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N dordre : 231-2012 Anne 2012

THESE DE LUNIVERSITE DE LYON

Dlivre par

LUNIVERSITE CLAUDE BERNARD LYON 1

COLE DOCTORALE EEAELECTRONIQUE, ELECTROTECHNIQUE,

AUTOMATIQUE DE LYON

DIPLME DE DOCTORAT

Mention : GEP

(arrt du 7 aot 2006)

soutenue publiquement le 13 novembre 2012

par

Arnaud Devie

Caractrisation de lusage des batteries Lithium-ion dans les vhicules lectriques ethybrides.Application ltude du vieillissement et de la fiabilit

Thse dirige par Pascal Venet et Serge Pelissier

prpare conjointement au laboratoire Ampre, UCBL et au LTE, IFSTTAR

JURY

Rapporteurs : Stephan ASTIER - LAPLACE (Toulouse)Stphane RAL - GREEN (Nancy)

Prsident : Bernard MULTON - SATIE (ENS Cachan - Bretagne)Examinateurs : Elie DURCIK - EDF R&D

Emmanuel BOUTLEUX - AMPERE (Lyon)Directeurs : Pascal VENET - AMPERE (Lyon)

Serge PLISSIER - IFSTTAR (Bron)

tel00783338,version1

31Jan2013
http://hal.archives-ouvertes.fr/http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00783338

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Mahalo

Un grand mahalo 1 tous ceux qui ont contribu de prs ou de loin ces travaux de thse. Jepense en premier lieu mes directeurs de thse, Pascal Venet et Serge Plissier, qui ont pens le sujetde thse et apport leurs connaissances afin de mettre ces travaux sur les bons rails. Je souhaite tousles doctorants davoir un duo dencadrant aussi agrable. Je pense aussi Maxime Montaru dont lestravaux ont lanc les miens.

Mahalo galement toutes les personnes qui ont pu rpondre nos interrogations dans leschamps disciplinaires abords par ces travaux. Je pense ici notamment Guy Clerc et EmmanuelBoutleux dAMPERE, Allou Sam et Etienne Come de lIFSTTAR.

Mahalo aux ingnieurs qui ont apport leur soutien technique cette thse, Eduardo Redondo-Iglesias et Bruno Jeanneret de lIFSTTAR, Pascal Bevilacqua dAMPERE.

Mahalo aussi Alaa Hijazi, Nordine Maherzi et Anne-Laure Allgre dont les travaux mont servipour concevoir lune des ralisations de cette thse.

Mahalo aux dizaines de membres dAMPERE et de lIFSTTAR qui se sont ports volontaires pour

me permettre de raliser les enregistrements dusage rel sur les vlos assistance lectrique, ainsiqu Gilles Rousseau dIrisbus pour le partage des donnes du projet Hybus.

Aloha 2 tous mes collgues dAMPERE et de lIFSTTAR.

Aloha en particulier ceux avec qui jai partag un bureau, Jean-Pierre Roumgoux, jeune retraitde lIFSTTAR, et Thibault Chailloux, Oualid Messal, An Li, Alaa Hilal, Jonathan et Yanis.

Enfin, mahalo la Rgion Rhne-Alpes pour le soutien financier accord qui nous a permis deconduire sereinement nos travaux de recherche.

Je ddie ce manuscrit ma famille.

Aloha...

1. Mahalo = merci en hawaen2. Aloha = salut en hawaen


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TITRE

Caractrisation de lusage des batteries Lithium-ion dans les vhicules lectriques et hybrides. Ap-plication ltude du vieillissement et de la fiabilit.

RESUME

De nouvelles architectures de traction (hybride, lectrique) entrent en concurrence avec les motori-sations thermiques conventionnelles. Des batteries Lithium-ion quipent ces vhicules innovants. Ladurabilit de ces batteries constitue un enjeu majeur mais dpend de nombreux paramtres environ-nementaux externes. Les outils de prdiction de dure de vie actuellement utiliss sont souvent tropsimplificateurs dans leur approche.

Lobjet de ces travaux consiste caractriser les conditions dusage de ces batteries (temprature,tension, courant, SOC et DOD) afin dtudier avec prcision la dure de vie que lon peut en attendre

en fonction de lapplication vise. Diffrents types de vhicules lectrifis (vlos assistance lec-trique, voitures lectriques, voitures hybrides, et trolleybus) ont t instruments afin de documenterles conditions dusage rel des batteries. De larges volumes de donnes ont t recueillis puis ana-lyss au moyen dune mthode innovante qui sappuie sur la classification dimpulsions de courantpar lalgorithme des K-means et la gnration de cycles synthtiques par modlisation par chaine deMarkov.

Les cycles synthtiques ainsi obtenus prsentent des caractristiques trs proches de lchantilloncomplet de donnes rcoltes et permettent donc de reprsenter fidlement lusage rel. Utiliss lorsde campagnes de vieillissement de batteries, ils sont susceptibles de permettre lobtention dune

juste prdiction de la dure de vie des batteries pour lapplication considre. Plusieurs rsultatsexprimentaux sont prsents afin dtayer la pertinence de cette approche.

MOTS CLES

Vhicule lectrique, vhicule hybride, classification, partitionnement, K-means, chaine de Markov,cycle synthtique, impulsion de courant, batteries Lithium-ion, dure de vie, analyse de lusage,vieillissement.

INTITULE ET ADRESSE DU LABORATOIRE

Ampre UMR CNRS 5005UCBL, Bat. Omega 3me43, boulevard du 11 Novembre 191869622 Villeurbanne Cedex, France

INTITULE ET ADRESSE DU LABORATOIRE DACCUEIL

IFSTTAR Bron - LTE

25, av. Franois Mitterrand, Case2469675 Bron Cedex, France


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TITLE

Characterization of Lithium-ion batteries usage in electric and hybrid electric vehicles applications.

ABSTRACT

Lithium-ion batteries are being used as energy storage systems in recent electric and hybrid elec-tric vehicles coming to market. Current cycle-life estimation techniques show evidence of discre-pancy between laboratory results and real-world results.

This work is aimed at characterizing actual battery usage in electrified transportation applica-tions. Factors such as temperature, State Of Charge, Depth Of Discharge, current and voltage haveto be carefully considered for accurate cycle-life prediction within a given application. Five electri-fied vehicles have been studied (two electric bicycles, one light EV, one mainstream HEV and one

Heavy-Duty trolleybus). These vehicles have been equipped with sensors and data-logger and thentest-driven on open roads under real-world conditions. Large amounts of data have been stored andlater processed through an innovative method for analysis of actual usage. This method relies ondata mining based on K-means clustering and synthetic duty cycle generation based on Markovchain modeling.

Resulting synthetic cycles exhibit features similar to those observed on the large original datasets.This enables accurate prediction of cycle-life through realistic ageing trials of Lithium-ion batteries.Several experimental results are presented in order to assess the fitness of this method.

KEYWORDS

EV, HEV, classification, data clustering, K-means, Markov chain, duty profile, synthetic cycle, dutypulse, Lithium-ion batteries, cycle-life, usage analysis, ageing.

LABORATORY NAME AND ADDRESS

Ampre UMR CNRS 5005

UCBL, Bat. Omega 3me43, boulevard du 11 Novembre 191869622 Villeurbanne Cedex, France

HOST LABORATORY NAME AND ADDRESS

IFSTTAR Bron - LTE

25, av. Franois Mitterrand, Case2469675 Bron Cedex, France


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Table des matires

1 Introduction 11.1 Importance de la mobilit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

1.1.1 Collective . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.1.2 Individuelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.1.3 Indirecte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

1.2 La contrainte nergtique et matrielle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51.2.1 Lavenir des nergies fossiles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

1.2.1.1 Ptrole . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61.2.1.2 Autres carburants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

1.2.2 Production lectrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111.2.3 Minerais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

1.2.3.1 Les Mtaux du Gnie Electrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131.2.3.2 Les Terres rares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131.2.3.3 Les Autres matriaux requis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

1.3 Conclusion et motivation du travail de thse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

2 Fondements 17

2.1 Systmes de stockage de lnergie lectrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172.1.1 Batteries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

2.1.1.1 Fonctionnement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182.1.1.2 Matriaux danode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

2.1.1.3 Matriaux de cathode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232.1.1.4 Electrolytes, sparateur et additifs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232.1.1.5 Opportunit conomique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

2.1.2 Supercondensateurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272.1.3 Autres dispositifs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

2.2 Architectures vhicules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302.2.1 Hybrides (VEH) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312.2.2 Electriques (VE) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

2.3 Vieillissement et fiabilit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 342.3.1 Champs dapplication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 342.3.2 Cas des batteries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

