La longue histoire de la voiture électrique et de ses constituants

24/12/2017
Publication REE REE 2017-5
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La longue histoire de la voiture  électrique et de ses constituants

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REE N°5/2017 Z 113 RETOUR SUR ❱❱❱❱❱❱❱❱❱ Adrien Foucquier1 e t Yves Thoma s2 Rédacteur scientifique indépendant1 Professeur émérite à l’Université de Nantes2 Après plusieurs échecs observés depuis 120 ans, la voiture électrique est probablement en train de réussir, pour des raisons technologiques, écologiques, indus- trielles et politiques. Dans cet article, on s’interroge sur cette perspective en relatant l’histoire des constituants existants ou potentiels qui prennent part au cycle éner- gétique du véhicule électrique, de l’alimentation en électricité in situ à sa conversion en énergie mécanique. C’est le développement de ces constituants qui a permis à l’électromobilité d’avoir été envisagée très tôt et qui ne cesse d’influer sur son évolution. Il faut néanmoins diffé- rencier deux catégories de dispositifs, qui se distinguent par leurs rôles au sein du système, mais également par les enjeux auxquels ils sont associés : s d’une part, les moteurs électriques et les systèmes électroniques. Par un rendement de conversion énergétique élevé (environ 80 % contre 20 à 25 % pour un moteur thermique) et une pollution so- nore et atmosphérique faible, le moteur électrique présente des caractéristiques particulièrement at- trayantes. Bien que son coût de production puisse encore constituer une limite, il s’agit d’un atout tech- nique essentiel de l’électromobilité ; s d’autre part, les dispositifs susceptibles de stocker l’énergie au sein des véhicules (batteries, piles à combustible, supercondensateurs) constituent, en- core aujourd’hui, la principale limite technique à la démocratisation à grande échelle des véhicules de transport personnel électriques. L’aspect technique n’est cependant pas le seul à prendre en compte, l’évolution des paysages socio- économiques doit être analysée pour comprendre la situation dans sa globalité. La voiture électrique a 120 ans : des débuts prometteurs à un déclin inévitable Au moment de l’émergence du secteur automo- bile, à partir des années 1880, le choix entre élec- tricité, essence et vapeur n’est pas encore tranché. Plusieurs éléments peuvent expliquer le caractère attrayant de la filière électrique dès cette époque. A l’aube des années 1890, les performances des véhicules à essence sont d’ores et déjà louées par nombre d’observateurs et auraient pu laisser entrevoir leur domination rapide sur le marché. Mais l’objectif La longue histoire de la voiture électrique et de ses constituants Figure 1 : Deux voitures de Postes parisiennes Mildé, livrées le 16 octobre 1904. Sources : Collection Jules Beau, t. 28, image 42, F.19v, Bibliothèque nationale de France, 1904. 114 ZREE N°5/2017 ❱❱❱❱❱❱❱❱❱❱❱ RETOUR SUR de l’automobile est alors de remplacer les voitures hippo- mobiles dans les zones urbaines et l’utilisation du moteur thermique ne semble pas adaptée à une circulation en ville : la consommation de carburant est élevée, la fumée nauséa- bonde et le démarrage fastidieux. On ne peut pas en dire autant du moteur électrique. Propre et pratique, son utilisa- tion peut, en prime, sembler familière au grand public du fait de ses similitudes avec le « moteur animal » : la recharge des batteries s’apparente au ravitaillement des chevaux. L’alliance entre l’automobile et l’électricité prend, par ail- leurs, tout son sens car elle s’inscrit dans un élan de mo- dernité, en alliant deux secteurs émergents très en vogue. Cette association se présente donc comme une évidence, en accord avec le renouvellement de l’urbanité auquel la société fait face en cette fin de XIXe siècle. En 1899, la première voiture à dépasser les 100 km/h est un modèle électrique, la Jamais contente de Camille Jenatzy. En effet, au cours des années 1890, des courses inédites, les « concours de voitures sans chevaux », voient le jour et viennent promouvoir l’automobile auprès du public. La presse s’empare rapidement des évènements et relaye avec enthousiasme les performances des différents véhicules. La traction électrique n’a pas à rougir devant son équivalent thermique et certains voient le secteur automobile se diriger vers un partage durable et égalitaire entre ces deux modes de traction. C’était sans compter sur un changement d’état d’esprit de la population. L’idée de voyage personnel va prendre une nouvelle dimension jusqu’à élargir les perspectives de l’automobile au-delà de la sphère urbaine. Et sur le plan de l’autonomie, ce