Pourquoi un tel article ?

Cet article a pour objectif de parler des questions énergétiques aujourd’hui et en France. Il s’agit de remonter la chaîne de production derrière tous les appareils électroniques que nous utilisons et de s’intéresser à la question du stockage de l’énergie. Nos appareils électroniques nécessitent une production, un stockage et un transport d’électricité. Appréhender la question de l’énergie sous l’angle des batteries permet de comprendre où nous en sommes dans ce qu’on appelle communément la « transition énergétique ». Comment utilise-t-on l’énergie électrique ? Peut-on la stocker facilement ? Quels sont les enjeux actuels autour du « tout électrique » de demain ?

De quoi parle-t-on ? Quels sont les différents types de batteries et leurs utilisations ?

Lorsqu’on mentionne le terme de « batteries », on a tendance à y associer plein de terme du champ lexical de la « transition énergétique ». On pourrait parler de voitures électriques, de smartphone, de stockage de données ou de terres rares… Pourtant, saviez-vous que la plupart des batteries de notre quotidien n’utilisent pas de terres rares ? Un point s’impose donc.

Les batteries qui existent déjà

• Les batteries au plomb

Ces batteries traditionnelles ne sont plus utilisées aujourd’hui, car peu performante. Leur durée de vie varie entre 300 et 500 cycles, un « cycle » étant l’unité de mesure de la performance des batteries. Cela signifie qu’il faut prévoir de changer les batteries tous les ans ou deux ans.

• Les batteries lithium-ion

La batterie la plus utilisée pour le stockage d’énergie électrique aujourd’hui est la batterie lithium-ion. Les batteries lithium-ion utilisent du carbone (graphite), du lithium et de l’oxyde de cobalt. Le cobalt n’est pas une terre rare mais est qualifié de « métal critique » par un avis technique publié en octobre 2020 par l’ADEME, agence de la transition écologique. La définition de « métal critique » englobe l’idée de rareté d’un métal et sa faible accessibilité d’un point de vue géopolitique. De plus, lithium et cobalt, sans être des terres rares, nécessitent d’ immenses mines pour leur forage. Les batteries lithium-ion sont très utilisées pour le stockage électrochimique (électrochimique signifiant « au moyen de batteries ») de l’électricité produite au moyen de sources énergies renouvelables (l’éolien et le photovoltaïque notamment). Les batteries lithium-ion sont en effet plutôt performantes.

Pour se replonger dans les cours de chimie (électrolyse) et comprendre un peu plus en détail, n’hésitez pas à consulter ce court article : https://www.watteo.fr/comment-fonctionne-une-batterie-au-lithium/

Sur les métaux critiques : https://www.ademe.fr/sites/default/files/assets/documents/avis_technique_terres-rares-energies-renouvelables-et-stockage-denergie-2020.pdf

• Les batteries LiFePo4 ou LFP

Sous ces acronymes, on parle de batteries Lithium Fer et Phosphate. C’est une technologie mise au point en 1996. Les batteries LiFePo4 sont connues pour leur grande sureté (il n’y a pas de risque d’explosion sous une augmentation de chaleur) et leur durée de vie qui va de 3000 à 10000 cycles de vie.

Pour plus de précision sur les propriétés des batteries LiFePo4 : https://www.powertechsystems.eu/fr/home/technique/la-technologie-lithium-fer-phosphate/

Les batteries du futur

• Les batteries sodium-ion (Na-ion)

Le brevet est français et est détenu par la société Tiamat. Dans ce type de batterie, il n’y a pas de cobalt et le coût de possession pourrait être jusqu’à 30% moins cher que les batteries lithium-ion. Les batteries Tiamat peuvent être chargées en cinq minutes et ont une durée de vie de 5000 cycles, mais on une capacité inférieure de 40% aux batteries lithium-ion. Elles seraient alors plus utilisées dans les voitures électriques, même si pour l’instant l’autonomie ne serait que de 250km.

Pour aller plus loin : https://www.techniques-ingenieur.fr/actualite/articles/les-batteries-sodium-ion-passent-le-cap-de-lindustrialisation-71783/

• Les batteries lithium-souffre

La batterie lithium-souffre contient des éléments beaucoup plus légers que la batterie lithium-ion et son énergie théorique est très élevée. Elle conviendrait aux industries aéronautique et spatiale, mais elle est encore en cours de recherche et développement.

• Les batteries tout solide

Dans l’électrolyse de la batterie lithium-ion, l’électrolyte est liquide ; dans les batteries tout solide, l’électrolyte serait solide inorganique et non-inflammable. Le gain en terme de sécurité serait alors très fort.

Pour plus de détails sur ces trois types de batteries : https://www.saftbatteries.com/fr/m%C3%A9dias-et-ressources/nos-histoires/trois-technologies-de-batterie-qui-pourraient-r%C3%A9volutionner-notre/

