétrole, alors que, justement, l'objectif est de diminuer au maximum l'utilisation du pétrole et des sources d'énergie fossile. Deuxièmement, on peut également obtenir du dihydrogène à partir d'eau, en toute indépendance du pétrole : 1 - Par la thermochimie. Une telle réaction est réalisable lorsque l'on porte l'eau à très haute température. Le seul apport nécessaire dans ce cas est de la chaleur. Toutes les réactions thermochimique peuvent être résumées par la formule suivante : 2H 2 O -------------------> 2H 2 + 0 2 15
2 - L'électrolyse de l'eau. Cette réaction consiste à soumettre les réactifs (l'eau, qui est un réactif très présent) à un courant électrique afin de pouvoir décomposer l'eau H 2 0 en nouvelles molécules : le dihydrogène (qui est recherché) et le dioxygène. Cette réaction peut s'écrire sous la même forme que les réactions thermochimiques. L'électrolyse de l'eau donne cependant l'impression de tourner en rond. De fait, on dissocie de l'eau en molécules de dihydrogène et de dioxygène pour ensuit revenir, à la fin du processus, à une production de vapeur d'eau. Cela implique obligatoirement une perte d'énergie. Remarquons enfin qu'aucune de ces réactions n'est spontanée. Elles ont toutes besoin d'un approvisionnement en chaleur ou en électricité pour lesquelles la production nécessite de l'énergie ce qui implique une certaine pollution. 16
E. Les avantages du véhicule électrique E.1. Absence directe de pollution Cet avantage est, sans nul doute, le plus important du véhicule électrique. En effet, une voiture électrique n'émet, directement, aucun gaz polluant ou à effet de serre. E.2. Économie à l'usage Le véhicule électrique permet, par l'absence de carburant fossiles et couteux, une grande économie à l'usage. Il est nécessaire que le consommateur constate un gain financier lorsqu'il achète son véhicule, mais également lors de l'usage de ce-dernier. L'illustration suivante offre la possibilité de comparer le coût global d'un véhicule thermique et d'un véhicule électrique : Il est aisé, à l'aide de ce schéma, de comprendre et de repérer les paramètres les plus importants pour garder le véhicule électrique attractif. On observe que l'achat d'un véhicule électrique est mieux rationalisé par rapport à l'achat d'un véhicule thermique, aussi bien lors de l'acquisition que lors de l'usage. Pour maintenir ces performances presque optimales, il faut continuer à inciter l'achat de véhicules propres et revaloriser les batteries en fin de vie afin d'augmenter leur valeur résiduelle. Mais rouler en véhicule électrique, ça reste toujours un plein à payer, il faut l'admettre. En tout et pour tout, cela ne vous coutera que 2 euros pour faire 100 km. Il est déjà loin le jour ou l'essence était à ce prix! E.3. Facilité d'entretien / d'utilisation Quel conducteur ne s'est encore jamais plaint d'avoir à payer son entretien, de devoir changer continuellement des pièces usées? Sûrement un conducteur de véhicule électrique. Mais quelles différences existent-elles entre le véhicule thermique et le véhicule électrique? Ci-dessous, un tableau comparatif a été dressé afin de mieux comprendre cette facilité d'entretien. 17
Pour quel véhicule? Quel élément? Éléments communs aux véhicules thermiques et électriques Les amortisseurs Quel que soit le véhicule, il y aura toujours des amortisseurs. Les amortisseurs seront entretenus de la même manière dans un véhicule électrique ou thermique. Cependant, ils ne seront pas sollicités de la même manière selon la position du moteur et des batteries. La transmission Les pneumatiques Les freins Une voiture électrique possède un mode de transmission plus simple : la boite de vitesse se limitant juste à un réducteur. Ce réducteur nécessite de l'huile, et donc un entretien régulier tous les 50 000-60 000 km. Bien évidemment, les pneus subiront de l'usure quel que soit le véhicule. Toutefois, cette usure sera moindre dans un véhicule électrique. En effet, la conduite