sont les véhicules à moteurs thermiques qui s’imposent. Avec la commercialisation de la Ford T par la Ford Motor Company à partir de l’année 1908, la voiture à essence devient plus accessible, contrairement aux modèles électriques dont les coûts de production restent très élevés. Le « fordisme » inspirera par la suite d’autres constructeurs américains et européens, tels que Renault, qui adopteront rapidement la même philosophie de travail. Peu à peu, la mise en place d’un réseau organisationnel et économique prend forme et scelle le destin de l’automobile au XXe siècle. Le nombre de véhicules électriques sur les routes des USA est divisé par 4 entre 1899 et 1924 (de plus de 1 500 à moins de 400) ; celui des voitures à essence augmente de manière importante (d’environ 900 à plus de trois millions). Entre 1930 et la fin des années 1950, les quelques appli- cations concrètes de mobilité électrique sans fil se limitent quasi exclusivement à certains modèles de poids lourds (bus, camion ou tramway) ou à des véhicules urbains de livraison. Dans les années 1960, la pollution atmosphérique com- mence à inquiéter. Des mouvements environnementaux naissent aux Etats-Unis et exercent une pression sur les gou- vernements. Forte de sa popularité du moment, la pile à combustible est majoritairement considérée comme le choix le plus pertinent mais les contraintes techniques, induites par une maîtrise encore partielle du système, poussent la majorité des constructeurs à ne pas franchir le pas de l’industrialisation. Les chocs pétroliers de 1973 et 1979 ne changeront pas la donne : face à la forte hausse du prix du pétrole, l’option la moins contraignante, consistant à améliorer les véhicules à moteur thermique, ressort victorieuse. Quelques modèles de véhicules électriques, principale- ment alimentés par des batteries plomb-acide apparaissent tout de même dans les années 1970. La plupart d’entre eux seront néanmoins victimes de leurs performances limitées et du manque de popularité de la filière électrique : leurs productions seront rapidement stoppées. Ces nombreux échecs se succéderont alors jusqu’à ce que les conditions environnementales, énergétiques et éco- nomiques deviennent assez préoccupantes pour qu’à partir des années 2000, de réels changements commencent fina- lement à s’opérer pour aboutir à l’offre proliférante en cours. Mais encore de nos jours, le principal attrait technique reste sensiblement le même que par le passé : la conversion de l’énergie électrique en énergie mécanique. Le point fort de la voiture électrique semble bien provenir de son moteur. Le moteur électrique a 200 ans : il a bénéficié de nombreuses innovations Le début du XIXe siècle est marqué, notamment grâce à Ampère, par les expériences conduisant aux lois de l’électro- magnétisme : en 1821, le concept de moteur apparaît avec Michael Faraday, puis en 1822, avec la roue de l’anglais Peter Barlow. Il s’agit des premiers véritables dispositifs au sein desquels l’interaction d’un champ magnétique et d’un cou- rant électrique permet de créer un mouvement mécanique, conformément à la loi de Laplace. En 1831, Faraday fait passer un cap considérable à la con- naissance de l’électromagnétisme en découvrant l’induction électromagnétique qui correspond, en quelque sorte, à l’ef- fet inverse. Il montre ainsi qu’il est possible de « convertir le magnétisme en électricité ». Après de premières tentatives infructueuses de commercialisation de moteurs électroma- gnétiques dans les années 1830, une succession d’inno- vations prend forme au cours des décennies suivantes et prépare le terrain à la conception de la dynamo par Zénobe Gramme. Ce dernier propose ainsi en 1869 un nouveau type d’enroulement, après avoir inventé le collecteur permettant la connexion électrique entre la partie statique, le stator et la partie mobile, le rotor. Le stator est un cadre métallique muni REE N°5/2017 Z 115 La longue histoire de la voiture électrique et de ses constituants de quatre bobines qui concentrent le champ magnétique dans le rotor. Les dynamos de Gramme présentent des ren- dements particulièrement élevés, avoisinant les 80 %. Elles fournissent un courant fiable et constant pour une durée de vie élevée, de l’ordre d’une dizaine d’années. Le succès com- mercial est considérable. Associée au développement des nouvelles applications de l’électricité, la dynamo constitue le principal élément fondateur de l’électrification de la société à grande échelle qui prend forme à la fin du XIXe siècle. En concomitance avec ces multiples développements technologiques, cette période, allant de 1830 à la fin du XIXe siècle, voit s’épanouir la théorie complète