Énergie propre
24.07.2019/XNUMX/XNUMX - Les voitures électriques roulent-elles mieux uniquement avec des batteries ou des piles à combustible? Pour le moment, les constructeurs automobiles se concentrent principalement sur les voitures entièrement électriques. Mais le véhicule à pile à combustible n'offre-t-il pas plus d'avantages? Une analyse.
Voiture électrique ou véhicule à pile à combustible?
Si nous voulons nous attaquer au changement climatique, nous devons nous occuper d'une mobilité respectueuse de l'environnement et d'alternatives à l'énergie de propulsion fossile. Actuellement, le débat sur les groupes motopropulseurs alternatifs s'articule autour de la question de savoir s'il est préférable d'utiliser les véhicules électriques avec des piles à combustible ou avec des batteries au lithium-ion. La réponse à cette question est déterminée par des facteurs tels que l’aptitude à un usage quotidien, les coûts et la durabilité.
Actuellement, la course entre pile à combustible et batterie lithium-ion semble être lancée: les véhicules immatriculés (BEV), à l'exclusion des véhicules hybrides, dominent les nouvelles immatriculations, et les stations de charge sont nombreuses, tandis que les stations de ravitaillement en hydrogène sont rares. Les véhicules à pile à combustible (FCEV) sont plus chers et l’hydrogène en tant que carburant coûte plus cher que l’électricité. Alors tout est-il clair? Pas tout à fait. Si vous examinez de plus près la pile à combustible, vous obtenez une image différenciée. Nous avons réuni pour vous les avantages et les inconvénients des variantes d’entraînement de la voiture électrique.
La pile à combustible entraîne régulièrement des bouées. Cependant, il est alarmant de constater que cela se produit régulièrement depuis plus de 25 ans. En outre, les progrès de la mobilité électrique sur batterie étant considérables, cette technologie H 2 est toujours à la traîne.
Dans quelle mesure les BEV sont-ils écologiques par rapport au FCEV?
Pour comparer l'électricité et l'hydrogène, plus la source d'énergie est verte, meilleur est le bilan environnemental. Dans la comparaison écologique avec les voitures électriques, la pile à combustible traverse actuellement une période difficile: premièrement, l'électricité doit être générée à partir d'hydrogène. Ceci est alimenté dans la voiture, l'électricité est à nouveau générée à partir d'hydrogène. Cette double conversion réduit considérablement l'efficacité. Toute personne qui charge directement la batterie de sa voiture électrique avec la même puissance voyagera de manière plus économique et donc plus respectueuse de l'environnement. Cependant, cela pourrait être différent à l'avenir. Une fois que l’électricité est produite principalement à partir du soleil, du vent et de l’eau, une voiture à pile à combustible devient compétitive car elle consomme moins de ressources que sa voiture électrique à batterie.
Une étude récente de l'Institut Fraunhofer pour les systèmes d'énergie solaire (ISE) réalisée pour le compte de H2 Mobility semble le confirmer: selon cette affirmation, les voitures à hydrogène et à pile à combustible sont plus respectueuses du climat que les véhicules à batterie lorsque le kilométrage 250 est atteint. Le facteur décisif est le sac à dos CO2 beaucoup plus grand, les voitures à batterie doivent mener à bien la production de la batterie, ont déclaré les chercheurs. L'empreinte de gaz à effet de serre (GES) de la production et du recyclage d'un système de pile à combustible, y compris un réservoir, est à peu près équivalente à celle d'un entraînement électrique avec une capacité de stockage de 45 à 50 kWh. Les voitures dotées de batteries plus grandes émettent plus de GES que le système à pile à combustible de classe de performance comparable.
L'étude a examiné les émissions de GES générées lors de la production, de l'exploitation et de la mise au rebut de véhicules à batteries et à piles à combustible allant du kilométrage 300 aux périodes 2020 à 2030 et de 2030 à 2040. L'étude fait également des restrictions. Entre autres choses, le potentiel d'amélioration de la production de matériaux importants (platine, aluminium, etc.) n'a pas été pris en compte. En outre, l'étude recommande d'étudier d'autres catégories d'impacts que les émissions de GES, telles que la consommation de terres et d'eau. En outre, l'impact sur l'environnement n'a pas été pris en compte pour la construction de l'infrastructure de mobilité (infrastructure de charge, distribution H2, etc.) et une utilisation des piles et des piles à combustible de deuxième vie n'a pas été incluse.