étant plus douce (par souci d'autonomie), la puissance est uniforme,les pneus sont moins sollicités. Le système de freinage des deux types de véhicules est bien différents. Effectivement, le système d'alimentation d'une voiture électrique récupère une majorité de l'énergie cinétique lors du freinage électrique; les freins mécaniques, eux, sont moins usés (-50% d'usure des plaquettes). Spécifique aux véhicules électriques Le moteur Les batteries L' humidité Les nouvelles générations d'automobiles électriques utilisent désormais un moteur sans balais. Ces moteurs permettent de s'affranchir de tout entretien. En effet, on estime qu'un moteur électrique peut, aujourd'hui, parcourir 3 à 4 millions de km. De plus, il est composé de très peu de pièces mobiles, mois de 10 contre quelques milliers dans une voiture classique. La batterie au lithium ne nécessite pas d'entretien au quotidien. Cependant, les batteries ne sont pas éternelles, elles ne supportent qu'un nombre défini de cycles de charge et de décharge. Ce nombre dépassé, la batterie perd une part non négligeable de ses performances. L'électricité et l'eau n'ont jamais fait bon ménage. C'est pourquoi il faut faire extrêmement attention, car leur association est très dangereuse pour l'homme. Même si les véhicules sont étanches, il faudra faire attention à limiter les fortes projections d'eau sur le véhicule et les batteries (je ne parle pas, bien sûr, de la pluie mais bien de quantités extrêmement grande d'eau). La maintenance L'entretien d'un véhicule électrique nécessite énormément de prudence. En effet c'est un travail «sous tension». Cela signifie qu'une partie de l'entretien doit être faite par un professionnel spécialement formé pour ce nouveau type de mobilité. Toutefois, l'entretien de base reste faisable par un particulier. L'entretien d'une automobile électrique par rapport à celui d'un véhicule thermique représente un économie de près de 60%. Le développement de la voiture électrique va permettre au petits garagistes de se développer : des formations nouvelles, des installations à la pointe de la technologie,... Voici encore un point fort de la voiture électrique. E.4. Confort La voiture électrique apporte un confort plus important. Les moteurs électriques sont silencieux. Il n y a pas d embrayage, donc très peu de risques de caler, ce qui facilite la conduite. Un moteur électrique n a pas besoin de chauffer, ainsi, même à basse température, le véhicule démarre rapidement. Voici trois caractéristiques que n importe quel conducteur accueillera à bras ouverts. 18
Mais l'absence de bruit est un avantage qui peut malheureusement devenir dangereux. En effet, les piétons, étant habitués à entendre les voitures arriver, ne font désormais plus confiance qu'à leur capacité auditive lorsqu'ils se déplacent. Avec l'arrivée de véhicules n'émettant aucunes pollutions sonores, ce sont les piétons qu'il va falloir «rééduquer» afin d'éviter de nombreux accidents. 19
F. Les inconvénients du véhicule électrique F.1. Recyclage des batteries Le développement des véhicules électriques impose désormais le perfectionnement d'une. filière de recyclage spécifique aux batteries des voitures électriques, principalement au lithiumion. La question du recyclage reste encore en suspens bien que la réutilisation et le recyclage des composants des batteries en fin de vie permettraient de boucler la «boucle verte» du véhicule électrique. Mais pourquoi devrions-nous recycler ces batteries? Le marché du recyclage des batteries de véhicules électriques est relativement libre, cela pourrait donc permettre une évolution de ce même marché vers une meilleure concurrence. Les batteries au lithium devraient, selon les estimations, représenter plus de 90 % du marché des batteries automobiles dès 2020. Afin de ne pas commettre les mêmes erreurs que celles commises avec les énergies fossiles. De fait, le lithium n étant pas inépuisable, il apparait indispensable de le