Les enjeux des batteries dans la transition énergétique

Le stockage des énergies renouvelables : le problème de l’intermittence

Il n’y a pas toujours du vent et il ne fait pas beau tous les jours. Ces deux propositions sont anodines et pourtant elles ont des conséquences économiques et environnementales importantes : la quantité d’électricité produite par l’éolien ou le solaire est variable et son prix unitaire en varie d’autant. L’intermittence de ces moyens de production oblige aujourd’hui les distributeurs d’électricité à investir dans un double système. Entre hivers et étés, entre nuits et jours ou entres jours plus ou moins venteux, il s’agit de lisser la capacité de production électrique. Une solution apparaît alors : le stockage. Il existe actuellement plusieurs méthodes de stockage. Tout d’abord le stockage stationnaire qui correspond aux lacs d’éclusés, aux barrages avec réservoirs et aux stations de transfert d’énergie par pompage. Le principe est simple : pour produire de l’électricité, il faut que par gravité l’eau passe dans des turbines. Si la demande en électricité est faible, on utilise le surplus d’énergie électrique produite pour pomper l’eau est et la faire remonter. Cette eau de nouveau en amont pourra de nouveau permettre de produire de l’électricité. La deuxième forme de stockage est le stockage électrochimique avec principalement les deux types de batteries à base de lithium (lithium-ion ou LiFePo4). Or non seulement il existe un enjeu géopolitique autour du cobalt dans la batterie lithium-ion (la République démocratique du Congo est le premier producteur de cobalt loin devant tous les autres pays), mais les batteries classiques ne permettent pas une résolution du problème de rentabilité économique sur le long terme. De plus, on considère que la perte d’énergie minimale lors du stockage par des batteries est de 30%, ce qui représente d’immenses quantités d’énergie. Une solution serait alors le stockage d’hydrogène.

Source : https://fr.statista.com/statistiques/565284/cobalt-production-miniere-par-pays-principaux/

Pour aller plus loin sur les difficultés de la production électrique via les énergies renouvelables :

Pour aller plus loin sur les difficultés de la production électrique via les énergies renouvelables : https://www.contrepoints.org/2020/12/29/387535-les-degats-de-leolien-et-du-solaire-les-couts-dacheminement-de-lelectricite

Le stockage par hydrogène : une solution d’avenir ?

Derrière le stockage d’eau en hauteur dans les barrages et autres retenues d’eau artificielles, nous avons compris que l’on cherchait à stocker un potentiel de mouvement (une capacité à faire tourner des turbines). Le principe est similaire pour le stockage par hydrogène. On utiliserait l’électricité produite par les énergies renouvelables pour mettre sous forme liquide du dihydrogène (H₂) et le stocker. Cet hydrogène liquide représente alors un fort potentiel énergétique et peut être réutilisé lorsque la demande en électricité est plus grande ou directement dans d’autres domaines, notamment la mobilité électrique. L’avantage de l’hydrogène est que la combustion d’un kilo d’hydrogène peut produire quatre fois plus d’énergie que la combustion d’un kilo d’essence tout en ne rejetant que de l’eau. De plus, le stockage de dihydrogène permet de régler le problème de l’intermittence sur le plus long terme, puisqu’il correspond à une plus faible utilisation des batteries.

Article du Journal of Power Source écrit par des chercheurs de l’Université du Québec et de l’Institut de recherche sur l’hydrogène qui explicite un modèle de résolution à long terme du problème d’intermittence grâce au stockage par hydrogène : https://discoveryklab.essec.edu/permalink/33ESSEC_INST/1rt7cm5/cdi_crossref_primary_10_1016_j_jpowsour_2004_08_019

Hydrogène et mobilité électrique

L’hydrogène est déjà utilisé comme carburant et la voiture emblématique est alors la Mirai de Toyota. Un petit bémol ? Son prix ! L’entrée de gamme est actuellement à 74 900 euros.

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Ce coût qui prend en compte celui de la R&D est amené à diminuer dans les années à venir et l’enjeu est alors de savoir quelles entreprises et quels pays feront le pari de l’hydrogène. Le Japon mise sur 800 000 voitures électriques d’ici 2030 et prévoit de se doter de 80 stations à hydrogène à la fin 2021.

Source : https://information.tv5monde.com/info/energie-et-transports-l-hydrogene-une-vraie-solution-pour-la-transition-ecologique-279338

Les limites et les difficultés actuelles

Ainsi dressé, le portrait de l’hydrogène paraît trop beau et il nous faut rappeler quelques ombres au tableau. En effet, il faut rappeler que tout hydrogène n’est pas vert. Aujourd’hui 95% du dihydrogène est produit à partir du « vaporeformage » de combustibles fossiles, notamment de méthane (CH₄). Ce processus est très polluant : la fabrication d’un kilo d’hydrogène par vaporeformage produit 10kg de CO₂. Seule une production d’hydrogène par électrolyse grâce à de l’électricité produite grâce aux énergies renouvelables pourrait être qualifiée de verte. Et malheureusement il faut encore rappeler le caractère polluant de la production de panneaux solaires ou des éoliennes.

https://www.cea.fr/comprendre/Pages/energies/renouvelables/essentiel-sur-hydrogene.aspx

Il nous paraît essentiel de rappeler que jusqu’à présent toute innovation énergétique dans la production mondiale d’électricité à produit à un ajout de consommation électrique et non à une substitution.

http://www.carbone4.com/wp-content/uploads/2019/11/Publication-Carbone-4-Pointe-Electrique-1.pdf

En conclusion

Le stockage de l’énergie est donc un enjeu majeur de la transition énergétique. Stocker de façon durable et sans perte d’énergie l’électricité produite les énergies renouvelables permettrait de résoudre le problème de l’intermittence et de rendre compétitive l’électricité dite verte. Actuellement, la production renouvelable possède un statut à part et ne soutient aucunement la concurrence des énergies fossiles ou du nucléaire. L’électricité produite par les énergies renouvelables est un pur ajout de consommation électrique et en aucun cas une réelle transition. Rendre l’électricité dite verte viable économiquement nous permettra-t-il d’opérer une réelle transition vers des énergies plus propres sans consommer toujours plus d’électricité ? Ou est-ce une simple illusion positiviste ?

Emma Rennuit