En résumé, cela signifie: les véhicules électriques équipés de batteries moyennes à petites (capacité de stockage <50 kWh) et d'une autonomie allant jusqu'à 250 kilomètres réduisent les émissions dans le trafic. Pour les plus longues distances, les véhicules à pile à combustible présentent des avantages croissants du point de vue de la protection du climat. L'empreinte GES des deux alternatives dépend fortement de la production des batteries ou de l'hydrogène.
Sur la base de la situation actuelle du marché de l'électricité en Allemagne, selon les calculs de l'ADAC, aucun problème majeur n'est à craindre à moyen terme. Parce que dix millions de voitures électriques nécessiteraient une consommation électrique supplémentaire d'environ 5,6 pour cent. De plus, l'amélioration de l'efficacité et des économies d'énergie pour l'éclairage, ainsi que dans les bâtiments et les installations industrielles pourraient compenser une partie de la demande supplémentaire en matière d'électromobilité.
Selon l'ADAC, le risque de surcharge du réseau local augmente avec le nombre de véhicules électriques. En particulier, les réseaux de distribution qui fournissent de l'électricité au client final sur le «dernier kilomètre» ne sont pas en mesure de faire face à la demande supplémentaire des ménages équipés de voitures électriques, comme l'a constaté le ZEW Energy Market Barometer 2018. Dans l'étude «The E-Mobility Blackout», les analystes du cabinet de conseil Oliver Wyman, ainsi que des chercheurs de l'Université technique de Munich, ont calculé que les réseaux basse tension allemands ne seraient pas en mesure de faire face à un boom imminent des voitures électriques. Les voitures électriques avec une part de 30 pour cent ou plus surchargeraient le réseau de distribution local et provoqueraient des pannes d'électricité locales dès que de nombreux véhicules seraient chargés en même temps. Cependant, la charge bidirectionnelle et la gestion intelligente de la charge pourraient aider. Ici, cependant, il est important de clarifier les conséquences juridiques de la charge bidirectionnelle et comment la fréquence de chargement et de déchargement affecte le vieillissement des batteries.
Pour gagner de l'hydrogène, il faut dépenser de grandes quantités d'énergie. Aujourd'hui, l'hydrogène est principalement produit par reformage à la vapeur. Ici, le carburant carboné réagit avec la vapeur d’eau, ce qui n’est pas un avantage considérable du point de vue climatique, car le dioxyde de carbone est à nouveau produit. Par conséquent, les espoirs de nombreux experts reposent sur l'électrolyse. L'excès d'électricité éolienne et solaire peut être transformé en hydrogène par électrolyse, qui peut être stockée ou utilisée de différentes manières. Dans le cas des énergies renouvelables par électrolyse, la totalité de la chaîne de production est pratiquement sans émission, contrairement au reformage conventionnel du gaz naturel. L'hydrogène, produit par électrolyse à partir d'électricité verte et d'eau, sert de matériau source à toutes les technologies Power-to-X. Avec Power-to-X, par exemple, l'hydrogène peut être produit pour les véhicules à pile à combustible. L'hydrogène peut donc être utilisé de nombreuses manières. Mais aussi en intégrant les batteries du véhicule dans le réseau électrique, le surplus d’électricité peut être mieux utilisé.
Cependant, le processus d'électrolyse et la liquéfaction de l'hydrogène qui en résulte nécessitent beaucoup d'énergie, car près de la moitié de l'énergie utilisée est perdue. En fait, le véhicule à pile à combustible alimenté à l'hydrogène n'atteint qu'un rendement énergétique de l'ordre de 26 pour cent, et les véhicules électriques à batterie atteignent environ 69 pour cent. Cela signifie que pour répondre aux besoins en énergie du FCEV, la production d'électricité verte devrait être multipliée par plus que pour le BEV - ce qui a des conséquences sur l'utilisation des sols, l'utilisation des matériaux et l'impact général sur l'environnement.
Le groupe motopropulseur électrifié change la mobilité aussi radicalement que le lieu de production en Allemagne. Au lieu de fraiser et d'affûter, l'industrie automobile allemande doit maîtriser la technologie de stockage électrique et l'électronique de puissance. Les conséquences sont graves. Produire un groupe motopropulseur pour l'électromobilité électrique à batterie nécessite non seulement beaucoup moins de pièces, mais également moins d'employés.
Y a-t-il assez de ressources?
