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vendredi 2 janvier 2015

Architecture et énergie des véhicules alternatifs

Table des matières du blog www.8-e.fr

Résumé
Nous prenons en compte 6 architectures alternatives, strictement dépourvues d’émissions locales, ayant une autonomie de l’ordre de 200 Km selon l’utilisation-type :
  1. Réservoir d’hydrogène électrolytique alimentant un moteur thermique
  2. Réservoir d’hydrogène électrolytique alimentant un moteur électrique via une pile à combustible
  3. Comme ci-dessus avec petite batterie tampon (12 KWh) filtrant les besoins variables en énergie finale
  4. Grosse batterie (48 KWh) et moteur électrique
  5. Moyenne batterie (24 KWh) et moteur électrique, avec trolley pour caténaires sur autoroute
  6. Trolley sur caténaires uniquement, pour réseau entièrement électrifié (théorique !)
Similitudes et différences avec le véhicule-type diesel
  • Outre leur architecture, la masse (réservoir haute pression et/ou batterie), la présence ou non d’une récupération d’énergie cinétique, l’alimentation des auxiliaires.
  • L’utilisation-type est inchangée.
  • Les rendements varient fortement, la filière hydrogène étant pénalisée par le rendement cumulé de l’électrolyse et de la pile à combustible qui n’excède pas 37%, encore aggravé si un moteur thermique est utilisé. Les architectures à batteries ont un bon rendement, encore amélioré par l’utilisation de trolleys sur caténaires.
  • Les énergies primaires, ici électriques, traduisent ces différences de rendements.
Pour permettre la conversion de l’ensemble du parc, la production électrique nationale devrait être accrue d’environ 140% pour des véhicules thermiques à hydrogène, de 80% pour des véhicules à PàC et batterie, et de 30% pour des véhicules à caténaire et batterie


Ce message traite des sujets en bleu dans le synoptique ci-dessous :

De nombreux articles et communiqués de presse mettent en relief les progrès indéniables réalisés en matière d’architectures automobiles alternatives exemptes d’énergie fossile, sans émission locale, basées sur les batteries, notamment lithium-ion, ou sur l’hydrogène. Beaucoup d’entre eux sont néanmoins à prendre en compte avec prudence, étant motivés par la recherche de crédits publics et/ou d’apports en capital. Très peu cherchent  à faire une synthèse, qui est l’objet du présent message.

Nous comparerons 6 architectures envisageables :

3.1. Véhicule avec réservoir d’hydrogène comprimé obtenu par électrolyse (faute de quoi il devrait être considéré comme fossile) alimentant un moteur thermique et sa chaîne cinématique conventionnelle. Ce véhicule est très proche d’un véhicule actuel à GPL, sauf en ce que l’hydrogène ne peut être stocké sous forme liquide, ce qui amène à utiliser un réservoir sous haute pression pour parvenir à une masse suffisante de ce gaz très léger. Cette architecture, qui ne recourt pas à des technologies sophistiquées, souffre du rendement médiocre des moteurs thermiques conventionnels, selon le principe de Carnot-Clausius.
3.2. Véhicules avec le même réservoir d’hydrogène qu’en en 3.1. ci-dessus, mais disposant d’une pile à combustible convertissant l’hydrogène en énergie  électrique qui alimente un ou plusieurs moteurs électriques. La pile à combustible doit ici être dimensionnée pour la puissance maximum, mais sera utilisée à une puissance très variable. Cette architecture ne permet pas la récupération d’énergie cinétique au ralentissement, car, dans l’état actuel de la technologie, une pile à combustible ne peut pas se transformer en électrolyseur.
3.3. Véhicule à pile à combustible analogue au 3.2. ci-dessus, mais comportant en plus une batterie qui permet de fournir un supplément d’énergie électrique en accélération, en côte ou ou en vitesse de pointe, et de récupérer l’énergie cinétique au ralentissement. Elle réduit la variabilité du débit de la pile à combustible, et permet de la dimensionner pour la seule vitesse de croisière maximum.

3.4. Véhicule électrique à batteries et moteur électrique, genre GM Ampera ou Renault Zoé, sans prolongateur, faute de quoi il ne serait pas à zéro émission locale.