de l’élec- tromagnétisme. Outre le concept d’induction, les notions de « lignes de forces magnétiques » et « lignes de forces électriques » sont introduites en 1839 par Faraday pour désigner l’environnement particulier qui entoure un aimant ou un corps chargé électriquement. Il propose ainsi une théorie pour expliquer les interactions électromagnétiques mais il faut attendre les recherches de James Clerk Maxwell pour voir la mathématisation de ce concept, à partir du début des années 1860. Maxwell introduit par ailleurs la notion de « champ magnétique ». Son Traité d’électricité et de magnétisme, paru en 1873, constitue une avancée majeure pour la compréhension des phénomènes électro- magnétiques avec, notamment, la mise en évidence d’une nature identique entre la lumière et les ondes électroma- gnétiques. Dans les années 1890, Hendrik Lorentz propose une formulation de la force qui s’exerce sur une particule chargée (microscopique) en mouvement dans un champ magnétique. Dans les années 1880, la mise à disposition d’énergie électrique sous forme alternative ouvre la voie à la concep- tion de moteurs industriels à courant alternatif. En 1887 et 1888, Nikola Tesla dépose des brevets renfer- mant de multiples innovations de moteurs à champ tournant. Il y expose plusieurs variantes de moteurs et de générateurs synchrones et asynchrones, les concepts de courants alterna- tifs biphasés et triphasés ainsi que les réseaux de distribution associés. Ces brevets peuvent être considérés comme l’acte fondateur de l’électrotechnique moderne. Au début du XIXe siècle, trois types de moteurs électriques sont ainsi disponibles : les machines synchrones dont la vi- tesse de rotation est fixe et proportionnelle à la fréquence des courants d’alimentation, les moteurs asynchrones sus- ceptibles de démarrer sans dispositif supplémentaire et de fonctionner directement sur le réseau alternatif, les machines à courant continu et à collecteur. En cette période, toutes ces machines vont être largement utilisées pour l’électromo- bilité : trains, métros, voitures, puis plus tard les paquebots. C’est alors qu’apparaît en 1904, à la suite des travaux de Thomas Edison et Joseph Thompson le premier tube élec- tronique : la diode, qui permet le redressement d’un courant alternatif en un courant continu. En 1906, Lee De Forest in- vente la triode qui permet de moduler et d’amplifier un cou- rant et qui constitue l’ancêtre du transistor semi-conducteur, mis au point en 1947 par John Bardeen, William Shockley et Walter Brattain. A partir des années 1960, l’invention des semi-conducteurs de puissance (diodes, thyristors, transis- tors de puissance, etc.) engendre des possibilités nouvelles dans le conditionnement de l’énergie électrique (tensions, Figure 2: Roue de Barlow. Source : ESPE Rangueil – Université Toulouse Jean Jaurès. Figure 3 : Dynamo de Gramme. Souce : Sylvain Pelly, Cnam – Musée des arts et métiers. 116 ZREE N°5/2017 ❱❱❱❱❱❱❱❱❱❱❱ RETOUR SUR courants, fréquences). Il devient possible d’agir, avec très peu de pertes, sur les paramètres régissant la vitesse de rotation des moteurs, de les alimenter par des sources de courant et de tension d’amplitudes et de fréquences variables. On abou- tit ainsi à la fin du XXe siècle à des systèmes électroniques de contrôle-commande, miniaturisés et programmables, des machines électromagnétiques embarquées. L’électronique de puissance trouve par ailleurs un intérêt dans la conception des alimentations phase par phase des machines, permettant de diviser la puissance motrice glo- bale par un facteur a priori arbitraire et d’agir sur des perfor- mances annexes de la conversion d’énergie (perturbations harmoniques, vibrations, etc.). L’émergence de l’électronique des semi-conducteurs n’est pas le seul apport technologique ayant permis l’op- timisation des moteurs électriques. Un grand nombre d’innovations propres à ces systèmes sont à citer. De meilleurs rendements sont obtenus grâce à l’améliora- tion des différents types de matériaux qui composent les machines : les matériaux ferromagnétiques doux, les matériaux supraconducteurs massifs, les fils supraconduc- teurs, les matériaux isolants utilisables à des températures élevées, les aimants permanents à base de « matériaux ferromagnétiques durs ». Par ailleurs, l’apparition puis le développement de puissants moyens informatiques de calcul et logiciels de simulation a conduit à une conception optimisée des structures électromagnétiques, thermiques et mécaniques des machines. Ces avancées successives se traduisent par une optimisa- tion constante des machines, une amélioration de leurs perfor- mances, rendement et puissance notamment. Les