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Stockage électrique : des ruptures technologiques qui vont nous faire changer de Monde

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Edito : Stockage électrique : des ruptures technologiques qui vont nous faire changer de Monde

Vendredi, 10/01/2020 - 00:00 0 commentaire
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Depuis trois décennies, la généralisation des voitures électriques se heurte à trois obstacles majeurs : le prix, l’autonomie et le temps de recharge. C’est pourquoi, en dépit d’efforts parfois importants en matière d’avantages fiscaux et de primes d’Etat, les voitures électriques peinent tant à s’imposer.

Au niveau mondial, seuls deux millions de véhicules électriques ont été vendus en 2019, un chiffre bien en deçà des prévisions qui tablaient plutôt sur 3 millions de voitures vendues. Cette situation résulte notamment de la suppression ou de la diminution des aides publiques, notamment en Chine et aux Etats-Unis. En revanche, 260.000 véhicules électriques ont été vendus en Europe l’année dernière, soit + 93 % par rapport à 2018, sans doute parce que notre continent a su mettre en œuvre des politiques publiques actives d’incitation à l’achat de ce type de véhicules qui restent intrinsèquement (en dépit de progrès réels), pour la plupart des marques, moins performants à prix égal que leurs homologues thermiques.

Fin 2019, on estimait qu’environ 7 millions de véhicules électriques roulaient dans le monde, soit à peine 0,5 % du parc mondial, un ratio équivalent à celui de la France, qui compte 215 000 véhicules électriques, pour un parc automobile total de 39,5 millions d’unités.

Mais, grâce à la baisse constante du prix moyen des voitures électriques et à plusieurs ruptures technologiques en cours, les véhicules électriques et hybrides pourraient totaliser 51 % des ventes mondiales de voitures en 2030, selon le Boston Consulting Group. Le célèbre cabinet prévoit qu’à la même échéance, 18 % des voitures qui circuleront dans le monde seront totalement électriques.

Selon Bloomberg NEF, les ventes annuelles de voitures électriques devraient atteindre les 10 millions en 2025, puis 28 millions en 2030, et 56 millions d'ici 2040. Bloomberg prévoit que la part de marché des véhicules électroniques prendra le pas sur celle des véhicules essence et diesel en 2037, pour opérer une bascule historique. En 2040, selon ce cabinet réputé, "57 % des ventes de voitures particulières seront électriques".

En France, les dernières prévisions tablent sur 4 à 6 millions de voitures électriques à l’horizon 2030, soit une voiture sur six. De son côté, Gilles Normand, Directeur de la division véhicule électrique du groupe Renault, vient d’annoncer un doublement de l’offre de mobilité chez Renault en 2020 et souligne que, dès 2022, il souhaite qu’une voiture sur cinq vendues par Renault soit électrique.

Pour parvenir à décupler leurs ventes de voitures électriques d’ici 10 ans, les constructeurs doivent cependant faire baisser le prix de production de leurs voitures électriques. Heureusement, le coût de production moyen des packs lithium-ion a déjà été divisé par sept depuis 2010, passant de 1190 dollars à 156 dollars. Et cette chute du prix des batteries (qui s’accompagne parallèlement d’une augmentation constante de leur puissance moyenne) va continuer : toujours selon Bloomberg NEF, le prix moyen du kWh pourrait passer sous la barre des 100 $ en 2024. En 2025, on estime que le coût moyen de la batterie représentera moins de 20 % du prix du véhicule électrique. A cet horizon, une voiture électrique, à puissance et à autonomie égales, deviendra donc moins chère à l’achat qu’un véhicule thermique.