2.3.2.1 Influence de la temprature ambiante . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 392.3.2.2 Influence de la profondeur de dcharge (DOD) . . . . . . . . . . . . . 422.3.2.3 Influence de ltat de charge (SOC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 442.3.2.4 Influence du protocole de charge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 462.3.2.5 Influence du niveau de courant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 472.3.2.6 Composition des matriaux actifs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 482.3.2.7 Composition de llectrolyte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 482.3.2.8 Influences croises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 492.3.2.9 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

2.4 Modlisation de lusage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

2.4.1 Besoins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 512.4.2 Cycles normaliss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 512.4.2.1 Cycles rglementaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51


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vi Table des matires

2.4.2.2 Cycles reprsentatifs de lusage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 532.4.2.3 Cas des vhicules lectrifis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

2.4.3 Approches existantes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 562.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

3 Mthodes 633.1 Recueil de donnes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

3.1.1 Instrumentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 673.2 Prparation des donnes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 703.3 Classification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

3.3.1 Choix de la distance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 743.3.2 Choix du nombre de classes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 743.3.3 Rsultat de la classification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75

3.4 Reconstruction de cycle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 793.4.1 Modlisation par chaine de Markov . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79

3.4.2 Application aux profils de courant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 813.4.2.1 Analyse statistique des transitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 813.4.2.2 Chaine de Markov . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 823.4.2.3 Gnration de squences . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84

3.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85

4 Rsultats 87

4.1 Vlos assistance lectrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 884.1.1 Assistance fixe - moteur roue . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88

4.1.1.1 Description du vhicule . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 884.1.1.2 Description de lexprimentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 894.1.1.3 Sollicitations typiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 914.1.1.4 Cycles reprsentatifs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94

4.1.2 Assistance proportionnelle - systme Panasonic . . . . . . . . . . . . . . . . . . 984.1.2.1 Description du vhicule . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 984.1.2.2 Description de lexprimentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 994.1.2.3 Sollicitations typiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1004.1.2.4 Cycles reprsentatifs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104

4.1.3 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1074.2 Vhicules lectriques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109

4.2.1 Quadricycle urbain - Aixam Megacity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109


4.3 Vhicules hybrides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1234.3.1 Toyota Prius . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123


4.4 Vhicules lourds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1374.4.1 Trolleybus Irisbus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1374.4.1.1 Description du vhicule . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137


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Table des matires vii

4.4.1.2 Description de lexprimentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1384.4.1.3 Sollicitations typiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1394.4.1.4 Cycles reprsentatifs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144

4.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146

5 Validation Exprimentale 1475.1 Etudes individuelles sur les impulsions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147

5.1.1 Comparaison de trois impulsions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1505.1.2 Influence de la forme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1525.1.3 Influence de la temprature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1565.1.4 Influence du niveau de courant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157

5.2 Apport potentiel des Super-Condensateurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1595.3 Cas appliqu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161

6 Conclusion 167

6.1 Conclusions gnrales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1676.2 Perspectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168

A Simulation de rentabilit conomique et durabilit associe 171

A.1 Hypothses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171A.2 2012 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173

A.2.1 Voiture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173A.2.2 Deux roues . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176

A.3 2020 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178A.4 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181

B Revue bibliographique de la dgradation des batteries Lithium-ion 183B.1 Influence de la temprature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183B.2 Influence de la profondeur de dcharge (DOD) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186B.3 Influence de ltat de charge (SOC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187B.4 Influence de la tension de charge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188B.5 Influence du niveau de courant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189

C Cycles normaliss dans le domaine du transport 191

C.1 Cycles US . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192C.2 Cycles Europe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196C.3 Cycles Japon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197C.4 Cycles Chine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198C.5 Uniformisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199C.6 Vhicules Lourds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200C.7 Rcapitulatif . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203

D Dtails des paramtres utiliss pour lanalyse des diffrents vhicules 205

D.1 Vlos assistance lectrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206D.1.1 Assistance fixe - moteur roue . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206D.1.2 Assistance proportionnelle - systme Panasonic . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207

D.2 Vhicules lectriques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208

D.2.1 Quadricycle urbain - Aixam Megacity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208D.3 Vhicules hybrides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209D.3.1 Toyota Prius . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209


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viii Table des matires

D.4 Vhicules lourds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210D.4.1 Trolleybus Irisbus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210

Liste des Abrviations 211

Bibliographie 213


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CHAPITRE 1

Introduction

Sommaire

1.1 Importance de la mobilit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

1.1.1 Collective . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

1.1.2 Individuelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

1.1.3 Indirecte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

1.2 La contrainte nergtique et matrielle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

1.2.1 Lavenir des nergies fossiles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61.2.2 Production lectrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

1.2.3 Minerais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

1.3 Conclusion et motivation du travail de thse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

Dans cette introduction, jentends souligner lampleur de la crise nrgtique qui se dresse devantnous pour cette premire moiti du 21 sicle ainsi que l impact que cela aura sur la mobilit des in-dividus et des marchandises. Dans un contexte de ncessaire prservation des ressources (minires),ce mmoire traitera de lemploi de systmes de stockage de lnergie (SSE) dans le cadre du trans-

port lectrifi comme substitut aux carburants conventionnels (essence, gazoil, GPL1

). Laccent seramis sur ltude de systmes existants dans loptique de prdire la dure de vie du dispositif. Cettedmarche sinscrit ds lors dans le cadre de la maximisation de la ressource en lien avec lapplicationvise.

1.1 Importance de la mobilit

Lhypermobilit, car cest bien de a dont il sagit, est une invention et un besoin moderne. Silfaut reconnaitre que lHomme a toujours eu besoin de se dplacer pour assurer sa survie dabord,puis pour dvelopper ses relations avec dautres communauts ensuite (commerce, tourisme,...), ilfaut aussi comprendre que le 20me sicle a t marqu par un accroissement sans prcdent de lapopulation et de ses besoins de mobilit [OCDE 2011]. Lavion, le train, le bateau, le vlo et la voituresont autant dinventions rcentes dont lessor a permis pratiquement chaque tre humain sur cetteplante de quitter, temporairement comme dfinitivement, la contre exige qui la vu naitre. Lavion,le train, les cargos et les camions sont autant dinventions rcentes dont la raison dtre est de favo-riser les changes matriels moyennes et longues distances afin de permettre ceux qui dtiennentsuffisamment de richesse de bnficier de tout ce que cette plante a offrir. Lconomie toute en-tire est aujourdhui assise sur la disponibilit de moyens de transport aux capacits colossales (9tonnes de matires par an et par habitant en moyenne, et de 16 40 tonnes dans les pays dvelopps)[Fischer-Kowalski 2011]. En 2009, en France, les dpenses de transport (marchandise, salaris, ...) ont

reprsent 18% du PIB, 80% de cette somme tant lie au transport routier [SOeS 2010].

1. Gaz de Ptrole Liqufi


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2 Chapitre 1. Introduction

Zone gographique Distancemoyenne par

jour (km)

Part moyennedes TC (%)

Part moyennedes VP (%)

Part moyennedes vlos (%)

USA-Ocanie 11,8 5 92,8 2,2Grandes Asie 11 42 48,1 9,9

Amrique du Sud 10,3 50 47,6 2,4Europe de lOuest 7,9 25 67,9 7,1Afrique 7,5 42 56,1 1,9Moyen Orient 7,3 14 82,1 3,9Asie 7 39 42 19Europe de lEst 6,6 60 36,9 3,1France 5,9 18 80 2,0

TABLE 1.1 Part modale des modes mcaniss dans diffrentes zones gographiques [Joly 2003]

1.1.1 Collective

Transport Urbain

La part modale des transports en commun dans les agglomrations du Monde dpend en grandepartie de la densit de population de ladite agglomration. Elle dpend galement du niveau derichesse par habitant et des politiques locales mises en oeuvre. On peut noter, daprs le tableau 1.1,que la part des modes non motoriss (vlo et assimil) parmi les modes mcaniss (tout vhicule)dpasse rarement les 10% lexception de quelques agglomrations asiatiques pauvres.

Avion

Le trafic arien dans le monde est en croissance soutenue (certaines zones gographiques

connaissent une croissance 2 chiffres) [Schimm 2011]. On dnombrait 5,04 milliards de passagersen 2010, soit prs dun vol par personne alors mme que la majeure partie des gens na pas accs fi-nancirement ce mode de transport. Sur une base annuelle, le frt arien a lui atteint 91 millions detonnes de marchandises, soit lquivalent de 15kg par individu lchelle de la plante. La croissancedu frt arien sexprime 2 chiffres sur le plan mondial. Un tel succs doit certainement beaucoup labsence de taxe sur le carburant utilis (krosne) ainsi que sur lamnistie octroye au transportarien par le protocole de Kyoto. Ainsi, le mode de transport le plus nergivore et le plus polluant[Jancovici 2004] apparait-il comme le plus favoris par les politiques publiques.