principales limites techniques des véhicules électriques ne proviennent donc pas de leurs moteurs et le stockage de l’électricité est identifié depuis longtemps comme un prérequis essentiel. Mais le problème du stockage embarqué de l’électricité est bien différent et malgré l’existence de plusieurs solutions, les contraintes persistent depuis le XIXe siècle. Le stockage embarqué de l’électricité, une problématique qui traverse les époques De la pile Volta aux batteries au lithium, un stockage d’électricité de type électrochimique en constante évolution La batterie d’accumulateurs est le dispositif le plus com- munément utilisé dans le domaine de la traction électrique sans fil. Ce type de dispositif a connu de nombreuses inno- vations depuis l’invention de la première pile par Alessandro Volta en 1799. C’est une nouvelle manière d’appréhender l’électricité qui émerge avec les travaux du célèbre savant italien. Le dispositif de Volta, composé d’un empilement de disques de cuivre et de zinc séparés par des disques de carton imbibés d’eau sa- lée, permet de générer une quantité d’électricité exploitable. Nous savons aujourd’hui que le fonctionnement de cet appareillage repose sur la libération d’électrons par les atomes de zinc : Zn = Zn2+ + 2 e- Les électrons ainsi produits se déplacent jusqu’aux disques de cuivre et réagissent avec l’eau contenue dans le disque de carton. Il se produit alors une réaction de réduction au cours de laquelle les électrons sont captés par les molécules d’eau : 2 H2 O + 2 e- = 2 HO- + H2 En reliant les fils métalliques connectés à chaque extré- mité, le circuit est fermé et la circulation des électrons en continu devient possible. L’énergie est ainsi stockée sous forme chimique avant d’être libérée sous forme d’énergie Figure 4 : Grande pile de Volta. Souce : Sylvain Pelly, Cnam – Musée des arts et métiers. REE N°5/2017 Z 117 La longue histoire de la voiture électrique et de ses constituants électrique lors d’un processus de décharge. On parle de stoc- kage électrochimique. Jusqu’à l’invention de la pile, la génération d’électricité se faisait uniquement au moyen de machines électrostatiques : des charges électriques de hautes tensions peuvent en effet être produites par le frottement d’appareils composés de ma- tériaux spécifiques. Les machines électrostatiques délivrent une tension élevée pendant un laps de temps très court : il n’y a pas de circulation continue de courant, uniquement une charge et une décharge. La pile fait, quant à elle, circuler un courant électrique de basse tension. L’électricité devient ainsi exploitable. C’est cette propriété qui lui a conféré un carac- tère révolutionnaire et a permis d’envisager une utilisation pratique. Mais l’invention de Volta comporte de nombreux défauts qui limitent son utilisation Dans le but d’améliorer le système, un certain nombre d’innovations voient progressivement le jour. L’objectif est de répondre à une demande naissante en sources de courant fiables induite par l’apparition de nouvelles technologies, comme le télégraphe. Parmi ces innovations, on trouve la pile Daniell, conçue en 1836 : la circulation du courant électrique gagne en fluidité et l’entretien devient moins fastidieux. Il faut néanmoins attendre 1859 et les travaux de Gaston Planté pour voir apparaître une avancée technologique ma- jeure qui ouvre la voie à une nouvelle ère des dispositifs de stockage d’électricité : la batterie d’accumulateurs. Contraire- ment à ses prédécesseurs, la batterie plomb-acide permet une succession de cycles charge/décharge. A partir des années 1870, l’utilisation de l’électricité commence à s’immiscer dans la vie quotidienne. Le potentiel de la batterie plomb-acide est reconnu mais des modifications s’avèrent rapidement néces- saires pour prétendre à une industrialisation à grande échelle. A partir de 1880, le système est amélioré. La batterie plomb-acide prend une autre dimension et diverses possibi- lités d’applications se manifestent. Une grande partie de ces travaux s’oriente vers le développement de technologies de traction électrique. Les limites techniques, notamment liées au poids, à l’autonomie ou à la durée de vie des dispositifs, restent prépondérantes. Le début du XXe siècle voit naître les premières batteries au nickel : dès 1901 des modèles nickel-cadmium et nickel- fer commencent à être commercialisés. Leur principal avan- tage réside dans leur durée de vie. Mais la densité d’éner- gie (Wh/kg), relativement faible, ne permet pas d’alimenter des appareils nécessitant une grande quantité d’énergie en continu sur une longue période. Les systèmes nickel-hydrure métallique apparaissent seulement dans