Les architectures suivantes utilisent des caténaires. Cette méthode rustique, très répandue en ferroviaire qui a l’avantage d’utiliser les rails métalliques comme conducteur neutre, n’a été utilisée sur le route que pour des trolleybus. Des tramways les ont souvent remplacés, non pas en raison de leur alimentation électrique mono-fil, mais simplement parce que l’on privilégie les transports en commun en site propre, qui, dès lors, peuvent disposer de rails. Ses avantages ont été décrits dans un message de notre blog. Elle nécessiterait la pose de caténaires électriques, par exemple sur la file de gauche des autoroutes, et pratiquement, la mise en place du pilotage automatique de chacun des véhicules composant le « train ».

3.5. Véhicules à batterie comportant en plus une paire de perches (trolley) frottant sur les conducteurs de la caténaire bifilaire. Un tel véhicule est autonome partout dans les limites de sa batterie, et dispose en plus d’une autonomie illimitée sur les autoroutes ou trajets munis de caténaires. Leur recharge peut être effectuée non seulement dans une station de charge publique ou privée de véhicules électriques, mais aussi, en temps masqué, pendant les trajets sur voie électrifiée. Une telle architecture peut se justifier dès l’équipement électrique des premiers tronçons d’autoroutes, sans nécessiter une couverture généralisée, pour des véhicules dont l’itinéraire est répétitif.


3.6. Véhicules électriques à caténaire seulement. Toutes les voies publiques ou privées ne pouvant pas être électrifiées à un horizon prévisible, cette solution est considérée à titre purement théorique, comme l’aboutissement extrême de l’architecture précédente. Elle pourrait aussi, comme ce fut le cas de nombreux trolleybus, être hybride avec moteur thermique, mais sortirait alors du cadre de la présente comparaison. Nous avons considéré que cette architecture n’aurait pas la possibilité de récupération d’énergie qui poserait sans doute problème à travers un contact glissant sujet à microcoupures.

4.     Rendement et énergie primaire des véhicules alternatifs

4.1. Paramètres pris en compte pour les véhicules alternatifs
  • Supplément de masse, se répercutant sur les énergies de roulement et cinétique, calculé pour assurer une autonomie maximum  (jusqu’à épuisement du réservoir ou de la  batterie) de 200 Km selon l'utilisation-type. (Elle peut être considérée comme 350 Km dans les conditions idéales d’une vitesse constante de 60 Km/h déconnectée des conditions réelles actuelles) 
    • Energie spécifique (hydrogène + réservoir) : 0,7 KWh/Kg
    • Energie spécifique batterie Li-Ion : 0,18 KWh/Kg
      • Hydrogène thermique : 160 KWh, soit 230 Kg
      • Hydrogène et PàC : 90 KWh, soit 130 Kg
      • Batteries uniquement 48 KWh, soit 280 Kg
      • Hydrogène et PàC comme ci-dessus+batterie 12 Kwh : 130  Kg +70 Kg = 200 Kg
      • Hybride Batterie 24 KWh + caténaire : 140 Kg
      • Caténaire seul : aucun supplément


  • Consommation moyenne d’auxiliaires :
    • Mécanique (compresseur de climatisation…)  1 KW
    • Electrique (éclairage, servomoteurs, désembuage...) 0,7 KW après rendement d’alternateur éventuel, soit 1 KW avant.
    • Chauffage d’habitacle électrique : nulle pour moteurs thermiques, 0,5 KW si PàC, 1 KW pour véhicules à batterie sans PàC
A noter que la comparaison avec un véhicule diesel ayant près de 1 000 Km d’autonomie est biaisée, mais cette autonomie conduirait à des véhicules alternatifs aberrants, sauf … le véhicule à caténaire.

4.2. Energie finale des véhicules alternatifs

L’analyse est faite sur l’utilisation-type déjà utilisée pour le véhicule diesel-type. Elle est résumée dans le tableau ci-dessous, qui reprend pour mémoire les chiffres du véhicule-type diesel.