1.1.2 Individuelle

VoitureEn 1769, Joseph Cugnot, ingnieur militaire franais, conoit et ralise un fardier dartillerie, m

par une machine vapeur deux cylindres. Laventure automobile a commenc en France, o lespremires expriences russies ont eu lieu en 1873. Un succs tel quen 1895 environ 350 automobilescirculaient dj sur le territoire franais, contre 75 en Allemagne et seulement 80 aux Etats-Unis. LaFord T, commercialise partir de 1908, constitue le premier jalon de lhistoire de lautomobile demasse. Laprs-guerre marque vritablement le dbut du sicle de lautomobile dont le dveloppe-ment est soutenu pendant les trente glorieuses. Evidemment, le double choc ptrolier de 1973 et 1979change la donne mais mme si les ventes scroulent de 30% environ les annes suivant ces chocs, lenombre total de vhicules ne cesse daugmenter. Il faut attendre la crise financire asiatique de 1997

pour constater la premire baisse dans la taille du parc automobile mondial. Baisse vite compensepar larrive des premiers consommateurs chinois... Le nouveau choc ptrolier de 2008 prcipite laproduction globale la baisse mais en 2010 dj, la tendance dcennale est rattrape avec 78 millions


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1.1. Importance de la mobilit 3

FIGURE 1.1 Evolution du parc automobile mondial [Lamiot 2011]

de vhicules couls. Aprs avoir stagn autour de 60 millions de vhicules/an, la production a eneffet progresse de 18 millions dunits depuis 2002. En 2010, la Chine a justement produit 18 millionsde vhicules (autant que les Etats-Unis et le Japon runis).

Les besoins des salaris en terme de mobilit individuelle sont assez variables, en fonction dulieu de rsidence notamment. En France, le kilomtrage annuel moyen dune automobile stablit 13000 km environ soit une distance quotidienne proche de 37 km [SOeS 2010]. Quant aux seulstrajets pendulaires, en 2004, ils se dcomposaient de la faon suivante selon un rapport de lInsee[Baccani 2007] :

41% des actifs parcourent moins de 10 km, ils sont lorigine de 12% des distances parcouruesen France ;

28% des actifs travaillent entre 10 et 20 km de leur domicile. Ils ralisent 20% des distancesparcourues ;

21% des actifs se dplacent sur 20 50 km ralisant 31% des dplacements en France ;

enfin, seulement 10% des actifs, qui ralisent plus de 50km pour se rendre sur leur lieu detravail, correspondent 37% des distances parcourues.

1.1.3 Indirecte

Transport de marchandise longue distance

Le transport longue distance (de continent continent) est assur par voie maritime (cargo porte-conteneur, ptrolier, gazier) ou arienne. Un transport terrestre est exclu du fait des complicationsadministratives et de la non-adquation des rseaux routiers ou ferroviaires dont les capacits sontlimites contrairement aux mers et aux cieux (mme si les terminaux eux sont limitant). Aussi, les

combustibles fossiles rgnent ici en maitre. Le vecteur hydrogne pourrait constituer une alternativemais le rendement nergtique dplorable de la filire est un point rdhibitoire mon sens (cf. 1.2.1.2).Aussi, ce domaine ne nous intressera pas ici.


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Transport de marchandise moyenne distance

On entre ici dans la chasse garde des camions. Ici, la substitution possible se nomme frt fer-roviaire mais son dveloppement est trs lent lchelle europenne voire en contraction dans dif-frents pays. En France, le manque de dynamisme au sein du secteur et la saturation progressivedu rseau ferr dcouragent les initiatives dans ce sens. Pour couvrir les distances envisages, desmoyens de transports lectriques autonomes ne font gure de sens. Si toutefois cela devait arriver,la filire hydrogne serait sans doute la plus adapte pour les distances considre avec toujours leproblme du rendement.

Transport de marchandise courte distance

Ce secteur, souvent appel " le dernier kilomtre " constitue en revanche un srieux dbouchpour les vhicules lectrifis de tailles diverses. Des projets industriels ont dj vu le jour (RenaultTrucks Maxity lectrique) et des exprimentations grandeur nature sont en place (TNT Express 2 Lyon, Turin et Berlin). Le cot dexploitation avantageux de ces vhicules combin la lutte contre lapollution environnementale et sonore pourrait suffire provoquer la transition depuis les vhicules

thermiques conventionnels vers ces nouveaux modes.

2. socit de livraison de colis


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1.2. La contrainte nergtique et matrielle 5

1.2 La contrainte nergtique et matrielle

La simple image 1.2 permet dillustrer lindniable apptit nergtique de nos socits. Alors

quen 1970, seules les grandes agglomrations nord-amricaines, europennes et japonaises sont vi-sibles depuis lespace, en 2000, on mesure sans difficult lessor de notre civilisation industrielle.

(a) 1970

(b) 2000

FIGURE 1.2 Vues nocturnes reconstitues de la plante Terre [NASA]

Rappelons quentre 1960 et lan 2000, la population mondiale a doubl comme en tmoigne lafigure 1.3. Si le terme rvolution industrielle apparait parfois abstrait, la simple vue de lvolutiondmographique depuis sa survenue devrait permettre de lui rendre une signification bien concrte.Aujourdhui la plante abrite 7 milliards dhabitants et les prvisions estiment que la populationmondiale plafonnera 9 milliards dhabitants avant de commencer dcroitre avant la fin du sicle[ONU 2004]. Il existe un fort degr de disparit selon les rgions du globe au niveau des consomma-tions individuelles dnergie et de ptrole [BP 2011]. En particulier, les deux gants dmographiques

que sont lInde et la Chine devraient respectivement tripler et doubler leurs consommations par ttepour parvenir au mme niveau que lEurope de louest. Evidemment, ce scnario reste hautementhypothtique si les approvisionnents ad hoc sont inatteignables.


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FIGURE 1.3 Evolution de la dmographie mondiale [Jancovici 2008]

1.2.1 Lavenir des nergies fossiles

Il est ncessaire de rappeler les dfinitions de quelques termes souvent utiliss dans le domaine delnergie. Une ressource dsigne la quantit de produit prsente dans un espace donn sans prendreen considration sa possible extraction ou non. Par opposition, une rserve fait rfrence la portion

rcuprable de cette ressource dans les conditions conomiques et techniques du moment prsent.Onparlealorsde rserve prouve. Toute conversion du statut de ressource rserve dpend de lvo-lution de la technique et des conditions tarifaires associes (le consommateur est-il dispos payerle baril de ptrole 1000$ ?). Rappelons par ailleurs quune source dnergie ne peut tre considrecomme telle que si lutilisation du produit extrait gnre davantage dnergie que son extraction etson conditionnement nen a requis. A dfaut, le produit doit tre considr comme un vecteur ner-gtique (cas de lhydrogne). A lheure actuelle, le ptrole est bien une source dnergie mais danslavenir il se pourrait quil rtrograde au stade de vecteur nergtique ds lors que son extractiondeviendrait non rentable nergtiquement. De ce point de vue, on sait que seule une portion limitedes ressources dhydrocarbures est ligible au titre de rserve ; en moyenne le taux dextraction dunpuit de ptrole stablit 35%. Il tait de 25% 35 ans auparavant, mais pourrait cesser de croitre en

raison de la taille dcroissante des nouveaux gisements (les gisements les plus qualititatifs, donc lesplus rentables, ont t mis en production les premiers) [Jancovici 2011]. Un autre exemple nous estfourni par les agrocarburants de premire gnration dont la filire de production consomme par-fois prs de lquivalent dun litre de ptrole par litre dthanol produit, rendant ainsi loprationcontre-productive nergtiquement parlant [Cardoso 2012].