les années 1970 et présentent une densité d’énergie 30 à 40 % supérieure. Mais ce sont bien les batteries lithium-ion, développées dans les années 1980 et commercialisées à partir des an- nées 1990, qui viennent véritablement ouvrir des possibilités d’applications dans le domaine de l’électromobilité. Avec un principe de fonctionnement basé sur la migration et l’inser- tion d’ions lithium au sein des électrodes, la densité d’éner- gie devient plus élevée, deux à cinq fois plus que dans la batterie nickel-hydrure métallique. Le volume est, quant à lui, réduit pour une quantité d’énergie fournie accrue. Il s’agit actuellement de la technologie privilégiée dans le secteur automobile, bien que des modèles Li métal à élec- trolyte polymère (LMP) existent et présentent des propriétés intéressantes. Les recherches ne cessent néanmoins de s’intensifier dans le but d’améliorer le système, encore loin d’être optimal. L’objectif principal étant d’augmenter la densité d’énergie et la durée de vie. Du point de vue de l’autonomie, l’écart reste encore si- gnificatif entre un véhicule à accumulateur et une voiture à essence. Un modèle électrique, aux standards des années 2014-2017, comme la Renault Zoé (batterie lithium-ion de 41 kWh, 135 Wh/kg), peut parcourir 300 km dans des condi- tions normales. Il faudrait théoriquement 1 000 kg de bat- teries de ce type pour un trajet de 1 000 km sans recharge. A titre de comparaison, un véhicule thermique nécessite en moyenne environ 50 kg d’essence pour 1 000 km de trajet. Pour atteindre un tel rapport masse/autonomie, il faudrait une batterie dotée d’une densité d’énergie d’environ 2 700 Wh/kg, soit près de 10 fois supérieure aux technologies ac- tuelles les plus performantes. La question des ressources en lithium mérite par ailleurs attention, au même titre que celle de cobalt, sans oublier au demeurant les terres rares entrant dans la fabrication des aimants des moteurs électriques modernes (praséodyme et dysprosium). Le recyclage est une voie qu’il faudra dévelop- Plomb- acide Ni-Cd Ni-MH Li-ion LMP Energie massique (Wh/kg) 30-50 50-80 60-120 100-265 Nombre de cycles charge/décharge 200-300 1 000 500-1 000 500-1 500 Tension nominale d’un élément (V) 2 1,2 1,2 3,6 Temps de charge (h) 6-12 1 2-4 1-4 Rendement énergétique 75 % 70-90 % 70 % 99 % Tableau 1 : Comparatif des caractéristiques actuelles des principaux systèmes de batterie. 118 ZREE N°5/2017 ❱❱❱❱❱❱❱❱❱❱❱ RETOUR SUR per à moins qu’il ne faille compter sur un autre type de dis- positif électrochimique, que l’on rencontre de nos jours dans le secteur de l’électromobilité, la pile à combustible. La pile à combustible, un système a priori attrayant mais aux multiples contraintes La technologie pile à combustible est connue depuis près de deux siècles. La gas voltaic battery est conçue en 1839 par William Robert Grove. Le principe est simple : la réaction entre l’oxygène et l’hydrogène produit de l’eau et un courant électrique. Le système parait particulièrement attrayant mais le développement d’autres technologies sujettes à des condi- tions d’utilisation plus favorables (la pile Daniell notamment) ne permet pas à la pile de Grove de s’imposer. Il faut attendre l’année 1889 et les travaux de Ludwid Mond et Charles Lan- ger pour voir les premières véritables améliorations. Dans les années 1890, les relations entre les différents composants d’une pile à combustible (électrodes, électro- lyte, oxydant, réducteur, anion, cation) et leurs fonctions res- pectives au sein du processus électrochimique sont mises en évidence : les rôles de l’hydrogène et de l’oxygène dans la production d’électricité résident uniquement dans leurs caractères réducteur et oxydant et il est essentiel de favoriser le passage des ions dans l’électrolyte. Ces nouvelles connais- sances constituent le socle théorique qui conduira à l’optimi- sation pratique du dispositif. Le processus chimique qui prend forme au sein d’une pile à combustible est aujourd’hui admis comme tel : le dihydro- gène H2 cède deux électrons pour produire des ions H+ à l’anode : H2 = 2H+ + 2e-. Ces ions passent à travers l’électro- lyte pour réagir à la cathode avec le dioxygène. Les électrons circulent vers la cathode par le fil métallique qui fait la jonc- tion entre les électrodes. Une réaction de réduction prend forme : ½ O2 + 2H+ + 2e- = H2 O. Au cours du XXe siècle, des innovations de diverses natures et les premières applications de la pile combustible appa- raissent. Des modifications de composition de l’électrolyte et de conditions d’utilisation (température, pression) sont expéri- mentées. D’autres combustibles que l’hydrogène sont testés. Un modèle alcalin, au