Les énergies finales requises pour les véhicules alternatifs ne sont pas fondamentalement différentes de celle du véhicule thermique conventionnel. On observe cependant :
  • Un petit supplément en énergie de roulement, dû au poids de la batterie et/ou du réservoir.
  • Pour les véhicules ayant une batterie, et en dépit de leur masse, un avantage important en énergie cinétique,  dû à la récupération de la majeure partie de cette énergie au ralentissement.
  • Un très petit avantage en énergie pour les auxiliaires, en dépit du chauffage qui est assuré partiellement (PàC) ou totalement (batterie seule ou caténaire) par effet joule, grâce à la suppression de la consommation au ralenti (sauf hydrogène thermique).
4.3. Energie primaire des véhicules alternatifs

La détermination de l’énergie primaire requiert l’évaluation préalable des rendements, comme suit :
  • Electrolyse : 70%
  • Pile à combustible : 53%
  • Moteur électrique : 90%
  • Récupération d’énergie cinétique sur batterie (uniquement) : 66%
Partant du tableau ci-dessus des énergies finales, on calcule évalue les énergies primaires requises compte tenu des rendements évalués ci-dessus. Par simplification, dans les véhicules hybrides, le rendement de batterie a été pris en compte en produit des autres :
  • Uniquement en urbain et périurbain pour les véhicules à batterie-PàC en raison des puissances qui y sont très variables
  • Idem mais aussi sur routes supposées non électrifiées pour les véhicules à batterie-caténaire 

Les énergies primaires (ici électriques) requises sont très différentes selon les architectures utilisées :
La famille à hydrogène n’apporte que peu de réduction par rapport à un diesel:
  • -23% en PàC seule,
  • -13% en PàC avec batterie,
  • augmentation de 53% avec moteur thermique.
La famille sans hydrogène apporte une réduction très importante :
  • -62% avec batterie seule,
  • -66% en hybride caténaires,
  • -68% en caténaires uniquement, théorique mais quand même instructif.
Rappelons que ces « réductions » résultent d’une comparaison entre une future énergie électrique (après rendement de Carnot-Clausius en production thermique ou nucléaire), remplaçant l’actuelle énergie thermique du carburant, qui est une véritable énergie primaire. Elles sont donc toutes relatives !

Quelles que soient les incertitudes et les approximations inévitables dans  ce genre d’analyse, la conclusion s’impose :
  • La famille à hydrogène est lourdement handicapée par le rendement de l’électrolyse cumulé avec celui de PàC, qui ne dépasse pas 53% x 70% = 37%, en dépit du bon rendement du moteur électrique et d’une éventuelle batterie auxiliaire. Sa version à moteur thermique, qui a l’avantage de la simplicité et de la continuité industrielle, est évidemment encore pire puisqu’elle cumule le rendement d’électrolyse avec celui du  moteur thermique à hydrogène soumis au principe de Carnot-Clausius, et donc inférieur à celui d’une pile à combustible.
  •  La famille sans hydrogène bénéficie à plein du bon rendement du moteur électrique, et de celui de la batterie dans la mesure de son utilisation, qui est réduite pour un véhicule à caténaires.
4.4.    Consommation énergétique du parc routier alternatif

Le tableau ci-dessous donne en deuxième ligne le produit du kilométrage annuel du parc, soit 636 milliards de kilomètres,  par la consommation d’énergie électrique primaire des véhicules alternatifs par kilomètre. Cette énergie globale est chiffrée en TWh (trillions de Wh).


Le résultat est percutant :
  • pour transformer le parc routier existant en véhicules à hydrogène, il faut disposer d’énergie électrique dans une quantité comparable à l’énergie thermique (523 TWh) des carburants utilisés, malgré le principe de Carnot-Clausius qui pénalise beaucoup ces derniers :
    • 153% pour l’architecture à moteur thermique
    • 77% à 87%  pour les architectures à pile à combustible 
  • Pour transformer le parc routier existant en véhicules purement électriques, le résultat est nettement meilleur :
    • 39% pour le véhicule à batteries
    • 34% à 32%  pour le véhicule à caténaires, hybride ou non 
Conclusion :

Le rendement cumulé électrolyse + pile à combustible est presque aussi mauvais (70% x 53% = 37%) que le rendement de Carnot- Clausius.

Nous verrons dans le message suivant que ceci ne serait pas sans conséquence sur les infrastructures électriques.