Reste que, pour l’instant le stockage d’énergie dans le domaine des transports propres est massivement dépendant des batteries lithium-ion, qui sont à la pointe de cette technologie. Or ce type de batteries, bien que de plus en plus performant, pose de sérieux problèmes à la fois en amont (explosion de la consommation et concentration des réserves de lithium dans quelques pays) et en aval (difficultés de mise en place d’une filière complète de  recyclage massif). Curieusement, les industriels, comme les medias, évoquent peu la question, pourtant bien réelle, de la possible pénurie de lithium dans le monde. Pourtant il faut savoir qu’actuellement, environ un tiers du lithium produit sur la planète sert à fabriquer des batteries, soit environ 15 000 tonnes par an. Or, compte tenu de l’essor attendu de la mobilité électrique, mais également du développement prévu des installations de stockage massif d’énergie et du nombre d’appareils électroniques, la consommation mondiale de lithium risque d’atteindre au moins 750 000 tonnes par an dans moins de 20 ans. Sachant que les réserves mondiales de lithium techniquement et économiquement exploitables ne dépassent pas 14 millions de tonnes, cela signifie que, si l’on tient compte des quantités de lithium qui vont être consommées d’ici 2040 (environ 6 millions de tonnes), il resterait, à cette date, environ 8 millions de tonnes de lithium exploitables, ce qui ne représenterait – en supposant que la consommation mondiale se stabilise à 750 00 tonnes par an en 2040, ce qui est loin d’être acquis –que 11 ans de besoins mondiaux…

Les batteries et systèmes de stockage d’énergie reposant essentiellement sur le lithium sont donc condamnés à terme par la géologie et l’économie. Face à cette réalité, chercheurs et industriels redoublent d’efforts pour trouver des solutions techniques alternatives fiables et économiquement supportables et plusieurs ruptures technologiques en cours vont profondément bouleverser le paysage énergétique au cours de la prochaine décennie.

La première de ces ruptures concerne l’arrivée des batteries sodium-ion (Na-ion). Ce nouveau type de batterie a un prix de production sensiblement  plus faible que celui d'une batterie Li-ion (jusqu'à 30 % par élément). Toutefois, cette technologie ne peut pas rivaliser avec le Li-ion en termes de densité d’énergie (que ce soit par le poids ou le volume), mais elle est moins polluante et convient bien à de multiples applications. Elle pourrait par exemple s’imposer pour des applications stationnaires pour lesquelles la densité d’énergie n’est pas le critère déterminant. Cela est notamment le cas pour les grosses installations de stockage du surplus d'électricité généré par des sources d'énergie renouvelables telles que le solaire ou l’éolien. La start-up française Tiamat va commencer la production de petites séries de ces batteries sodium-ion. Les cellules de batterie sodium-ion fonctionnent sur le même principe que les batteries lithium-ion : au fur et à mesure des cycles de charge et de décharge, les ions sodium se déplacent d’une électrode à l’autre dans un milieu liquide.

Tiamat annonce ainsi une charge 10 fois plus rapide : 5 minutes au lieu de 4h et une durée de vie de l’ordre de 10 ans (4000 cycles d’utilisation). Si ces batteries ne sont pas compétitives en termes de densité d’énergie électrique (quantité d’énergie stockage par kilogramme), elles sont idéales pour des applications telles que les robots industriels ou encore pour le stockage de l’électricité sur les réseaux. Ces batteries Sodium-Ion présentent aussi le grand avantage de se passer du lithium et du cobalt, deux métaux présents dans les batteries lithium-ion, dont l’exploitation et l’utilisation posent de très sérieux problèmes d’atteintes à l’environnement.

Autre avancée majeure en cours, la technologie Lithium-soufre.  Début octobre, des chercheurs du NanoBio Lab (NBL) de Singapour ont annoncé avoir trouvé un moyen moins complexe et plus rapide pour développer des batteries au lithium-soufre. Rappelons que ces batteries au lithium-soufre présentent de nombreux avantages. Elles peuvent stocker jusqu'à 10 fois plus d'énergie que les batteries au lithium-ion, qui ont une capacité de stockage limitée. De plus, le soufre dispose d'une densité d'énergie théorique élevée et s'avère peu coûteux à extraire.