1.2.1.1 Ptrole

La questions des rserves et de leurs valuations

La question des rserves prouves de ptrole est assurment un sujet sensible travers le monde,et dans les tats autoritaires en particulier. Dans les annes 80, les observateurs ont ainsi pu obser-ver un jeu de dupes entre les principaux pays producteurs membres de lOPEP 3 [Inman 2011]. En

3. Organisation des Pays Exportateurs de Ptrole (OPEC en anglais)


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FIGURE 1.4 Prdiction du pic ptrolier [Gargett 2009]

effet, dans un soui de rgulation, lOPEP a souhait mettre en place une rgle commune aux tatsmembres de lorganisation afin de placer des quotas sur les productions nationales en fonction desrserves prouves de chaque tat. Le Koweit ouvre le bal de la manipulation gostratgique lorsqueses rserves passent de 67 93 milliards de barils au 1er janvier 1984. Entre 1985 et 1986, les rservesdclares par lIran passent de 59 93 milliards de barils, celles des Emirats Arabes Unis de 33 97 milliards. LArabie Saoudite attendra lanne 1988 pour procder lajustement de ses chiffres,passant alors de 170 255 milliards de barils extractibles. LIraq enfin, voit ses rserves triples entre1981 (32 milliards) et 1987 (100 milliards). Depuis, les rserves dclares par chaque pays sont restes

assez stables. Rappelons que chaque pays est responsable de lvaluation de ses propres rserves,sans aucun contrle tranger possible. Ce petit jeu aux enjeux dmesurs a toutefois repris depuis leretour des amricains en territoire iraqi. En octobre 2010, la suite dune nouvelle valuation, lIraqdclare une augmentation de ses rserves de lordre de 25% (113 143). Dans la foule, lIran dclaredes rserves en hausse 150 milliards de barils contre 138 lanne prcdente, ce qui lui permet dereprendre la seconde place derrire le gant saoudien.

La situation mondiale des approvisionnements en ptrole fait rgulirement lobjet de publica-tions officielles (BP 4, Agence Internationale de lEnergie,...) mais il convient de rappeler que leschiffres qui y figurent sont, pour lessentiel, ceux communiqus par les tats producteurs, avec lesincertitudes que cela comporte. Le vrai signal de la rduction de la ressource reine est donc recher-cher parmi dautre indicateur (le prix, la production annuelle, le niveau des capacits de productioninutilises, le cot dexploitation des champs mis en production,...).

Pic de production et difficults dapprovisionnement

En rsum, il reste du ptrole, cest un fait. Il en reste pour des dizaines dannes venir mais dansdes proportions annuelles en baisse tendancielle (figure 1.4). On identifie comme facteurs aggravantdes chocs ptroliers venir les points suivants :

Augmentation de la population mondiale Augmentation de laccs des populations un vhicule motoris individuel Rarfaction de loffre ptrolire lexportationEn effet, loffre ptrolire disponible lexport chutera beaucoup plus vite que le volume global

de production. Les pays dpourvus de ressources ptrolires souffrent dj ou souffriront rapide-

4. British Petroleum


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FIGURE 1.5 Evolution du spread Brent-WTI [Ycharts 2012]

ment des effets de la diminution de loffre. LEurope, bien que premire zone conomique mondialeest victime depuis 2010 de ce phnomne. En effet, les franais qui ont rcemment dcouvert la no-tion de spread en rfrence lcart entre les taux dintrts demprunt dEtat entre la France etlAllemagne, vont rapidement pouvoir se familiariser avec la notion de Brent-WTI Spread qui d-signe lcart de prix entre le baril de rfrence europen (le Brent) et le baril amricain (West TexasIntermediate). La courbe 1.5 illustre sans quivoque lapparition rcente dun cart entre les deuxcotations alors que celles-ci restaient infiniment proches depuis des dcennies.

Les graphiques de la figure 1.6 illustrent quant eux la rarfaction de loffre de ptrole lexporta-tion en raison de la chute de la production du pays, ou de sa ponction croissante pour sa consomma-tion intrieure, ou les deux. Le cas des pays ayant perdu leur statut de pays producteur au profit depays importateur au cours de la dcennie passe sont reprsents sur les figures 1.6a, 1.6b et 1.6c. LeMexique semble suivre la mme trajectoire daprs la figure 1.6d. On trouve en 1.6e et 1.6fdeux paysparmi les plus importants du march mondial de ptrole dont la production continue de crotre maisdont les capacits dexport stagnent car leurs consommations propres explosent. Les grands pays

mergents sont reprsents en 1.6g,1.6h et 1.6i. Ils prsentent des profils dexposition relativementdiffrents. Si lInde et la Chine dpendent de fortes importations, le Brsil semble auto-suffisant maisau dtriment dune culture vivrire tourne vers la production dthanol comme substitut partiel auptrole, avec les consquences sociales inhrentes. Enfin, la situation amricaine est dpeinte figure1.6j. On y constate une consommation de produits ptroliers en forte croissance entre 1980 et 2008.Dans le mme temps, la production nationale, assise sur des gisements conventionnels dcline rgu-lirement. La situation rcente se caractrise par une diminution de la demande qui a accompagn lacrise conomique post 2008 et par une reprise marque de la production domestique suite la miseen oeuvre de gisements non-conventionnels htrognes (shale gas).

Daprs plusieurs observateurs [Rubin 2008, Jancovici 2010a], la vritable origine de la crise co-nomique que nous traversons depuis 2008 rside dans lenvole du prix du ptrole qui a prcd. Enralit, ils imputent lensemble des rcessions mondiales aux soubresauts du baril de ptrole commeen tmoigne la figure 1.7a. La seule exception cette rgle concerne la crise financire asiatique de lafin des annes 90. Limportance de la dernire crise peut tre compare aux prcdentes laide de lafigure 1.7b. Dans le contexte national, on peut remarquer quen 1973 nous subissons un choc ptroliermajeur et que depuis 1974, aucun budget lquilibre na t vot par lAssemble Nationale.

1.2.1.2 Autres carburants

Gaz et charbon

On ne peut videmment pas faire lconomie daborder les deux autres principales sources dner-

gie lchelle mondiale, fossiles et fortement carbonnes elles aussi. Le gaz et le charbon nont pasles mmes usages (chauffage et production lectrique) que le ptrole (transport) et sont donc dif-ficilement substituables en cas de pnurie de ptrole. Il faut observer que la densit moindre et le


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(a) Indonsie (b) Royaume-Uni

(c) Egypte (d) Mexique

(e) Iran (f) Arabie

(g) Inde (h) Chine

(i) Brsil (j) USA

FIGURE 1.6 Productions et consommations nationales de quelques pays phares [TSP 2012]


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(a) Causalit (b) Importance des crises

FIGURE 1.7 Corrlation entre chocs ptroliers et conomie [Rubin 2008]

transport moins ais de ces carburants fossiles comparativement au ptrole empche de fait denvi-sager la cration dun march mondial comparable celui du ptrole. Tout juste peut-on imaginerdes marchs rgionaux desquels lEurope serait exclue galement, faute de ressources. La figure 1.8prsente les estimations des rserves des sources dnergie fossiles. Identiquement au ptrole, lesrserves apparaissent comme fortement restreintes au niveau mondial.

Carburants de synthse

Le gaz, le charbon, la biomasse, comme toutes les autres chaines organiques, sont susceptiblesdtre transforms en un carburant liquide voisin de lessence issue du ptrole, ou dun autre produitraffin (diesel). Pour cela, il faut employer le procd de synthse Fisher-Tropsch. Mme si le procdde Fisher-Tropsch permettrait en thorie de convertir ces derniers en essence utilisable dans les trans-ports, il prsente lnorme inconvnient de noffrir quun rendement optimis proche de 50%. Dansun monde aux flux nergtiques tendus, une telle conversion reprsente un gaspillage rdhibitoire.La chaine globale du puit la roue offrirait un rendement plafonnant 10% (50% lors de la synthse,15 20% lors de lutilisation dans un vhicule essence ou diesel respectivement). En comparaison,une centrale gaz cycle combin offre un rendement de conversion gaz vers lectricit de prs de60%. En utilisant cette lectricit pour le transport au moyen dun systme de stockage de lnergielectrique install dans un vhicule, offrant lui un rendement de lordre de 80% de la prise la roue(traction lectrique comprise donc), nous obtenons un rendement du puit la roue voisin de 50%.

Les deux voies technologiques diffrent donc dun facteur 5 en termes defficacit nergtique.

La filire hydrogne

Les mmes causes amenant aux mmes effets, ma conclusion sur la filire hydrogne revient dire que la chaine totale offre un rendement trop peu satisfaisant pour offrir une quelconque pers-pective raisonnable. En effet, la production de lhydrogne sous forme de gaz (stock compress)offre un rendement optimis de 60% (80% lors de llectrolyse, 80% de la compression pour lestockage) et son emploi dans une pile combustible de bonne facture plafonne nouveau 60%[Jancovici 2010b, Mazza 2005]. Au final, avant mme dtre utilise pour faire tourner le moteur lec-trique dun vhicule, llectricit ainsi produite a t aux 2/3 dissipes sous forme de chaleur. A cela

il faut rajouter le rendement de la centrale lectrique amont (qui consomme une source dnergieafin de gnrer llectricit qui son tour permet de produire du dihydrogne partir de leau), ainsique le rendement du reste de la chaine de traction lectrique. Au final, la filire hydrogne pour le


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FIGURE 1.8 Rserves fossiles [BP 2011]

transport offre un rendement du puit la roue plafonn 0.60*0.60*0.60*0.90=20%. Rappelons enfinque le transport dhygrogne gazeux sur de longues distances via un rseau de gazoduc souffre duncot (nergtique et financier) trois fois suprieur celui du gaz naturel (H2 : 3kWh/m3 Vs CH4 :10kWh/m3) [Jancovici 2006].

