Quelques années suffiront aux chercheurs et développeurs pour relayer le temps des voitures thermiques aux historiens.
Pour les véhicules thermiques, les moteurs actuels les plus performants ont des rendements énergétiques qui ne dépassent pas 20%. Dans un plein de 60 litres d’essence, l’énergie de 12 litres va être transmise aux roues et 48 litres seront dissipés en chaleur. Par contre la densité énergétique massique de l’essence ou du diesel est très importante, de l’ordre de 12 kWh/kg, permettant aux voitures actuelles de disposer d’autonomies considérables, proches de 1 000 km pour 60 litres (50 kg de diesel) couramment stockées dans leurs réservoirs.
Pour les voitures électriques, la problématique est inverse. Le moteur électrique a un rendement énergétique proche de 80%, presque 4 fois celui d’un moteur thermique. Par contre, les meilleures batteries actuelles stockent difficilement plus de 120 Wh/kg, près de 100 fois moins que les hydrocarbures. Au global, l’énergie électrique stockable dans 1 250 kg de batteries serait nécessaire pour parcourir la même distance qu’avec 50 kg d’essence (60 litres), soit environ 1 000 km. Au vu des qualités intrinsèques des moteurs électriques (taille, couple maximal disponible au démarrage,..), les performances dynamiques des véhicules électriques sont meilleures que celles des voitures équivalentes thermiques, et ce dans un silence quasi-absolu. Reste la difficulté de l’autonomie.
De nouvelles perspectives s’ouvrent pour le stockage de l’énergie : une équipe de chercheurs en nanoscience et nanotechnologie à l’Université Nationale de Singapour a conçu une membrane souple au potentiel énorme. Moins coûteux et plus performant, le nouveau matériau permettrait de dépasser les difficultés rencontrées par les technologies actuelles de stockage (batteries ou supercondensateurs). Outre le fait de pouvoir se plier, la membrane souple, déposée sur un polymère à base de polystyrène, constitue une innovation importante en termes de rendement. Lorsqu’elle est positionnée entre deux plaques de métal alimentées en énergie, la membrane peut stocker près de 0,2 farads(1) par centimètre carré, soit près de 200 000 fois plus qu’un condensateur classique (jusqu’à 1 microfarad, soit 0,000001 farad par centimètre carré).
Le nouveau matériau présente également un intérêt économique, les coûts de fabrication étant plus réduits et la durée de vie de la membrane plus importante. Le stockage d’énergie coûterait 0,62$ par farad, contre près de 7$ par farad avec les technologies classiques utilisant des électrolytes. Selon le magazine Science Daily, le coût de l’énergie équivaudrait à 10 à 20 Wh par dollar investi dans la membrane souple contre 2,5 Wh par dollar avec les batteries lithium-ion.
En attendant la production à l’échelle industrielle de batteries composées de «membranes souples», le véhicule électrique à prolongateur d’autonomie à moteur thermique semble être le meilleur compromis pour les prochaines années. Il couple les avantages de la voiture thermique (autonomie, infrastructure existante, coût comparable) et de la voiture tout électrique en ville (sobriété énergétique et pollutions atmosphériques limitées). La propulsion du véhicule se fait par un moteur électrique alimenté par des batteries de grande capacité maintenues chargées par un petit bloc alternateur – moteur thermique. Celui-ci, grâce à un régime stabilisé autour de sa vitesse de rotation optimale (1500 t/mn), permet des consommations sur route inférieures à 2 litres d’essence (ou diesel) au 100 km et de grandes autonomies. Tout en étant rechargeable sur une prise secteur, ce véhicule électrique peut aussi être équipé d’un moteur à combustion externe, appelé moteur Stirling, pour charger ses batteries sans rejeter de polluants.
L’enjeu est aussi environnemental, l’augmentation continue des populations urbaines et de l’utilisation de véhicules thermiques s’accompagnent d’une pollution croissante de l’atmosphère des villes, en particulier dans les pays émergents. On y constate une recrudescence d’affections pulmonaires liées aux oxydes d’azote (NOx) et particules de carbone (diesel).
Le développement des voitures électriques en zone urbaine permettra une réduction de la pollution atmosphérique, mais à condition que les centrales électriques permettant l’approvisionnement des voiture soit performantes et propres.
Anael JOLIVEL Master I UPMC.