Reste que ce type de batterie n'était pas jusqu'à maintenant en mesure de maintenir une capacité de stockage plus élevée en raison des chargements et déchargements répétés de la batterie. Pour remédier à ce problème, l'équipe de chercheurs singapouriens à l'origine de la découverte présentée récemment a déclaré avoir élaboré une approche en deux étapes pour préparer la cathode, en construisant d'abord l'hôte carbone avant d'ajouter la source de soufre. En utilisant cette technique, l'équipe de chercheurs singapouriens a déclaré que leur cathode offre une capacité spécifique supérieure de 48 % à celle des cathodes au soufre préparées de façon conventionnelle. La cathode affiche ainsi une capacité de surface pratique élevée de 4mAh par cm2.

L'équipe de chercheurs a indiqué que sa cathode au lithium-soufre avait une capacité allant jusqu'à 1 220 mAh/g, ce qui signifie qu'un gramme de ce matériau pouvait stocker une charge de 1 220 mAh. En comparaison, une cathode lithium-ion typique a une capacité énergétique de 140 mAh/g. La cathode du laboratoire a également été en mesure de conserver sa capacité sur 200 cycles de charge, avec une perte de performance minimale. "Notre méthode devrait permettre de développer un système de cellules complet pour batterie lithium-soufre offrant une capacité de stockage énergétique supérieure à celle des batteries lithium-ion traditionnelles », précisent ces chercheurs.

Signe de la compétition technologique mondiale qui s’exacerbe dans ce domaine, une autre équipe, dirigée par le chercheur Mahdokht Shaibani, de l’Université Monash de Melbourne, vient également d’annoncer la mise au point d'une batterie Lithium-soufre d’une capacité cinq fois supérieure à celle des batteries Lithium-Ion. Ces scientifiques seraient parvenus, en modifiant la structure atomique des électrodes, à augmenter sensiblement sa durée de vie, levant ainsi l’un des principaux verrous technologiques vers la mise sur le marché de ce type de batterie.

Une autre voie technologique d’avenir fait l’objet d’intenses recherches : celle de la batterie tout solide. Dans les batteries Li-ion actuelles, les ions se déplacent d'une électrode à l'autre par le biais de l'électrolyte liquide. Dans une batterie tout solide, l'électrolyte liquide est remplacé par un composé inorganique solide qui permet la diffusion des ions lithium. Le grand avantage de ce type de batterie réside dans le fait que ses électrolytes solides inorganiques sont ininflammables, contrairement à leurs équivalents liquides. En outre, ces batteries ont une durée de vie améliorée et présentent un rapport puissance/poids élevé, un atout décisif pour les véhicules électriques.

Dans le domaine de recherche en pleine effervescence des  batteries tout solide, la première génération pourrait être constituée de batteries comportant des anodes en graphite, offrant de meilleures performances énergétiques et une sécurité accrue. A plus long terme, des batteries tout solides plus légères, avec une anode en lithium métallique, sont envisagées vers 2030. La start-up TerraWatt, une filiale du constructeur sino-américain SF Motors, a annoncé récemment la mise au point d’une batterie à l’état solide dont la densité atteint 432 Wh/kg, contre, au mieux, 250 Wh/kg pour les batteries lithium-ion. Le prototype de 4,5 Ah a été dévoilé pour la première fois lors de la conférence sur la mobilité FISITA PLUS 2019 à Londres, au Royaume-Uni.

La PME suisse Innolith AG a pour sa part annoncé, en avril dernier, avoir développé la première batterie Lithium-Ion dont la densité énergétique est équivalente à 1 000 Wh/kg. Soit une densité quatre fois supérieure aux accumulateurs actuels, parmi lesquels les piles au format 2170 du californien Tesla Inc. (250 Wh/kg). Cette entreprise estime que son innovation permettra à un véhicule électrique de parcourir plus de 1 000 km sur une seule charge. Innolith AG annonce aussi que sa technologie est ininflammable et n’est pas dépendante de métaux coûteux, comme le cobalt, deux avantages obtenus grâce à l'utilisation d'un électrolyte inorganique ignifugé.