Selon l'Öko-Institut, la présence de lithium, de cobalt, de nickel, de graphite (batteries) et de platine (piles à combustible) dépasse clairement la demande. Cependant, il pourrait y avoir des goulots d'étranglement si les sites d'extraction ne sont pas ouverts à temps. En outre, les problèmes environnementaux et sociaux doivent être résolus. Le cobalt, en particulier, est considéré comme une matière première «sale». Plus de la moitié du cobalt mondial provient du Congo. Les enfants sont souvent utilisés comme main-d’œuvre bon marché dans les mines, rapporte Amnesty International. De plus, l'extraction du cobalt pollue l'environnement.
L'exploitation du lithium a également des conséquences, en particulier pour la population de la Bolivie, du Chili et de l'Argentine, comme l'a enquêté "Pain pour le monde". Environ deux millions de litres d'eau sont nécessaires pour produire une tonne de lithium. En conséquence, la nappe phréatique dans le soi-disant triangle de lithium s'enfonce, la végétation s'assèche, le sol devient trop salé et les espèces d'oiseaux endémiques comme les flamants roses disparaissent. En outre, l'habitat des communautés autochtones est en train d'être détruit. La majeure partie du platine, en revanche, est stockée dans la soi-disant «ceinture de platine» de l'Afrique du Sud, son exploitation minière contribue également à la pollution de l'environnement et est liée aux violations des droits de l'homme.
Qu'en est-il de l'infrastructure de chargement et de ravitaillement?
En raison de la densité d'énergie plus élevée avec laquelle l'hydrogène dans le réservoir peut être stocké contre l'énergie électrique dans la batterie, ils offrent l'avantage de gammes plus élevées. Les voitures à pile à combustible peuvent être ravitaillées en trois minutes à peine pour des distances allant de 500 à 800. Cependant, la condition préalable au ravitaillement rapide est que vous pouvez trouver une station H2. Selon Now GmbH, 71 dispose actuellement de stations-service H2 en Allemagne. À titre de comparaison: selon les données de Statista, le nombre de bornes de recharge en Allemagne se situe actuellement autour de 15.880.
Le temps de chargement d’un véhicule électrique dépend principalement de la capacité de la batterie et de l’infrastructure de chargement, c’est-à-dire la colonne, la station ou l’alimentation. Par exemple, une batterie moyenne à la prise de courant domestique prend plus de dix heures à recharger. Mais c'est aussi plus rapide: dans le cadre du projet Fastcharge, le prototype d'une station de charge d'une capacité allant jusqu'à 450 kilowatts a été inauguré. Les véhicules de recherche électriques ont présenté des temps de chargement inférieurs à trois minutes pour la première plage de kilométrage 100 et des minutes 15 pour une charge complète (10 - 80% à l'état de charge (SOC)) dans cette station de charge ultra-rapide. Cependant, avec une plus grande puissance de charge, la gestion thermique des batteries est de plus en plus au centre du développement. Dans ce cas, il est crucial de refroidir la perte de chaleur croissante afin de garantir une longue durée de vie de la batterie et d’empêcher le passage de cellules individuelles.
En résumé, cela signifie que les stations de charge peuvent être beaucoup plus simples et plus rentables, selon l'auteur de Springer, Jürgen Rechberger, explique-t-il dans le chapitre Principes de base de la technologie des piles à combustible du livre Principes de base des moteurs à combustion. Une grande partie de ceux-ci sont cependant des stations de chargement normales. Les stations de recharge rapide auraient des capacités de connexion extrêmement élevées, ce qui représente une charge énorme pour les réseaux électriques existants, a déclaré l'auteur. L’hydrogène, en revanche, peut être facilement transporté en grandes quantités dans des pipelines, même dans le réseau de gaz naturel existant. En raison de la brièveté du temps de ravitaillement en carburant, le taux d'acceptation par les clients est également élevé et une pompe peut alimenter jusqu'à 250 par jour. En comparaison, dans une station de chargement classique, seuls quatre à six véhicules et sur une station de chargement rapide pouvaient charger des véhicules 60 à 80. La station de ravitaillement en hydrogène avait besoin d’environ 50 kilogrammes d’hydrogène par heure et la station de charge rapide avait besoin d’une puissance permanente de 300 kilowatts. Selon Rechberger, en particulier dans les zones urbaines, il sera probablement beaucoup moins coûteux de construire une infrastructure à hydrogène que de tout nouveaux réseaux électriques pour le nombre requis de stations de charge rapide.
Où aller avec les batteries de traction et les piles à combustible?