1.2.2 Production lectriqueLa consommation lectrique franaise a cru rapidement aprs le choc ptrolier de 1973 sous lim-

pulsion dune politique nationale de dveloppement dun parc nuclaire et de la transition versle chauffage lectrique. La consommation annuelle est relativement stable (480TWh) depuis unedcennie, ce qui rend les dveloppements de nouvelles centrales peu attractifs dans la mesure ole besoin est dj couvert. Lusage massif de vhicules lectriques comme substituts aux vhiculesconventionnels accroitrait la consommation lectrique du pays. Toutefois les diffrents scnarii dutableau 1.2 illustrent le faible impact sur les moyens de production. Au cours dune journe type,que ce soit en hiver ou en t, le diffrentiel de consommation moyenne entre le jour et la nuit avoi-sine 10GW comme en tmoigne la figure 1.9. Ainsi, un parc de 10 millions de vhicules lectriques

parcourant 37km par jour et rchargs quotidiennement en heures creuses pourrait tre absorb sansmodification au niveau des capacits de production (approx. 9GW requis).

Taille duparc

Parcoursjournaliermoyen(km)

Consommationlectrique as-socie (GWh)

Surproductionrequise sur 8h(GW)

Surproductionrequise sur24h (GW)

Consommationannuelle(TWh)

1 million 37 7 1 0.3 35 millions 37 37 5 1.5 1410 millions 37 74 9 3.1 2737 millions 37 274 34 11.4 99

Hypothse 200Wh/km la priseTABLE 1.2 Scenarii de parc automobile lectrifi


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FIGURE 1.9 Charges lectriques typiques dune journe en t, hiver et demi-saison (DS). [RTE 2011]

1.2.3 Minerais

Les minerais sont, tout comme les hydrocarbures, prsents dans la crote terrestre en quantitfinie et les capacits dextractions associes peuvent pisodiquement tre infrieures la demandemondiale. En effet, on estime quun dlai de 10 ans est ncessaire entre la dcouverte dun gisementet sa phase de mise en production au stade industriel. En consquence, toute volution rapide etimprvue des besoins dun minerai en particulier peut provoquer une tension sur le march de lap-

provisionnement. Toutefois, la diffrence des hydrocarbures qui finissent bruls dans des racteursthermiques (moteur, centrale lectrique ou chauffage), les minerais sont, en grande partie, rutili-sables (et rutiliss). Des procds de recyclage ont t tablis pour la quasi totalit des produits etles filires se dveloppent sous la pression legislative europenne. Sur ce plan, lEurope, dont les r-serves minires sont tout aussi pauvres que les rserves dhydrocarbures a depuis longtemps saisilimportance du recyclage pour limiter les importations trangres.

Dans un vhicule lectrique ou hybride, de nouveaux besoins apparaissent en comparaison desvhicules conventionnels. Ainsi certains mtaux et lanthanides (terres rares) sont requis dans la ra-lisation des dispositifs lectriques et lectroniques qui constituent la chaine de traction lectrique. Enparticulier, le cuivre et laluminium interviennent pour la fabrication des machines lectriques (car-

ter, bobinage,...), des conducteurs et des collecteurs de courant dans les SSE. Les terres rares tellesque le Nodymium sont ncessaires la ralisation des aimants permanents de certaines machineslectriques ou encore aux lectrodes de la prcdente gnration de batteries (NiMH, Lanthanium).


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(a) Consommations (b) Prix

FIGURE 1.10 Evolutions de la consommation et des prix des matires premires au regard de lac-croissement de population [Appert 2012]

1.2.3.1 Les Mtaux du Gnie Electrique

Le Nickel est un minerai mtallique qui intervient dans la fabrication des batteries NiMH, de ma-triaux magntiques (alliage FeNi) et comme matriau de cathode dans certaines batteries Li-ion.Au rythme actuel de production, on entrevoit seulement 44 annes de rserves. Toutefois, lusageprincipal du Nickel correspond la fabrication dacier inox et seulement 3% de la production est

consomme par lindustrie des batteries [Saniere 2010].

LAluminium est obtenu partir de bauxite. Il existe dautres filires mais leurs viabilits tech-niques et conomiques ne peuvent pas rivaliser. Toutefois, les rserves mondiales de bauxite nap-pellent pas dinquitude notoire [USGS 2012]. On retrouve ce mtal dans la fabrication de nom-

breuses pices mcaniques des vhicules modernes, y compris les carters de machines lectriques.Son usage se dveloppe aussi comme conducteur lectrique et comme collecteur de courant pour lacathode des batteries Li-ion.

Le Cuivre est le mtal de prdilection comme conducteur lectrique. Il est massivement utilis

pour raliser les bobinages des machines lectriques. Il sert aussi comme collecteur de courantpour lanode des batteries Li-ion. Toutefois sa disponibilit est semblable celle du Nickel (40 ans)[USGS 2012]. Il a vocation tre subsitu au profit de lAluminium partout o cela est possible (cequi nest pas le cas au niveau des anodes). Son recyclage intgral est galement une priorit.

1.2.3.2 Les Terres rares

LUnion Europenne, le Japon et les Etats-Unis se sont rcemment mus de la situation mondialede production de Terres Rares. Sur la base de considrations conomiques et environnementales, lespays dvelopps ont en effet dlgu la production de ces minerais particuliers la Chine depuis une

dcennie. En effet, la faible concentration de ces minerais et la radioactivit qui les accompagne ontincit les compagnies minires recourir la main doeuvre chinoise dans le but de garder des cotsde production profitables et de saffranchir des contraignantes lgislations environnementales occi-


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Objet technologique Terre(s) rare(s) n-cessaire(s)

Qt par unit pro-duite (kg)

Niveau de tensionapprovisionnement

Moteur lectrique VEH Neodyme(Nd) 1-2 ++Batterie NiMH (VEH) Lanthanium(La) 10-15 -Pot catalytique Diesel Platine(Pt) >50% prod ++

Pot catalytique Essence Palladium(Pd) >50% prod ++Eolienne (1MW) Neodyme(Nd) 100-150 ++Batterie Li-ion Nant / /

TABLE 1.3 Usage de terres rares dans les applications modernes [Kara 2010]

dentales. Aujourdhui, la Chine concentre 97% de la production mondiale et limite ses exportationsvers ltranger afin de contenter son march intrieur et de favoriser la production de certains objetstechnologiques sur son territoire. Il faut en effet savoir que les terres rares (ou lanthanides) sont n-

cessaires la fabrication de nombreux dispositifs technologiquement avancs, particulirement dansle domaine de lnergie comme en tmoigne le tableau 1.3. Toyota mne des recherches visant, dunepart industrialiser les filires de recyclage des terres rares prsentes dans les moteurs lectriquesde ses vhicules, et dautre part dvelopper de nouveaux moteurs ne ncessitant pas lemploi deNodyme [Toyota 2011].

1.2.3.3 Les Autres matriaux requis

On estime 100g par kWh la quantit de Lithium intervenant dans la ralisation dune batte-rie Li-ion. Ce qui correspond un besoin de 2 3 kg pour une voiture purement lectrique et moins dun kilogramme pour un vhicule hybride rechargeable. Notons que pour une batterie descooter (2kWh) il ne faut plus que 200g et pour un VAE (300Wh), le besoin ne dpasse pas 30g.La demande mondiale slve 30kt environ dont 30% sont affectes lindustrie des batteries. A cerythme de production, on estime pouvoir subvenir 160 ans de consommation avec les rserves exis-tantes [Saniere 2010]. Une production mondiale annuelle de 10 millions de VE gnrerait un besoinadditionnel de lordre de 25kt de Lithium, soit un doublement de la production. Dans ce contexte,le recyclage du Lithium, techniquement ralisable mais rarement mis en pratique compte tenu dufaible intrt conomique actuel, apparait comme une ncessit face un parc important de vhi-cules lectrifis. Daprs une tude dArgonne [Gaines 2009], la ralisation dune batterie de 30kWh

ncessite une quantit variable de Lithium en fonction de llectrochimie employe : 7.4kg pour lagnration prcdente (NCA 5/graphite) contre 3.4 et 4.7kg respectivement pour la gnration ac-tuelle (LMS 6 et LFP 7). La rcente technologie LTO 8 prsente comme inconvnient de porter 12.7kgla consommation de Lithium pour raliser cette mme batterie, en raison de sa densit dnergie plusfaible et de la prsence de Lithium dans la composition du matriau actif danode. On peut noterque les industriels se sont rapidement tourns vers des lectrochimies dont les constituants de basesont disponibles en abondance (Fer, Phosphate, Manganse, Graphite), ce qui ntait pas le cas de lapremire gnration (Cobalt, Nickel).