La solution proposée par les équipes de l’Université de Carnegie Mellon est totalement différente. L’anode semi-liquide au lithium (SLMA) est constituée d’une dispersion colloïdale homogène de microparticules de lithium, incorporée dans une matrice composite polymère/carbone. La concentration en lithium de ce fluide est de 40 % en volume pour une capacité volumétrique de 800 mAh/mL. Ainsi, les chercheurs ont réussi à concevoir une nouvelle classe de matériaux qui combine les avantages d’un liquide tout en gardant les propriétés du lithium, pour une température de fonctionnement de seulement 65°C.

Les résultats obtenus par les chercheurs Carnegie Mellon sont plutôt prometteurs. En effet, en combinant le SLMA avec un électrolyte solide céramique, ils ont réussi à faire fonctionner la cellule à une densité de courant 10 fois supérieure à celle atteinte avec les électrolytes solides traditionnels utilisant une feuille de lithium. Les chercheurs pensent que leur approche débouchera sur des batteries haute capacité pour les véhicules électriques. Par ailleurs, ce concept serait également transférable aux autres systèmes de batteries rechargeables telles que les batteries au sodium ou au potassium ainsi qu’aux systèmes de stockage d’énergie à grande échelle.

Il y a quelques semaines, Tesla a pour sa part déposé un brevet concernant un nouveau type de batterie qui serait capable d'offrir une durée de vie d'1,6 million de kilomètres aux propriétaires de sa voiture électrique. Dans le brevet, appelé "Dioxazolones et sulfites de nitrile comme additifs d'électrolyte pour les batteries au lithium-ion", Tesla a expliqué que cette découverte permettrait d'allonger la durée de vie d'une batterie, pour éviter que celle-ci soit changée trop fréquemment.

Notons que des chercheurs d’IBM sont à leur tour entrés dans cette course technologique mondiale effrénée. Ils ont annoncé avoir réalisé une avancée déterminante pour l’avenir des batteries. Ils ont mis au point trois nouveaux matériaux composites (dont IBM garde la formule confidentielle) qui permettent de se passer de métaux lourds tels que le cobalt et le nickel en les remplaçant par des matériaux extraits à partir de l’eau de mer. L’électrolyte liquide de cette batterie est fait d’une combinaison qui élimine les dendrites de lithium métal et réduit ainsi l’inflammabilité (Voir IBM).

Les essais menés en laboratoire indiquent que cette batterie IBM peut surpasser les capacités des batteries lithium-ion dans plusieurs domaines clés : puissance, densité (800 watts heure par litre) et efficacité énergétique plus élevées, temps de charge plus rapide, inflammabilité faible. Cinq minutes de charge suffisent à restaurer 80 % de l’autonomie, indique IBM Research. Une telle batterie serait idéale pour les véhicules électriques. IBM Research compte bien pousser son avantage dans ce domaine stratégique : il vient de conclure un partenariat avec le centre de R&D de Mercedes-Benz en Amérique du Nord, Central Glass (fournisseur d'électrolyte pour batteries) et Sidus (fabricant de batteries). Dans son annonce, IBM souligne que « La haute densité énergétique de cette nouvelle batterie, combinée au coût relativement faible d’approvisionnement en matériaux et à l’impact réduit sur l’environnement ouvrent la voie vers l’objectif d’un véhicule électrique à faible coût et à charge rapide ».

Mais à côté de ces poids lourds de l’industrie, de la chimie ou de l’électronique, un outsider propose un nouveau type de batterie encore plus révolutionnaire. Il s’agit de Trevor Jackson, 58 ans, vétéran de la marine britannique. Celui-ci travaille depuis plus de 20 ans au développement d’une batterie aluminium-air, une technologie ancienne, mais qui s’est toujours heurtée à des complexités techniques redoutables.

La technologie aluminium-air constitue une rupture radicale par rapport aux principaux types de batteries disponibles. L'aluminium, contrairement au lithium, est un métal extrêmement commun. Selon Jackson, la technologie aluminium-air et sa haute densité énergétique permettraient de faire rouler une voiture pendant plus de 2.400 kilomètres, sans émission de CO2 et avec un coût annoncé très faible (0,09 euro au kilomètre). Les batteries elles-mêmes seraient très abordables, avec un prix de 90 euros par kWh –ce que les unités li-ion actuelles n'atteindront que d'ici cinq ans.