sein duquel une migration d’ions HO- prend forme, est ainsi développé à partir des années 1930 par l’ingénieur britannique Thomas Francis Bacon. Il s’agit de la première pile à combustible à être utilisée pour l’alimentation d’un véhicule terrestre, en 1959. A partir des années 1990, les recherches s’intensifient. Elles sont essentiellement basées sur les piles à oxyde solide (électrolyte solide, fonctionnement à haute température) et sur les piles à membranes polymère (elles utilisent des maté- riaux polymères favorisant le transfert des ions hydrogène et fonctionnent à basse température). Les principaux objectifs sont d’augmenter la durée de vie, d’améliorer les conditions d’utilisation et de diminuer les coûts de production. A l’heure actuelle, les piles à combustible utilisées pour les véhicules électriques sont exclusivement de type mem- brane polymère. Le coût de production des piles à combustible constitue aujourd’hui un des principaux freins à leur démocratisation au sein du secteur automobile, en raison notamment de la Figure 5 : Schéma de 1839 de la gas voltaic battery de Grove issue de le revue Philosophical Magazine - Source : W. R. Grove. REE N°5/2017 Z 119 La longue histoire de la voiture électrique et de ses constituants nécessité de recourir à des métaux précieux (platine ou pal- ladium) comme catalyseurs. Mais le problème majeur reste celui de l’approvisionnement en hydrogène. Contrairement à une batterie, l’énergie fournie par une pile à combustible pro- vient d’un composé extérieur au système électrochimique. La quantité d’énergie n’est donc pas limitée par la taille des élec- trodes mais par celle du réservoir. Néanmoins, l’hydrogène n’est quasiment pas accessible sous sa forme libre H2 , il est nécessaire de le produire à partir d’autres composés. Et cela nécessite une quantité importante d’énergie et engendre, avec les technologies conventionnelles de fabrication, des émissions de CO2 importantes. En effet, l’hydrogène utilisé actuellement, essentiellement dans l’industrie, est fabriqué à 95 % par reformage du méthane. Sachant qu’un véhicule à hydrogène requiert environ un kg de H2 pour parcourir 100 km, le bilan carbone global est de 100 g de CO2 par km, ce qui est peu inférieur à celui des voitures à moteur ther- mique mises aujourd’hui sur le marché. Il faut donc s’orienter vers l’hydrogène produit par électrolyse de l’eau. Cette filière évolue de façon positive : on sait faire à présent des élec- trolyseurs à membrane de quelques MW mais le coût de l’hydrogène produit reste un problème. Il faut actuellement compter entre 9 et 12 euros HT à la pompe pour un kg d’hydrogène, alors que le point d’équilibre pour l’usager est autour de 6 F TTC. La mise en place de réseaux de pompes et d’achemine- ment de l’hydrogène nécessiterait des investissements consi- dérables, difficilement imaginables aujourd’hui. Les bilans éco- nomique, écologique et énergétique restent ainsi difficiles. L’utilisation des piles à combustible et de l’hydrogène se heurte donc à de multiples contraintes et il faut aujourd’hui l’envisager surtout pour les flottes professionnelles : taxis, poids lourds, chariots et les transports en commun (autobus, chemin de fer, navires). Une autre technologie, basée sur un principe de fonction- nement différent pourrait venir assister les dispositifs électro- chimiques dans la quête d’une démocratisation de la voiture électrique : les supercondensateurs. De la bouteille de Leyde aux supercondensateurs : un autre type de stockage d’électricité pour un usage complémentaire de celui des batteries Le premier condensateur de l’histoire date de 1746. Il s’agit de la bouteille de Leyde : le récipient accumule de l’électricité au cours d’un processus de charge et il est ca- pable de la stocker puis de la restituer lorsqu’il est relié, de part et d’autre, par un matériau conducteur. L’appareil est rapidement perfectionné et il est montré que ce n’est pas l’eau qui stocke l’électricité, mais la surface du récipient. Une propriété essentielle est également mise en évidence : plus l’épaisseur de l’isolant est faible, plus la quantité d’électricité stockée est élevée. Mais il faut attendre les recherches de Michael Faraday dans les années 1830 pour pouvoir mettre en lumière un véritable principe scientifique de fonctionnement. Il dé- montre qu’un isolant, qu’il nomme désormais diélectrique, ne conduit pas l’électricité mais qu’il est soumis à des « lignes de forces électriques » (équivalent à ce que l’on appellera plus tard « champs électriques ») induit par sa proximité avec les conducteurs chargés. Au cours du XIXe siècle, les condensateurs sont exclusi- vement utilisés à des