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mardi 1 juillet 2014

Batteries automobile pour stockage de de l'énergie de réseau


Nous avons vu dans le message « Problématique du stockage de l’énergie » que l’équilibrage du réseau électrique entre :
  • une consommation très variable
  • et une production dont une part croissante est « fatale », c’est-à-dire intermittente et plus ou moins prévisible (énergies hydraulique au fil de l’eau, marémotrice, éolienne, photovoltaïque)
aboutira à poser le problème du stockage de l’énergie électrique excédentaire produite par les filières fatales en période de faible consommation.

Nous avons vu également dans notre message précédent, que l’idée de stocker cette énergie dans une batterie d’accumulateurs stationnaires, évidente et très ancienne, se heurtait au problème du ratio coût / longévité de ces batteries qui constituent bien une solution techniquement correcte, mais non viable pour des raisons uniquement économiques.

Une solution envisagée par les promoteurs (mais pas les constructeurs) des véhicules hybrides rechargeables (VHR) et des véhicules électriques (VE) consiste à utiliser les batteries des véhicules pour le stockage provisoire de l’énergie de réseau, et ceci selon deux scénarios bien distincts :

  • Le recyclage des batteries de VE ou de VHR réformées, puis regroupées en batteries stationnaires
  • La décharge temporaire de batteries de VE ou de VHR connectés pour recharge
Recyclage des batteries de VE ou VHR

Ce recyclage constitue une variante du stockage par batteries stationnaires, dans lequel on remplace des batteries stationnaires dédiées par des batteries automobiles recyclées. Il ne pose aucun problème de principe  particulier et reste conforme au schéma ci-dessous, déjà publié, à quelques détails près.



Toutefois, dans cette hypothèse, de nombreuses incertitudes, difficiles à évaluer, apparaissent :

Quel sera l’état des batteries réformées ?
  • Si ces batteries étaient propriété de l’utilisateur, ce dernier risque de ne prendre la décision (très coûteuse) de remplacer sa batterie, qu’après une réduction très significative de ses performances : capacité, puissance (ou résistance interne), courant d’autodécharge, mais cette réduction sera aussi appréciée à l’aulne individuelle du rapport entre le trajet quotidien et l’autonomie résiduelle.
  • Si ces batteries étaient louées, tout dépendra des termes du contrat, qui pourra inclure soit une forme de garantie prévoyant le remplacement dès qu’un seuil minimum de performances ne sera plus atteint, soit un remplacement forfaitaire selon des critères de temps, de kilométrage ou autre.
C’est dire que dans tous les cas, l’état des batteries récupérées sera très dispersé.

A quel prix ?

On peut imaginer un marché concurrentiel de l’occasion sur lequel des récupérateurs proposent soit un prix forfaitaire par référence, soit un prix par Kwh de capacité résiduelle, pouvant aussi tenir compte d’autres paramètres variés tels que l’âge, le kilométrage, la référence…

Mais il n’est pas certain qu’un tel marché puisse exister : les VE et VHR resteront, plus encore que les véhicules conventionnels, un marché captif des constructeurs. Ceux-ci seront certainement tentés d’établir un système d’échange standard dans lequel l’utilisateur ne paye pas une batterie neuve, mais une soulte, différence de valeur entre la batterie neuve et la batterie réformée, cette dernière étant probablement évaluée forfaitairement à un prix de consigne.

Cette organisation très simple existe déjà pour de nombreux organes importants : moteur, boîte de vitesses, pompe hydraulique, démarreur, alternateur, mais elle n’existe pas pour les batteries de démarrage, parce que ces dernières ne font pas l’objet de rénovation.

Qu’en sera-t-il pour les batteries des VE et VHR ? Difficile à dire.

Par rapport à une batterie neuve, une batterie recyclée présente plusieurs inconvénients :
  • Une capacité réduite, que nous considérerons à 50% par hypothèse
  • Une durée de vie réduite dans des proportions difficiles à évaluer, mais certainement substantielles.
  • Une puissance réduite ou, en d’autres termes, une résistance interne accrue.
Supposons, afin de traiter les questions suivantes, que le prix de marché exprimé par Kwh résiduel (ce qui intègre la baisse de capacité) puisse s’établir à la moitié  de ce même prix pour une batterie neuve, afin de prendre en compte aussi la durée de vie et la puissance, et qu’elle soit finalement compétitive (en Kwh) non seulement par rapport à une batterie neuve, mais aussi par rapport à une batterie stationnaire.

Comment les regrouper ?

