L' électricité - TPE : nouvelles énergies

     L’électricité

 

            Le principe de l’utilisation de l’électricité est l’inverse du moteur à essence : il s’agit d’un moteur très simple mais d’un système de stockage beaucoup plus complexe qu’un réservoir d’essence. En effet, si des moteurs électriques puissants existent déjà, l’objectif est de trouver la batterie qui pourra répondre à plusieurs attentes telles que le stockage d’une grande quantité d’énergie, un coût réduit, une puissance élevée et surtout un temps de chargement minime car cette batterie relève encore de l’utopie.

            Actuellement, la meilleure candidate est la batterie au lithium. Son mode de fonctionnement consiste en un système d’aimant : les ions lithium sont attirés par le matériau  de l'électrode positive (le graphite). Leur migration à travers l’électrolyte entraîne une migration parallèle des électrons : c’est le courant électrique qui est destiné au moteur.

            Cette batterie à été présenté en 1970 par Stanley Whittingham. Elle à depuis subit beaucoup de modification mais elle se heurte à de nombreux obstacles.

            L’un de ces derniers est la densité énergétique de la batterie. La batterie au lithium, ou lithium-ion, à une puissance qui varie entre 160 et 200 Wh/kg mais c’est tout de même très loin des 10 000 Wh/kg qui correspondent à celle d’un moteur classique à essence. Son amélioration repose en partie sur une modification du matériau de l’électrode positive. Une proposition étonnante a été étudiée : l’air ambiant ! En effet, les ions Li+, une fois lâchés par l’électrode négative, traverseraient l’électrolyte et au contact de l’air ils formeraient un oxyde. Et on obtiendrait alors en théorie une densité de 1000 Wh/kg, soit un nombre près de cinq fois supérieur à ceux obtenus par une électrode en graphite. Cependant, cette batterie  révolutionnaire présente un sérieux problème : elle refuse de se décharger (l’oxyde de lithium reste stable et les ions refusent de repartir). Ainsi cette électrode demeure une énigme à résoudre pour les chercheurs car son fonctionnement reste tout de même très prometteur.

            Un autre problème majeur qui apparaît dans l’utilisation du moteur électrique est le temps de chargement des batteries. Celui-ci serait de huit heures avec une prise de courant classique de 16 ampères. Avec 200 ampères, le chargement serait réduit à une durée d’une heure (pour une batterie du type de la BO de Bolloré. Ce chargement plus rapide engendre malheureusement une baisse de la durée de vie des batteries. L’objectif est donc de trouver l’intensité optimale pour un temps de chargement court qui n’altère pas les capacités de la batterie. Cédric Lewandowski (directeur de la division transport et véhicule électrique chez EDF) le résume ainsi : « Charger la batterie à 50% en une demi-heure. » Leurs tests sur des électrodes en Cobalt sont encourageant ainsi que ceux sur les électrodes en oxyde de titane (2 à 3 minutes pour un chargement total mais la puissance ne dépasse pas les 130 Wh/kg.

            Les matières premières apparaissent aussi comme un obstacle à l’évolution des batteries électriques.  En effet, avec 15 kg de lithium par voiture et 60 millions de véhicules utilisés aujourd’hui, un calcul simple montre qu’il faudrait consommer en un an près d’un million de tonnes de lithium. Cela est à comparer aux… 25 000 tonnes de lithium produites en 2007 et surtout aux ressources mondiales exploitables évaluées à 11milions de tonnes. Il est actuellement envisagé de l’extraire de l’eau de mer ce qui augmenterai les ressources disponible jusqu'à 200 milliard de tonnes ! Mais à quel prix et comment l’extraire de façon rentable ? Le coût trop élevé (500euro/kWh) est lui aussi contraignant à cause des matériaux rares et chers que demandent les batteries au lithium. De plus, la mise en place d’un service de recyclage est indispensable pour que l’utilisation des batteries électriques ait un réel impact écologique.       

            Ces différents éléments nous montrent un aspect assez négatif des batteries Li-ions (puissance peu élevé, matière première rare, coût trop haut, chargement long, etc. …). Ils encouragent l’idée que le moteur électrique parfait relève encore beaucoup de l’utopie, et même si des concepts révolutionnaires sont étudiés (électrode par air ambiant, extraire le lithium de l’eau de mer, etc. …), il semble certains qu’ils ne seront pas utilisés avant un certains nombre d’année. Une des solutions serait alors la batterie sans lithium : c’est là l’objectif actuel des scientifiques.

 

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