recycler - surtout que celui-ci est recyclable à 100%. Le recyclage est un facteur important dans la réduction du coût d'un véhicule électrique, si il est correctement réalisé (mise en place d'une filière complète). Bien que le recyclage d'une batterie au lithium permet de récupérer une série de métaux (manganèse, nickel, fer, cuivre et aluminium), ceux-ci sont malheureusement de moindre valeur. Dès lors, la rentabilité de la filière n'est pas encore concevable. C'est avec l'augmentation du cours du prix du lithium suite à sa forte exploitation que la filière se développera réellement. F.2. Pollution indirecte Se déplacer au moyen d'un véhicule électrique permet de réduire considérablement les émissions de CO 2. Cependant, il subsiste une ombre sur cette mobilité verte : la provenance de l'électricité. Nous sommes face à une pollution indirecte de la voiture électrique. Pour commencer, voici la répartition de la capacité de production de l'électricité en Belgique en 2010 : 35 30 25 20 15 10 5 0 Gaz naturel 20 % Cogénération 11 % Hydraulique 1 % Photovoltaïque 4 % Centrales Nucléaires 33 % Centrales à charbon 2 % Centrales de pompage 7 % Eolien 5 % Autres (Importées,...) 17 % Source : CREG 20
Ce diagramme montre que seulement 10 % de la production d'électricité en Belgique provient de sources renouvelables. Dès lors, il nous est impossible d'affirmer que l'électricité belge est propre, malgré les promesses de nos fournisseurs d'énergie. Toutefois, en Belgique il nous est possible, au moyen d'un contrat spécial, de pouvoir utiliser une électricité 100 % verte (par ex.: contrat «Vert Plus» chez Electrabel). Cela semble être la meilleure solution pour rouler sans aucune émission de gaz à effet de serre, du puits au moteur. Mais est-ce le cas? Non, pas toujours. On peut avoir souscrit à un contrat vert et consommer de l'électricité ne venant pas nécessairement de sources renouvelables. En effet, en Belgique, les producteurs d'électricité sont autorisés à vendre de l'énergie provenant de source fossile ou nucléaire au nom d'énergie verte. Il leurs suffit tout simplement d'acheter des labels écologiques auprès d'autres fournisseurs européens, qui eux, produisent réellement de l'énergie verte (électricité importée). Dès lors, il apparait que le consommateur croit parfois être approvisionné en électricité verte alors que ce n est pas le cas. De plus, les énergies renouvelables sont : Plus chères que les autres. Prennent énormément de place. Si, par exemple, nous devions alimenter toute l Europe avec de l'énergie provenant de panneaux photovoltaïques, il faudrait couvrir toute la surface du Benelux. Elles sont intermittentes dans le sens où les éoliennes ne peuvent fonctionner qu en présence de vent, les panneaux photovoltaïques en présence de soleil. Une voiture électrique produira donc tout de même des gaz à effet de serre, même avec une électricité dite «verte». F.3. Ressources Les batteries d'un véhicule électrique sont généralement des accumulateurs lithium-ion car le lithium est le métal le plus léger et il possède également des propriétés électrochimiques optimales ( ce qui lui procure une densité énergétiques deux fois supérieure au Ni/Cd). L'émergence de la voiture électrique va modifier les enjeux géopolitiques de notre monde actuel. En effet, il faudra désormais tenir compte de nouveaux acteurs : les pays producteurs de lithium, un métal devenu indispensable au bon développement de cette nouvelle mobilité, la mobilité électrique. Ces nouveaux acteurs - tels que le Chili, la Chine et la Bolivie - constituent à eux seul la majorité des réserves mondiales de lithium. La demande de ce métal a considérablement augmenté ces dernières années; le lithium est donc devenu un secteur d'avenir dans ces pays en plein développement. Réserves mondiales de Lithium en 2010 40 30 20 10 0 Bolivie 35 % Chili 29 % Argentine 10 % Chine 10 % Australie 3 % USA/Canada 10 % Autres 3 % 21 Source : Daimler-Benz