Nous avons vu dans le schéma ci-dessus, explicité dans le message dédié, que les batteries étaient des assemblages en série et en parallèle d’éléments électriquement identiques.
  • Les batteries recyclées seront inévitablement triées par référence de première monte.
  • Toutefois, des éléments de même référence, mais dont les paramètres électriques sont différents en raison de leurs dégradations différenciées, devront également être triées par niveau de performance, le montage série / parallèle ne pouvant être envisagé que sur des batteries de caractéristiques très voisines.
Bien entendu, en reprenant l’exemple d’un très petit stockage de 1 Mwh,
et en tablant toujours sur une tension uniforme des batterie, 500 volts par exemple, le montage en série des éléments est déjà fait à l’intérieur de chaque batterie recyclée. La batterie d’ensemble sera constituée uniquement par la mise en parallèle des batteries recyclées. S’il s’agit, par exemple, de batteries de 20 Kwh nominal déclassées à 10 Kwh, il en faudra 100.

Il restera à s’assurer que ces batteries automobile peuvent réellement être mises en parallèle, et quelles sont leurs caractéristiques de charge. A défaut, ou débouche sur une électronique de conversion beaucoup plus complexe.

Il est à prévoir la défaillance d’une batterie recyclée parmi les 100 en parallèle sera fréquente, et devra entraîner automatiquement sa mise hors circuit, probablement par un disjoncteur dédié à cette application.

On peut ensuite concevoir :
  • Soit une maintenance continue par remplacement rapide de la batterie défectueuse,
  • Soit un remplacement global des batteries recyclées, par exemple quand le pourcentage ce celles qui restent utilisables tombe en dessous d’une valeur plancher.
Finalement, cette solution, encore difficile à évaluer, souffre a priori des faiblesses suivantes :
  • Tri par référence
  • Tri par niveau de dégradation
  • Possibilité de mise en parallèle incertaine
  • Déstandardisation
  • Faible fiabilité
  • Maintenance lourde
Il n’est pas certain que ses inconvénients puissent être compensés par un moindre prix, face à des batteries stationnaires neuves à longue durée de vie.

De manière plus générale, on constate depuis fort longtemps que les tentatives d’utilisation de composants automobiles, dont le rapport qualité / prix est imbattable, dans des applications hors automobile, réussissent rarement pour deux raisons principales :
  • Nécessité d’adaptation du composant automobile à l’application hors automobile, dont le coût est souvent plus élevé que celui du composant lui-même.
  • Evolution constante des composants automobile ne prenant pas en compte les applications dérivées, et aboutissant souvent à leur arrêt prématuré.
Les batteries de VE ou VHR n’échapperont pas à ces problèmes…

Décharge temporaire des batteries de VE ou VHR connectées

Dans cette hypothèse radicalement différente, on envisage d’utiliser les batteries des VE ou VHR en cours de charge comme batteries tampon réparties chez les utilisateurs.

Charge de batterie : Quelle installation est nécessaire ? 

Pour un chargeur, l’installation domestique à prévoir est très simple et se limite  à une prise au garage si le chargeur est embarqué, selon le schéma ci-dessous. Le chargeur est alors un consommateur parmi les autres.



Si le chargeur n’est pas embarqué, il se trouve dans un coffret mural et la prise est alors une prise dédiée, ce qui ne change pas grand-chose.
Les puissances envisagées sont faibles : on peut recharger un VHR de 5 Kwh avec 1,7 Kw pendant  3 heures, ou un VE de 20 Kwh avec 3 Kw pendant 7 heures, c’est-à-dire avec des prises domestiques de base 16A connectées à des fils de 2,5 m² selon les normes usuelles pour toutes les prises domestiques. L’adjonction d’un chargeur est facile dans une installation domestique, et ne nécessitera pas nécessairement de changement de la puissance souscrite.

Batterie utilisée en tampon : quelle installation nécessaire ?

Il devient alors nécessaire :
  • De produire du courant électrique  230 V - 50 Hz à partir de la batterie afin de le renvoyer au réseau. Il faut donc ajouter un onduleur, plus coûteux qu’un chargeur à puissance égale, et par surcroît plus puissant comme explicité plus bas.
  • De décompter en montant et en valeur l’énergie électrique renvoyée au réseau ce qui nécessite un compteur plus intelligent, capable de gérer séparément l’énergie consommée (compteur usuel) et l'énergie restituée.
  • D’affecter un disjoncteur principal dédié à cette ligne qui ne peut être confondue avec l’autre.
On aboutit au schéma ci-dessous, un peu plus compliqué que le précédent, mais néanmoins tout à fait gérable. Ce système est, au plan technique, tout à fait possible.