fins expérimentales. Vers la fin du XIXe siècle, des condensateurs de petite taille, utilisant du papier comme diélectrique, sont développés. Ils commencent à être produits industriellement au début du XXe siècle et peuvent être utilisés pour faire face aux brèves chutes de tension dues à la distribution de l’électricité à travers les lignes électriques. L’énergie emmagasinée par les condensateurs peut être res- tituée périodiquement pour pallier ces déficits. Pour ce type d’applications, l’utilisation des condensateurs est privilégiée par rapport à celle des batteries. Contrairement à une batterie, au sein de laquelle le volume de l’électrode est impliqué, les charges sont seulement stockées, dans le cas d’un condensateur, à la surface de l’électrode. Il n’y a pas de modification chimique. Il s’agit d’un stockage électrostatique. La quantité d’énergie qu’une batterie est capable de fournir est donc beaucoup moins limitée. La quantité d’énergie four- nie par unité de temps, la densité de puissance, est, quant à elle, logiquement plus élevée pour les condensateurs. Cela explique pourquoi leur utilisation est très intéressante quand une quantité d’énergie relativement élevée doit être restituée en très peu de temps. A partir de 1945, le papier est progressivement remplacé par des films plastiques polymères (polyester, polystyrène, polypropylène, etc.). Ces condensateurs présentent alors des capacités allant d’un nanofarad à quelques microfarads. Il faut attendre les années 1950 pour voir l’émergence d’un nouveau type de condensateur, le supercondensateur, qui permet d’envisager des applications requérant des quan- tités d’énergie beaucoup plus élevées. Le fonctionnement de ce dispositif est basé sur le prin- cipe de la double couche électrique, introduit en 1879 par Hermann Von Helmholtz. Il propose un modèle dans lequel deux couches de charges opposées se forment à l’interface entre l’électrode et l’électrolyte. Cette double couche peut jouer le rôle de diélectrique et sa très faible épaisseur (entre 0,3 et 0,8 nm) permet d’envisager des capacités particulière- ment élevées. Il faudra néanmoins attendre les améliorations 120 ZREE N°4/2012 ❱❱❱❱❱❱❱❱❱❱❱ RETOUR SUR successives du modèle pour voir une véritable exploitation de cette technique à des fins pratiques. Le premier supercondensateur apparaît en 1957 mais la production industrielle ne débute qu’en 1978. Les modèles proposés présentent une tension aux bornes de 5,5 V pour une capacité de quelques farads. Les modèles actuels at- teignent plusieurs milliers de farads. Jusqu’en 2010, l’utilisation des supercondensateurs dans le domaine de la traction 100 % électrique se limite quasi exclusivement aux bus et tramways. Depuis 2013, des pro- totypes de voitures électriques, tels que la Volvo S80, sont développés par différents constructeurs : des superconden- sateurs sont utilisés, dans les systèmes de type “stop & start”, pour récupérer l’énergie lors de la décélération et servent pour le redémarrage et les fortes accélérations. Des batteries s’occupent du reste. A l’avenir, la composition des voitures électriques pourrait davantage s’orienter vers une répartition des tâches entre les deux dispositifs. Outre la perspective d’une amélioration des performances des véhicules (autonomie et vitesse maximale), la possibilité d’un allègement des systèmes de batteries de- vient ainsi envisageable. L’association supercondensateurs- batteries pourrait donc représenter une solution intéressante. Aucune des technologies actuelles de stockage embarqué de l’électricité ne semble pouvoir s’imposer comme solution optimale et définitive. Les batteries d’accumulateurs ont vrai- semblablement pris le leadership sur le marché de l’électro- mobilité sans fil. Mais les performances des véhicules à accu- mulateurs pourront-elles être améliorées, du point de vue de l’autonomie, jusqu’à pouvoir égaler celles des véhicules ther- miques ? Certes, le temps de recharge pourrait venir com- penser les limites liées à l’autonomie. Il atteint entre 5 et 8 heures sur des prises classiques mais des recharges rapides, permettant à la batterie de récupérer 80 % de son éner- gie en moins de 30 minutes, sont possibles pour la plupart des modèles. Cependant avec seulement un peu plus de 5 500 bornes de recharges rapides réparties en Europe en juillet 2016, elles restent aujourd’hui encore relativement peu répandues. L’installation d’un réseau à très grande échelle sera-t-elle économiquement réalisable ? Le marché des véhicules à hydrogène n’en est, quant à lui, qu’à ses balbutiements, avec seulement quelques modèles produits en petites ou moyennes séries dans certains pays (la Toyota