Les batteries de voitures électriques sont des déchets dangereux. Conformément à la loi sur les batteries, les fabricants ou revendeurs de batteries doivent les récupérer et les recycler. Technologiquement, les processus de recyclage des batteries de lecteurs lithium-ion sont déjà disponibles. Ainsi, selon l’ADAC, il est possible de récupérer des cônes de cobalt, de nickel, de lithium et de cuivre à partir de batteries de traction jusqu’à 95. Cependant, les processus de recyclage étant à un stade précoce de développement, de même que les conditions-cadres légales et les concepts logistiques, le recyclage des batteries reste un défi majeur, comme l’ont écrit les auteurs de Springer dans le chapitre Recyclage des batteries de véhicules électriques de l’ouvrage Behavior of Contraintes batteries lithium-ion dans les véhicules électriques.
Les batteries d'entraînement qui ne sont plus assez puissantes pour être utilisées dans les véhicules peuvent encore être utilisées comme stockage d'électricité stationnaire pendant de nombreuses années en «seconde vie». Cependant, il y a désaccord sur la question de savoir si les vieilles piles devraient être recyclées directement ou réutilisées comme piles de seconde vie.
À partir d’une pile à combustible, le platine peut être presque complètement récupéré en fin de vie, ce qui permet d’obtenir des taux de recyclage supérieurs à 98. Un autre défi est la caractéristique des piles à combustible et une faible aptitude aux changements de charge très dynamiques, tels que ceux conduisant un véhicule automobile. Par conséquent, les batteries lithium-ion sont encore utilisées aujourd'hui comme réservoirs tampons dans les véhicules à pile à combustible, ce qui doit être pris en compte lors du recyclage ainsi que dans le bilan écologique global du véhicule à pile à combustible.
Que signifient BEV et FCEV pour l’industrie automobile allemande?
Bien que la recherche et la production de cellules lithium-ion soient clairement au cœur des préoccupations asiatiques et que la production de batteries nécessite un investissement important, le moteur à pile à combustible de l'industrie automobile allemande peut rapporter une part substantielle de la valeur ajoutée associée à la batterie. L'électromobilité est perdue. La production en série d'un empilement de piles à combustible n'est plus un problème majeur, le plus grand défi étant de réduire le coût du réservoir d'hydrogène, explique Andreas Burkert.
Conclusion
Les VEE sont le moyen le plus efficace de convertir l'électricité renouvelable en performances motrices. C'est pourquoi ce concept est idéal pour les véhicules plus petits et plus légers. Cependant, l'inconvénient est le temps de chargement plus long. Celles-ci pourraient devenir plus courtes dans le futur. Les temps de charge sont moins limités par la technologie de la batterie, mais par l’alimentation en énergie de l’infrastructure de charge. Les FCEV constituent toujours un avantage lorsque l'utilisation directe de l'électricité est difficile, voire impossible, et lorsque de longues distances doivent être couvertes. Le temps de réapprovisionnement en carburant est rapide, l'hydrogène peut être rendu plus facilement disponible, notamment en milieu urbain, et quelques stations-service fournissent déjà un très grand parc de véhicules. Un autre grand avantage de l'hydrogène est qu'il constitue une source universelle d'énergie et de stockage. L'électrolyse de l'eau pour la production d'hydrogène constitue le lien entre l'électricité renouvelable, les autres sources d'énergie et les matériaux de base. L'utilisation des ressources et la dépendance sont relativement faibles dans l'entraînement des piles à combustible. En revanche, la dégradation du lithium pour la batterie dans le BEV, mais également pour la petite batterie tampon dans le FCEV, est extrêmement dommageable pour l'environnement. La pile à combustible offre la possibilité de maintenir la gamme de fabrication verticale des constructeurs allemands. Dans le cas du BEV, ce chiffre est inférieur car les cellules de la batterie sont jusqu'ici venues d’Asie.
Qu'est-ce que cela signifie pour la comparaison BEV versus FCEV? Les véhicules à batterie et à pile à combustible se complètent. Les deux variantes de lecteur ont leur autorisation. Cependant, l’atout majeur de l’hydrogène est qu’il est difficile à battre comme installation de stockage transportable et fixe pour de grandes quantités d’énergie dans le contexte de la transition énergétique. En général, toutefois, l’évolution du trafic ne doit pas se limiter à remplacer l’énergie de propulsion fossile par une énergie renouvelable. Le nombre de véhicules doit également être réduit.
Source: Auteur: Christiane Köllner Springer proffesional