5. Nickel-Cobalt-Aluminium6. Lithium Manganse Spinelle7. Lithium Fer Phosphate8. Titanate de Lithium


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1.3. Conclusion et motivation du travail de thse 15

1.3 Conclusion et motivation du travail de thse

Les donnes prsentes dans cette introduction gnrale laissent prsager dun avenir proche onos socits seront contraintes de modrer leurs apptits nergtiques et matriels malgr un contextedaugmentation de la population. Ds lors, il apparait ncessaire daccroitre lefficacit nergtique

et la sobrit matrielle relatives nos modes de vie.Le travail qui va suivre tente donc de mettre en place des outils ncessaires la juste prdiction de

lusage des batteries Lithium-Ion dans les transports comme subsitut aux motorisations convention-nels (cas des vhicules lectriques) ou comme aide la rduction de consommation de carburant (casdes vhicules hybrides). Au-del des videntes considrations conomiques, il apparait ncessairede dimensionner au mieux les systmes de batteries afin den optimiser la dure de vie et ainsi de r-duire les consommations nergtiques et matrielles lies la production de tels vhicules lectrifis.


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CHAPITRE 2

Fondements

Sommaire

2.1 Systmes de stockage de lnergie lectrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

2.1.1 Batteries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172.1.2 Supercondensateurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272.1.3 Autres dispositifs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

2.2 Architectures vhicules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

2.2.1 Hybrides (VEH) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

2.2.2 Electriques (VE) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 322.3 Vieillissement et fiabilit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

2.3.1 Champs dapplication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 342.3.2 Cas des batteries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

2.4 Modlisation de lusage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

2.4.1 Besoins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 512.4.2 Cycles normaliss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 512.4.3 Approches existantes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

2.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

Dans ce chapitre, je vais exposer les fondements thoriques ncessaires aux travaux prsents parla suite. Nous allons passer en revue le fonctionnement lectrochimique des SSE, puis leur intgrationdans un usage vhicule. Ensuite nous tudierons la question de la dgradation des performances desSSE avant de conclure sur les outils notre disposition pour modliser finement lusage des SSE dansles diffrents usages du transport.

2.1 Systmes de stockage de lnergie lectrique

2.1.1 Batteries

Note : le lecteur recherchant la comprhension la plus large du fonctionnement des batteries et de leurtechnologie est invit se tourner vers les ouvrages de rfrences que sont [Linden 2001, Huggins 2008,Yoshio 2009, Reddy 2010]. En particulier [Reddy 2010, Chapitre 26] apporte un clairage jour et trs com-plet. Les mcanismes de dgradations sont documents par [Brown 2008, Section 1.6] et [Groot 2012, Chapitre2] et modliss par [Deshpande 2011].

Une batterie est un dispositif de conversion dnergie. Ce dispositif stocke de lnergie sous formechimique entre deux lectrodes : llectrode positive est appele la cathode, llectrode ngative estlanode, en convention gnrateur 1.

La cathode prsente le potentiel le plus haut et durant la dcharge les lectrons affluent dans sadirection via le circuit externe de telle sorte que le courant circule de la cathode vers lanode par le

1. Ces dfinitions ne sont pas valables au sens lectrochimique de ces deux termes mais sont couramment employesdans la littrature technique et scientifique, par abus de langage. Nous utiliserons cette terminologie simplificatrice tout aulong de ce manuscript.


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18 Chapitre 2. Fondements

circuit externe, comme en tmoigne la figure 2.1. Lnergie chimique peut tre convertie en lectricitsimplement en refermant le circuit lectrique externe.

FIGURE 2.1 Principe de fonctionnement dune batterie Li-ion [Wakihara 2001]

Si la batterie ne fonctionne que dans ce sens, elle est dite primaire. Si un apport extrieur dnergielectrique permet de raliser la raction de dcharge lenvers, alors le dispositif est rversible et la

batterie est dite secondaire. Il arrive frquemment quune batterie puisse tre dcharge mais pas oumal recharge lorsque la raction spontane en charge nest pas linverse de celle en dcharge. Dansles batteries comme dans les piles combustible, le processus de conversion lectrochimique consisteen une paire de ractions redox aux deux lectrodes : lune soxyde alors que lautre est rduite et leslectrons circulent par le circuit externe.

Les batteries Lithium-ion ont pour particularit de faire appel un sous-type de cette ractionlectrochimique. En effet, le fonctionnement des batteries Lithium repose sur une raction de chi-mie du solide dite dinsertion ou dintercalation. Les cations Li+, de relativement faible diamtre,prennent place dans une structure cristalline hte moyennant lapport dune petite quantit dner-gie.

2.1.1.1 Fonctionnement

Comme on peut le voir sur la figure 2.2, une cellule Li-ion est faite dune succession de couches.On trouve droite la cathode base doxyde mtallique lithi (LiMeO2), avec Me=Co, Mn, Ni, etc.Celle-ci est au contact de llectrolyte (fait de sels de Lithium dissous dans un solvant organique la


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2.1. Systmes de stockage de lnergie lectrique 19

FIGURE 2.2 Modes de conduction (lectronique ou ionique) en haut et ractions associes en bas[Yoshio 2009]

plupart du temps). On trouve sa gauche un sparateur, sorte de membrane solide souple, dont lerle est de permettre le passage des ions conducteurs (cations Li+) dune lectrode lautre sans pourautant permettre de conduction lectronique (prvention de contact). Ainsi comme nous le verronsplus tard, la charge lectrique ne peut tre transmise lintrieur de la cellule que par les cations Li+

alors que les lectrons doivent eux emprunter le circuit externe. On trouve gauche lanode base decarbone, souvent sous forme graphite (LixC6). Celle-ci nest pas au contact immdiat de llectrolytemais se trouve spare de lui par une couche de passivation, une sorte de film qui se forme lors de

la premire utilisation de la cellule lorsque lanode ragit partiellement avec llectrolyte. Ce filmest communment appel SEI ou Solid Electrolyte Interface. Il est ncessaire la stabilit de lanodedans la cellule. Enfin pour faire circuler le courant lectrique vers et depuis la cellule, on colle descollecteurs de courant au contact des lectrodes. Lanode reoit un collecteur Cuivre alors que lacathode reoit un collecteur Aluminium, ceci pour des raisons de stabilit lectrochimique.

Le fonctionnement dune batterie Lithium repose donc sur lchange de cations Li+ entre la ca-thode et lanode travers le sparateur, llectrolyte et la SEI (cf. figure 2.4a). Ainsi, la dcharge,chaque atome de Lithium quitte lanode (LixC6) et libre un lectron pralablement captur. Llec-tron circule par le circuit externe via le collecteur de courant tandis que le cation Li+ migre vers la ca-thode en traversant dabord la SEI puis llectrolyte et son sparateur membranaire avant datteindre

la cathode. Une fois proximit immdiate de la surface de la cathode, le cation Li+

pntre puisdiffuse dans le matriau de cathode jusqu trouver un site libre et se recombine avec un lectron.Lapport en lectrons est assur par le circuit externe via le collecteur de courant. Lors de la charge,


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FIGURE 2.3 Evolutions des concentrations en Lithium au sein des deux lectrodes en charge et endcharge [Brown 2008]

(a) Schma (b) Matriaux

FIGURE 2.4 (a) Schma de principe dune batterie Li-ion avec volution de la tension aux bornesde la cellule et des potentiels danode et de cathode en fonction de ltat de charge, (b) Matriauxdanode et de cathode couramment utiliss et classs selon leur potentiel dinsertion Vs. Li/Li+

[Brown 2008]

il convient simplement dinverser les sens de dplacement des cations Li+ et des lectrons. On voitdonc que les mcanismes de transfert de charges lectriques sont de deux natures. A lintrieur de lacellule, les cations Li+ assurent une conduction ionique rendue possible par la conductivit ioniquede la SEI, de llectrolyte et du sparateur. A lextrieur de la cellule et lintrieur des lectrodes, cesont des lectrons qui assurent une conduction lectronique favorise par la prsence de collecteurs

de courant et de liant dans les lectrodes.Idalement linsertion/dsinsertion se droule instantanment et sans dformer nullement llec-trode daccueil. En pratique, les cations Li+ doivent diffuser dans le matriau pour trouver un site


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FIGURE 2.5 Reprsentation des chemins emprunts par les charges ioniques (Li+) et lectroniques

lors de linsertion [Brown 2008]

vacant et ceci est rgi par les lois de la chimie du solide. Dautre part, les cations Li+ ont beau treparmi les plus petits, ils provoquent nanmoins une lgre variation du volume des lectrodes lin-sertion, ce qui a tendance induire un stress mcanique qui se manifeste parfois par des phnomnesde dislocations locales. Ce processus dintercalation se droule en trois tapes, illustres par la figure2.5 :

Diffusion ou migration des cations Li+ solvats dans llectrolyte Dsolvatation des cations Li+ et pntration dans la structure vacances, recombinaison avec

un lectron libre (provenance externe)

Diffusion des espces Lithium dans la structure daccueilLa cathode nest gnralement pas llectrode limitante pour des raisons de viabilit de la cellule.

