La loi des conséquences inattendues

En matière énergétique, on ne peut comme dans beaucoup d’autres domaines nier longtemps les réalités physiques. Les batteries lithium-ion en apportent une belle démonstration. Il ne s’agit pas de dire que cette technologie n’est pas à la fois une avancée considérable dans le stockage de l’électricité et indispensable aujourd’hui dans les équipements électroniques et les véhicules électriques. Mais il y a des limites physiques au potentiel des batteries qui ne peuvent pas être balayées d’un revers de main et pèsent sur les performances des véhicules électriques et plus encore sur l’utilisation des batteries pour stocker de l’électricité à l’échelle des besoins des réseaux. Voilà pourquoi il faut prendre avec des pincettes les modèles, nombreux, qui montrent que la transition énergétique et l’électrification des usages sont une question d’années et de volonté politique grâce au développement des renouvelables intermittents et des batteries.

Batteries : on ne peut pas changer le plomb en or

Un baril de pétrole contient environ 50 fois plus d’énergie que la batterie de la technologie commercialisée la plus avancée du même poids. Un écart qui ne se réduira jamais de manière significative. L’énergie qu’une batterie produit dépend du flux d’électrons entre différents matériaux, chacun d’entre eux pouvant fournir un certain nombre d’électrons pour un poids donné. On peut améliorer le temps de charge de la batterie, sa durabilité ou le nombre de fois où elle peut être chargée avant de tomber en panne. Mais on ne peut pas changer la composition fondamentale des éléments, pas plus qu’on ne peut changer le plomb en or…

Conséquence de leur densité énergétique limitée par les réalités chimiques, les batteries sont lourdes et le resteront. Cela ne pose pas de problème pour de nombreuses applications, les téléphones, les ordinateurs portables et les petits appareils ménagers. La faible densité énergétique n’est pas un inconvénient majeur quand les appareils sont petits et souvent rechargeables, et que le poids n’est pas un facteur limitant de leurs performances. En revanche, pour les machines qui ont besoin d’énergie pour se déplacer (voitures, camions, avions), le poids supplémentaire devient un sérieux problème. On peut parler de cercle vicieux. Un véhicule plus lourd a besoin de plus d’énergie pour se déplacer, ce qui signifie qu’il a besoin de plus grosses batteries. Il faut donc ajouter encore plus de poids, ce qui signifie qu’il faut encore plus d’énergie pour le déplacer…

C’est pour cela que l’avion électrique à batteries est une absurdité qu’un élève de troisième ayant des connaissances basiques en physique peut comprendre immédiatement. Le poids est la contrainte la plus lourde, c’est le cas de le dire, qui pèse sur les performances d’un objet volant devant s’arracher à la pesanteur. Chaque kilogramme de batterie emporté dans un avion réduit la capacité de charge utile et l’autonomie. Il existe une relation directe entre le poids d’un avion et son autonomie et/ou sa charge utile En outre, contrairement au carburant, les batteries ne s’allègent pas en cours de vol. En dehors de voler vingt minutes avec deux passagers, il est difficile d’imaginer un avion électrique à batterie en faire beaucoup plus dans un avenir proche.

Pour ce qui est des véhicules électriques terrestres, l’équation est différente et peut et même doit prendre en compte la dimension d’efficacité énergétique. Le constat de départ est identique. Les batteries rendent les voitures plus lourdes et celles-ci ont besoin de batteries encore plus grandes et plus lourdes pour se déplacer.

Actuellement, les meilleurs moteurs à combustion interne ne peuvent pas convertir en énergie utilisable plus de 40 % de l’énergie contenue dans le carburant. Cela signifie que même si l’essence a 50 fois la densité énergétique d’une batterie, vous ne pourrez utiliser que 20 fois cette énergie. Les batteries sont bien plus efficaces. Elles permettent de convertir environ 90 % de l’énergie qu’elles contiennent en énergie utilisable et tout cela sans émissions de gaz d’échappement.

Mais il faut charger les batteries et si cela se fait avec de l’électricité produite par des combustibles fossiles, nous revenons au problème précédent. Ce n’est pas le cas en France, mais dans la plupart des autres pays au monde… Les carburants fossiles (charbon, gaz naturel, fioul) sont brûlés dans de gros moteurs stationnaires pour produire de l’électricité. Bien qu’ils soient plus efficaces que les moteurs de voiture, le poids n’entre pas en ligne de compte ; ces moteurs stationnaires ont un rendement de l’ordre de 40 à 60 % environ. Et lorsque l’électricité arrive jusqu’à la prise de courant, recharge la voiture et est ensuite reconvertie en mouvement, le rendement final est très proche de celui d’un moteur à combustion interne ; tout cela sans prendre en compte les processus d’extraction et de raffinage extrêmement énergivores utilisés pour la production des matériaux des batteries et leur durée de vie limitée.

La meilleure solution est sans doute celle des véhicules hybrides. Lorsqu’ils sont bien conçus, ils maximisent les avantages des moteurs à combustion et des systèmes électriques et minimisent leurs inconvénients. La plupart des véhicules fonctionnent loin de leur efficacité optimale, par exemple lorsqu’ils tournent au ralenti dans les embouteillages ou qu’ils accélèrent après s’être arrêtés. Un système hybride permet à chaque source d’énergie de fonctionner lorsqu’elle est la plus efficace. Il peut aussi utiliser le freinage par récupération pour capter la même proportion d’énergie que celle d’un véhicule entièrement électrique. Et comme les véhicules hybrides n’ont pas besoin de transporter des batteries d’une capacité de plusieurs centaines de kilomètres, ils sont moins pénalisés par les questions de poids. Les batteries plus petites doivent seulement fournir suffisamment d’énergie pour permettre au moteur à combustion de continuer à fonctionner dans sa plage la plus efficace. En outre, comme la batterie n’est pas soumise à des cycles de décharge profonde, elle a une espérance de vie plus grande. Enfin, comme elle est relativement petite, son remplacement éventuel se fait à un coût plus acceptable. Il n’y a qu’un seul problème, de taille. Les hybrides sont rejetés par les politiques environnementales construites aujourd’hui exclusivement sur les émissions à l’échappement.

Panneaux solaires : une ombre sur la surface du globe

Les mêmes réalités physiques qui limitent les performances des batteries affectent la production d’électricité renouvelable. Ni les éoliennes, ni les panneaux solaires, ni les centrales hydroélectriques ne créent de l’énergie. Ils l’extraient des systèmes environnementaux existants. Et il existe des limites fondamentales à la quantité d’énergie que nous pouvons extraire avant de …