Notons néanmoins que la durée des pointes nationales ou régionales étant de l’ordre de 1 à 3 heures, à comparer à des temps de charge lente de 6 à 9 heures. La puissance de décharge, celle de l’onduleur, devra donc être environ 3 fois supérieure à celle du chargeur, et les prises, disjoncteurs et lignes devront être dimensionnées en conséquence, probablement en 32 ampères, soit des lignes de 6 mm², à tirer spécialement. Le coût devient significatif, et ne pourra être amorti que sur des pointes brèves, ce qui peut poser un premier problème économique.

Batterie utilisée en tampon : quelles modalités de gestion ?

Nous avons vu dans des messages antérieurs (« batteries stationnaires » et « carburant électrique » ) que le principal facteur de coût de l’énergie électrique restituée est la valeur de la batterie divisés par le nombre de cycles dans sa durée de vie, loin devant le coût de l’énergie électrique emmagasinée et divisé par le rendement de la batterie (de l’ordre de 80%, soit un coefficient 1,25).

Bien entendu, l’usage de batteries VE ou VHR en tampon du réseau ERDF a pour effet de les cycler, puis qu’elles ne pourront restituer que l’énergie qu’elles auront préalablement emmagasinée, et ces cycles additionnels comptent dans la durée de vie de la batterie au même titres que les cycles d’utilisation en tant que véhicule.

Il s’en suit qu’aucun propriétaire de VE ou VHR n’acceptera de « prêter » la batterie de son véhicule à l’opérateur afin contribuer à la production de crête dont  ce dernier a besoin, s’il n’est pas incité par un tarif de rachat très élevé, que l’on peut évaluer à 0,80 €/Kwh (soit 800 €/Mwh) selon l’approche déjà réalisée à propos du « carburant électrique ». Il est hautement probable que l’opérateur pourra trouver des sources qui soient à la fois moins dispendieuses, plus centralisées et plus simples.

Si la pratique de la location des batteries, analogue à celle que Renault pratique, se répand, il est très improbable que le loueur autorise son locataire à ce type d’application qui n’est pas prévu dans son forfait mensuel et/ou kilométrique.

Cet aspect économique se double d’un aspect pratique : l’utilisateur qui met son VE ou VHR en charge le fait évidemment pour disposer d’une batterie pleine au moment où il utilisera son véhicule, et ce moment peut être bien antérieur au lendemain matin. L’utilisation de la batterie en tampon ne peut donc qu’être subordonnée à un accord préalable et quotidien de l’utilisateur, accord qui peut difficilement se présumer, et qui nécessiterait donc un accord explicite (bouton poussoir ou autre…).

On arrivera fréquemment à une situation très paradoxale : l’abonné-utilisateur va simultanément consommer de l’énergie électrique facturée selon les tarifs usuels (Base, P/C, Tempo, comme tous les autres abonnés) pour ses applications domestiques, et restituer au prix fort (faute de quoi il ne le fera pas) de l’énergie électrique issue de la batterie de son VE ou VHR. Le solde ces opérations contradictoires sera le plus souvent une consommation, surtout si l’abonné est en « tout électrique », donc sans intérêt, et économiquement très coûteux, pour l’opérateur.

Conclusion

Manifestement, la solution est trop complexe pour être économiquement viable, alors qu’il existe une solution simple, déjà décrite dans un message précédent : La tarification variable de l’énergie électrique, qui reprend les principes bien connus du « yield management ». Il est vrai qu’elle demande une modification législative, donc du courage politique, mais son efficacité serait immédiate, profonde, et constituerait une avancée écologique majeure par la réduction de pointes.

Les militants écologistes disent avec juste raison : « Les kilowattheures les moins polluants sont ceux qu’on ne produit pas ». C’est particulièrement vrai pour les crêtes : il vaut mieux les réduire par un tarif dissuasif incitant à une consommation différée, que les compenser par des batteries très coûteuses selon une organisation complexe.










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