En effet, cette dernire est conue de faon ce que la concentration en espce Lithium ne varie pasde plus de 50% (parfois plus en fonction du matriau de cathode utilis, mais

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FIGURE 2.6 (a) Cellule type nergie, (b) Cellule type puissance, (c) Comparaison des performancesen fonction du rgime de dcharge. [Brown 2008]

de limitations cintiques qui se manifestent sous des rgimes de courant plus faible que les cellulespuissance. Tous ces points sont rsums par la figure 2.6.

Au final, la plupart des cellules fonctionnent une tension nominale comprise entre 3.6V et 3.7Vet une tension de fin de charge de 4.2V. Les cellules cathodes LiFePO4 (Lithium-Fer-Phosphate ouLFP), fonctionnent un potentiel sensiblement infrieur et par consquent la tension nominale dela batterie se situera dans ce cas entre 3.2V et 3.3V. La figure 2.4b situent les matriaux actifs usuelsselon leur potentiel Vs. Li/Li+. Il existe des matriaux de cathode fonctionnant plus haut potentiel,autour de 5V, comme le LiMnMeO4 . Malheureusement, haut potentiel, les lectrolytes actuels semontrent trop instables (ragissent trop) et la cellule complte nest pas viable (vieillissement rapideet problme de scurit). La recherche se concentre sur les techniques et additifs qui rendront possible

lemploi de cathode haute tension.

2.1.1.2 Matriaux danode

Par dfinition, lanode est le sige de la raction doxydation, cest--dire qui libre un ou deslectrons (red -> ox + n*e). De ce point de vue, lanode dsigne llectrode ngative lors de la d-charge tandis quelle dsigne llectrode positive lors de la charge. Toutefois, dans le cas des batteriessecondaires, lanode dsigne par convention llectrode ngative dans tous les cas de figure. Dansles systmes Lithium, la premire anode consistait en du Lithium mtallique. Dans un souci dac-

croitre la cyclabilit, la scurit et la capacit volumique spcifique, les anodes base de carbone(coke,amorphe, MCMB, graphite) se sont imposes. Les alternatives au graphite sont les matriaux basedtain (Sn), de silicium (Si), de titanate (LTO : Li4T5O12) et de nanotubes de carbone.


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2.1.1.3 Matriaux de cathode

Par dfinition, la cathode est le sige de la raction de rduction, cest--dire qui capte un oudes lectrons (ox + n*e -> red). Dans le domaine des batteries secondaires, la cathode dsigne parconvention llectrode positive dans tous les cas de figure. Les conditions remplir pour quun

compos dintercalation soit considr comme un bon matriau de cathode sont rappeles par[Linden 2001, Ehrlich, Chapitre 35] :

Haute nergie libre de raction avec le Lithium (potentiel lev typ. 4-5V) Capacit incorporer de larges quantits de Lithium (capacit spcifique leve >200mAh/g) Intercalation rversible sans altration de structure Bonne diffusion des cations Li+

Bonne conductivit lectronique Insolubilit dans llectrolyte Prpar laide de ractifs peu onreux Synthse faible cot

Le matriau de cathode historique est le dioxyde de Cobalt (LiCoO2) employ lors de la pre-mire industrialisation par Sony en 1991. Actuellement, les matriaux de cathode dominants sontle NCA (Nickel-Cobalt-Aluminium), le NCM (Nickel-Cobalt-Manganese), le LMS (LiMn2O4) et leLFP (LiFePO4). Ces materiaux dintercalation prsentent des capacits spcifiques, des potentielsdinsertion, des cots de production et des aspects scuritaires diffrents les uns des autres.

2.1.1.4 Electrolytes, sparateur et additifs

FIGURE 2.7 Constituants dune batterie Lithium-ion [Linden 2001]

Assembler une cathode et une anode ne suffit pas raliser une cellule fonctionnelle et encoremoins performante. La composition de lelectrolyte (solvants + sel conducteur), la structure du spa-rateur et la composition et les proportions des additifs (liant, dopants de conduction) jouent un rleprpondrant sur la performance pure et la durabilit dune cellule Lithium-ion. Malheureusement,

chacun de ces constituants inactifs (dans le sens o ils ne participent pas au stockage lectrochimiqueproprement dit), contribue alourdir la cellule et accroitre son cot de revient. On peut dfinir laquantit QM comme la capacit quivalente de lensemble des composants inactifs. CA et CC dsi-


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gnent respectivement la capacit spcifique du matriau actif danode et celle du matriau actif decathode. Lobjectif est de maximiser cette quantit QM afin de limiter linfluence de ces matriauxinactifs sur le bilan de capacit spcifique tel quil est dfini par lquation (2.1) [Yoshio 2009, Dimov,section 11.1].

Ctotal(mAh/g) =1

(1/CA) + (1/CC) + (1/QM)=

CA CC QM(CA QM) + (CC QM) + (CC CA)

(2.1)

Une valeur infinie reprsente lobjectif inatteignable, tandis quune valeur proche de CC et CAindique que les constituants inactifs sont responsables denviron 1/3 du poids de la cellule.

2.1.1.5 Opportunit conomique

Le cot actuel et futur des batteries Lithium-ion est au centre de beaucoup dattentions. Lobjectifavou est de concurrencer le vhicule conventionnel (motorisation thermique) sur lensemble du

cycle de vie du vhicule, voire mme de proposer une alternative lgrement moins onreuse pourcompenser le dsagrment caus par la plus faible autonomie.

Le choix de llectrochimie retenue lors de la fabrication indutrielle de batteries Lithium joue unrle non-ngligeable. En effet, le cot des matires premires des diffrents matriaux de cathode estfortement variable. Pour les principales options actuelles, il faut compter [Nelson 2011, page 64] :

10$/kg pour LiMn2O4, 20$/kg pour LiFePO4, 37$/kg pour LiNi.80Co.15Al.05O2, 39$/kg pour LiNi.33Co.33M n.33O2, 60$/kg pour LiCoO2,

19$/kg pour du Graphite, 12$/kg pour Li4T5O12.La contribution des matires premires la formation du cot de revient des batteries Lithium-

ion est un bon indicateur de la maturit de la maitrise industrielle. Pour la production destinationde llectronique grand public (formats standardiss, larges volumes), les matriaux contribuent hauteur de 70% ou plus [Takeshita 2007]. En revanche, pour les batteries de traction la contributiondes matires premires reste minoritaire devant la contribution du processus de fabrication et descots de dveloppement [Anderman 2012]. Il est souvent avanc que laugmentation des volumesde production peut permettre une forte rduction des prix. Une autre source de rduction des cotstient laugmentation des densits nergtiques gravimtriques et volumtriques qui permettrontle stockage dun kWh partir dune masse matrielle et dune surface totale dlectrodes en baisse.

Dans le domaine de llectronique grand public, la standardisation des procds de fabrication (for-mat cylindrique standard 18650), laugmentation des volumes de production et laccroissement de ladensit nergtique au moyen de nouveaux matriaux de cathode ont permis une trs forte rductiondes cots (200-300e/kWh en 2012). A titre dexemple, une batterie de 25kWh 250e/kWh permet-tant de couvrir 150000km au cours de sa vie offrirait le mme cot de revient kilomtrique quuneconsommation de 6l/100km avec un litre de carburant 1e. Cela constituerait une performance trscomptitive, dautant plus que lventuelle r-utilisation de la batterie aprs sa vie automobile gn-rerait un revenu apprciable.