Mirai notamment) et à un coût encore très élevé. Les partisans de la filière hydrogène pensent que l’usage de bat- teries ne constituera qu’une phase transitoire dans l’attente d’une optimisation des systèmes de piles à combustible et de la mise en place d’un système de distribution approprié. La mobilité électrique par batteries mène la course en tête aujourd’hui mais Il reste difficile d’être formel quant à la tech- nologie qui pourrait s’imposer à long terme dans le cadre d’une démocratisation de masse de la voiture électrique. Figure 6 : Bouteilles de Leyde - Souce : Michèle Favareille, Cnam – Musée des arts et métiers. REE N°5/2017 Z 121 La longue histoire de la voiture électrique et de ses constituants Conclusion L’histoire de la voiture électrique et de ses organes consti- tutifs montre la relative lenteur (entre 100 et 200 ans) des processus d’innovation qui vont d’une découverte issue d’une idée ou d’un concept jusqu’à l’invention prototypée et finalement à l’innovation industrielle commercialisée. D’autre part, on a pu constater que les améliorations au cours du temps des performances des éléments constitutifs du sys- tème voiture électrique, sont très variables : spectaculaires pour les condensateurs et les systèmes électroniques de contrôle commande, remarquables pour les moteurs élec- triques, plus progressives pour les batteries, qui depuis les versions rechargeables, ont vécu des innovations incrémen- tales successives mais n’ont pas vraiment connu d’innova- tions radicales. Par exemple, une innovation radicale telle que celle du véhicule électrique Curiosity qui circulant sur Mars depuis 2012 avec son RTG (Radiosiotope Thermoelectric Generator), n’a pas besoin de recharge. Mais depuis 2010 environ, les performances des batteries classiques se sont tout de même sensiblement améliorées alors que, dans le même temps, leur coût a été divisé par un facteur quatre1 . Au moment où, face à la pollution des villes, l’émulation s’est emparée de tous les anciens et nouveaux constructeurs 1 Selon une étude publiée en juillet 2017 par BEF (Bloomberg New Energy Finance), le prix des batteries Li-ion conditionnées en packs est passé de 1 000 $/kWh en 2010 à 273 $/kWh en 2016. automobiles, la voiture électrique, après 120 ans d’existence chaotique, est aujourd’hui en train de connaître son véritable démarrage. On pourra cependant parler de réussite seu- lement quand le niveau de 30 à 50 % d’immatriculations annuelles de nouvelles voitures électriques, sera atteint, dans un premier temps dans les régions comme les USA, la Chine ou l’Europe. Il faudra aussi que les voitures électriques, que l’on dit propres, le soient réellement et soient en particulier, partout où elles se développeront, des voitures décarbonées. Il faut donc que la production d’électricité, actuellement carbo- née aux environs de 80 % dans le monde, connaisse une évolution structurelle plus rapide que celle que l’on observe aujourd’hui, notamment dans les grands pays. La vraie question qui se pose maintenant quant à la rapidi- té de l’évolution est celle-ci : qui va réellement piloter l’histoire à venir de la voiture électrique ? Les constructeurs actuels, les chercheurs et innovateurs, les acheteurs, les gouvernements, les écologistes, les lobbys pétroliers ? Sans douter d’une pro- gression lente mais nécessaire de la voiture électrique, on peut prévoir encore quelques crises et quelques régimes transitoires pour ce perpétuel objet d’avenir 2 . Q 2 NDLR : La REE dans son dernier numéro (REE 2017-4) a consacré tout un dossier complet aux perspectives de la mobilité électrique où nombre des questions relatives sont analysées ou évoquées. Le lecteur curieux pourra s’y reporter. Adrien Foucquier est rédacteur scientifique indépendant après avoir effectué des études en chimie puis en histoire et philosophie des sciences. Yves Thomas est professeur émérite à Polytech/Université de Nantes. A l’origine automaticien, il a managé plusieurs organismes d’enseignement supérieur et de recherche et participé à de nombreuses coopérations internationales. Depuis 2000, il contribue notamment à la mission nationale de sauvegarde du patrimoine scientifique et technique contemporain placé sous l’égide du Musée des Arts et Métiers (mission Patstec). Adrien Foucquier et Yves Thomas ont récemment publié une « Histoire de la voiture électrique et de ses constituants » (ISTE Editions Ltd Collection histoire des sciences et des techniques 2017, 152 p. - 30,45 F en version papier ; 9,90 F en version e-book). Dans cet ouvrage, réalisé dans le cadre de la mission patstec.fr, nos lecteurs trouveront de nombreuses références et illustrations. LES AUTEURS