Autre avantage décisif de cette technologie, il n’y a pas de rechargement à prévoir pour ce type de batterie. Le système envisagé est celui d'un remplacement de la batterie vide par une pleine, en 90 secondes seulement, la cellule usagée étant redirigée vers un réseau de valorisation. Le seul déchet produit par ce type d'accumulateur est l'hydroxyde d'aluminium, qui peut aisément être intégré dans le circuit de recyclage. Trevor Jackson, et sa société Metalectrique Ltd, veut lancer sur le marché sa nouvelle batterie en 2020, sous contrat avec Austin Electric. Il affirme que celle-ci sera 9 fois plus dense que les batteries Lithium Ion conventionnelles, et coûtera 6 fois moins chère. Il promet même que des kits de conversion à 3500£ sont prévus pour les voitures thermiques. Affaire à suivre, donc…

Ce rapide tour d’horizon des évolutions technologiques dans le domaine des batteries et du stockage chimique de l’énergie montre à quel point le paysage énergétique mondial en 2030 sera bien plus varié et complexe qu’actuellement, surtout dans le domaine-clé de la mobilité et des transports qui représentent plus du quart des émissions de CO2 au niveau mondial et sont responsables d’émissions polluantes qui entraînent le décès direct ou indirect de 6 à 8 millions de personnes chaque année…

Il est probable que, dans une vingtaine d’années, le secteur des transports soit divisé en trois grands secteurs énergétiques : le premier, celui de la « mobilité lourde (transports terrestres et maritimes de marchandises et de passagers) sera dominé par l’hydrogène, bien adapté à ce type d’utilisation, en raisons de ses propriétés intrinsèques. Le deuxième, celui des transports particuliers de moyennes et longues distances, sera encore largement dominé par des véhicules de type « hybride rechargeable », très sophistiqués, à très faible consommation de carburant (moins de 3 litres au 100km). Enfin, le dernier, celui, stratégique, de la mobilité urbaine, sera l’apanage des véhicules « tout électrique » qui utiliseront essentiellement des batteries de type « tout solide », permettant une autonomie d’au moins 800 km, une recharge rapide (de 15 à 30 minutes pour récupérer 80 % de la charge) et ayant une fable empreinte environnementale (pas ou peu de substances nocives pour la santé et la nature).

Dans ce contexte technologique et économique, on ne peut que se féliciter que l’Europe ait enfin donné, fin décembre, son feu vert à l'«Airbus des batteries», un ambitieux plan de soutien qui va permettre de subventionner à hauteur de huit milliards d’euros d’ici cinq ans (3,2 milliards dans la phase initiale) un consortium de 17 entreprises européennes. En France, ce plan se traduira concrètement par une usine pilote en 2020 qui sera réalisée à Nersac, en Nouvelle-Aquitaine, et bénéficiera d’un soutien de 700 millions d’euros de la part de l’Etat pour produire, à partir de 2022, les batteries du futur. Cette initiative est destinée à permettre à l’Europe de ne pas se faire définitivement distancer par la Chine et les Etats-Unis dans ce domaine ô combien stratégique du stockage électrique.

Mais si nous voulons garder notre indépendance et rester à la pointe dans ce secteur essentiel pour notre économie, mais aussi pour notre société toute entière, la France doit également augmenter de manière significative son effort en faveur de la recherche fondamentale dans les domaine de la physique, de la chimie et de l'informatique (IA, données massives) pour reprendre l’initiative et réaliser les ruptures technologiques qui nous permettront de disposer demain, sur toute la chaîne de l’utilisation des énergies, des moyens de conversion et de stockage d’énergie performants et parfaitement propres dont nous avons absolument besoin pour réduire massivement nos émissions de gaz à effet de serre et accélérer la transition énergétique mondiale en cours.

René TRÉGOUËT

Sénateur honoraire

Fondateur du Groupe de Prospective du Sénat

e-mail : tregouet@gmail.com

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