Pour les vhicules hybrides, la mtrique utile sexprime en e/kW. En effet, la puissance utileprime sur lnergie. La batterie de la Toyota Prius II schange entre 1500 et 2500$ ce qui se traduit

par un cot de 80e/kW ou 1600e/kWh [Takeshita 2007].Plusieurs simulations simplifies sont proposes dans les figures 2.8 2.12. Pour toutes ces si-mulations, une hypothse de consommation de 200Wh/km la prise est retenue. Une recharge en


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Cot du carburant (Euro/l)

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FIGURE 2.8 Cible kilomtrique pour vhicule lectrique comptitif en 2012

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FIGURE 2.9 Nombre de cycles requis pour vhicule lectrique comptitif en 2012

4000040000 60000

6000060000

8000080000

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Cotdelabatterie(E

uro/kWh)


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FIGURE 2.10 Cible kilomtrique pour vhicule lectrique 300km comptitif en 2012


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FIGURE 2.11 Cible kilomtrique pour vhicule lectrique comptitif en 2020

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FIGURE 2.12 Nombre de cycles requis pour vhicule lectrique comptitif en 2020

heures creuses est privilgie (9.36ce/kWh en 2012 et 14.04ce/kWh en 2020) . Le cot des rechargesbas sur ces hypothses est pris en compte dans ces simulations. Le taux dactualisation des sommesengages nest pas pris en compte. Lensemble des simulations et de leurs dtails sont disponiblesdans lannexe A.

Intressons-nous ici deux problmatiques distinctes : partir de quel kilomtrage le vhicule lectrique rattrape-t-il le cot dexploitation du vhicule

thermique ? quelle durabilit doivent prsenter les batteries pour atteindre cet objectif kilomtrique ?Pour un vhicule offrant une autonomie relle de 100km (25kWh), nous observons daprs la

figure 2.8 que le seuil de rentabilit est atteint partir de 160000km environ lorsquon fait les hypo-thses suivantes : 600e/kWh Vs. 6l/100km 1.6e le litre. Cela se traduit par un impratif de durede vie voisin de 1200 cycles complets (figure 2.9), ce qui constitue un niveau de performance relati-vement lev mais potentiellement atteignable. En revanche, la rentabilit conomique dun vhiculeoffrant une autonomie plus large (300km) ne devient possible autour de 200000km que si le cot de

la batterie chte moins de 250e/kWh, comme le montre la figure 2.10.Si lon cherche anticiper la situation en 2020, on peut alors faire lhypothse que le vhiculethermique ne consommera plus que 4l/100km. Le vhicule lectrique autoriserait lui 200km dauto-


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nomie (50kWh) et le tarif de llectricit croitrait de 50% pour stablir 14.04ce/kWh (Rapport duSnat, Cot rel de llectricit, publi le 18/07/2012). La figure 2.11 indique que pour un litre decarburant 1.6e, la rentabilit est difficile atteindre. En effet, la traction lectrique ne savreraitrentable qu partir de 300000km pour une batterie 350e/kWh. Il faudrait alors tre en mesure decycler 1000 fois la batterie (cf. figure 2.12). A 2.5e le litre de carburant, la mme batterie 350e/kWhdevient profitable ds 175000km, soit 600 cycles.

Evidemment, de nombreux autres paramtres rentrent en compte pour valuer le seuil de renta-bilit prcis. On peut par exemple citer lcart de prix entre les seules motorisations, la variation ducot de maintenance, les usages smart-grid montariss, la taxation de llectricit pour le transport,la taxe carbone, le bonus/malus, la revente de la batterie si sa dure de vie excde celle du reste duvhicule, la contribution au recyclage, la location de vhicule pour les trajets trop longs.

2.1.2 Supercondensateurs

FIGURE 2.13 Schma de principe dun supercondensateur [Venet 2007]

Les supercondensateurs sont des composants de stockage lectrochimique mi-chemin entre les

batteries secondaires et les condensateurs lectrolytique [Venet 2007]. Ils prsentent une densit depuissance suprieure la plupart des batteries Lithium-ion (quelques kW/kg Vs quelques 100W/kg),mme si lcart tend se rduire avec le dveloppement de batteries type puissance (employant duLTO par exemple). En contrepartie, les supercondensateurs affichent une nergie spcifique large-ment dficitaire vis--vis des batteries Li-ion (quelques Wh/kg Vs quelques 100Wh/kg). Aussi, cescomposants sadressent essentiellement des applications ncessitant un fort niveau de puissancependant une dure trs courte (typiquement infrieure 10s). Les supercondensateurs ne se posentdonc comme concurrents des batteries Li-ion que dans le cas des vhicules faiblement hybridiss(micro-hybrid, start-stop) et se retrouvent en pareil cas souvent associs une batterie Plomb SLI 2

classique.Ils sont trs proches par construction des batteries et la diffrence tient essentiellement la na-

ture du matriau actif dpos sur les lectrodes. Comme pour les condensateurs lectrolytiques, les

2. Start Lightning Ignition


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supercondensateurs comportent deux lectrodes et un lectrolyte. Plusieurs technologies co-habitentmais celle base dlectrodes au charbon actif et dlectrolyte lactonitrile reprsente lessentiel dela production actuelle. En effet, les lectrodes en charbon actif sont les plus dveloppes industriel-lement compte tenu de leur grande surface spcifique, du faible cot de la matire premire et duprocd industriel de fabrication. Le stockage dnergie pour les supercondensateurs lectrodes encharbon actif nest pas ralis grce un transfert de charges mais grce aux interactions lectrosta-tiques entre les ions de llectrolyte liquide et les charges lectroniques la surface des lectrodes.Cest le fait que ces charges lectriques se stockent uniquement en surface qui confre aux supercon-densateurs la fois leur forte densit de puissance et leur faible densit nergtique.

Lorsquune diffrence de potentiel est applique entre les deux lectrodes, les ions de llectro-lyte, sous linfluence du champ lectrique, se dirigent vers llectrode comportant des charges designe oppos. Les charges (lectroniques du ct de llectrode et ioniques du ct de llectrolyte)vont donc saccumuler de part et dautre des interfaces entre chaque lectrode et llectrolyte. Commenous pouvons le constater sur la figure 2.13, il se forme donc aux interfaces une zone de charge des-pace appele double couche lectrique. Cest lpaisseur de la double couche lectrique, de quelques

nanomtres (lie aux diamtres des molcules du solvant de llectrolyte de lordre du nanomtre),qui dfinit la capacit du composant. Cette trs faible paisseur, associe une trs grande surfacedlectrodes (jusqu 2000 3000 m2/g) grce lutilisation de matriaux poreux tels que le charbonactif, permet dobtenir des capacits trs leves (de plusieurs milliers de farads pour les plus groscomposants).

2.1.3 Autres dispositifs

Les batteries Lithium-ion et les supercondensateurs sont aujourdhui au coeur de loffre technolo-gique en matire de SSE pour le transport. Toutefois dautres technologies se posent en concurrentes, court terme comme long terme. Dbutons cette revue deffectif par les technologies de SSE dont la

rversibilit nest obtenue quau moyen dune installation externe : pile combustible avec hydrolyseen station, et stockage par air comprim (ou un autre gaz) avec station de compression stationnaire.Un certain nombre de dmonstrateurs existent pour ces deux technologies mais le besoin en infra-structure externe (entre autres inconvnients) est un frein consquent leur diffusion plus large.Denombreuses lectrochimies alternatives au Lithium-ion sont galement en phase de dveloppementdans le domaine des batteries secondaires : Na-S, Na-NiCl2, Li-S, Li-Si, Metal-Air. Pour la plupart,lintrt vis--vis de la technologie de rfrence Li-ion rside soit dans une densit nergtique ac-crue soit dans un cot de production infrieur. Toutefois, leur maturit technologique et industriellene devrait pas intervenir avant une voire deux dcennies.Dautres dispositifs de stockage plus exo-tiques pourraient passer au stade industriel dans les annes venir : on compte parmi eux le stockage

inductif par supraconducteur et le volant dinertie.Un panorama non exhaustif est propos en figure 2.14 o sont prsents les forces et faiblesses dechaque voie technologique. Ltalon carburant ptrolier est aussi inclus pour comparaison.


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(a) SC (b) Plomb (c) Nickel (d) Li-ion

(e) Li Polymer (f) LMP (g) Zebra (h) Metal-Air

(i) NaS (j) PEMFC (k) SOFC (l) Volant inertie

(m) Air comprim (n) Essence (o) Supraconducteur

FIGURE 2.14 Panorama des systmes de stockage de lnergie


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2.2 Architectures vhicules

FIGURE 2.15 Flux nergtiques sur cycles normaliss [Montaru 2009, Annexe B.2]

Un vhicule motoris conventionnel est m par un moteur thermique au travers dune chainecinmatique relativement complexe entre larbre moteur et la ou les roues motrices. Longtemps, lesmoteurs essence ont domin loffre commerciale, grce leur maturit technique prcoce. Les moto-risations diesel et GPL ont ensuite progressivement intgr les catalogues des diffren

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