IBTS-77-RP-1000
Le stockage de l’énergie : l’élément clé de la traction électrique
Si la palette de moteurs envisageable pour la traction automobile est large, le moteur à combustion et le moteur électrique sont les seuls candidats réalistes à l’heure actuelle. En comparaison avec un moteur à combustion, une machine électrique a de nombreux avantages, notamment un meilleur rendement et un fonctionnement plus silencieux. Mais tous ces avantages sont contrebalancés par le stockage de l’énergie, nettement moins performant. En effet, à l’heure actuelle aucun moyen de stockage ne permet de stocker autant d’énergie, pour un coût faible, et une recharge aussi rapide que les carburants automobiles.
Ceci explique en grande partie pourquoi le moteur à combustion s’est imposé au détriment de la machine électrique sur le marché automobile, notamment lorsque des stations à essence ont été installées entre les centres urbains au début du 20ème siècle. Le moteur à combustion permettait ainsi de parcourir de longues distances, alors que le véhicule électrique devait embarquer d’encombrantes batteries au plomb pour une autonomie limitée, et une recharge longue. Dès lors, la traction entièrement électrique a périclité.
Le renouveau des modes de tractions électrique et hybride est lié à l’apparition de nouvelles technologies de stockage de l’énergie permettant d’envisager son utilisation : les piles à combustibles, les batteries «nickel-hydrure métallique» et «lithium-ion», voire les supercondensateurs.
Nous écartons dès maintenant les piles à combustibles du champ de ce mémoire. Leur intérêt n’est pas contesté, mais elles nécessitent la mise en place d’infrastructures de distribution de l’hydrogène, ce qui rend la comparaison entre les technologies délicate. Nous ne nous intéresserons qu’au stockage direct d’électricité, soit sous forme électrochimique (supercondensateurs et batteries) soit sous forme mécanique (air comprimé et volant d’inertie). Nous allons comparer les différentes technologies existantes, et nous mettrons en lumière les avantages des batteries lithium-ion qui ont conduit les constructeurs automobiles à s’intéresser massivement à cette technologie.
Une technologie à la fois mature et encore mal maitrisée
Une nouveauté à appréhender
La création d’un véhicule tout électrique ou hybride est très différente de celle d’un véhicule thermique. La conception de la chaîne de traction présente des aspects nouveaux pour les constructeurs, qui doivent acquérir de nouvelles compétences pour mettre au point ces véhicules. Les batteries lithium-ion font partie de ces objets inédits dans le domaine de l’automobile. Si les batteries au plomb sont proches dans le principe, des différences très importantes existent : rôle dans le véhicule, fabrication du système, composants, contrôles électronique et thermique de celui-ci. Ces différences sont telles qu’il n’est pas envisageable d’appréhender le problème en extrapolant à partir de l’existant dans ce domaine.
Dans la plupart des véhicules électriques actuellement sur le marché, les batteries lithium-ion utilisées sont différentes de celles utilisées pour les applications portables. Ceci s’explique par la nécessité d’avoir une durabilité supérieure (environ 2 ans pour le portable contre au moins 8 ans pour l’automobile) et par des contraintes de sûreté supplémentaires liées à la taille. Etant récent, le marché des batteries lithium-ion pour automobile est encore en construction, et est promis à un bel avenir. De nouveaux acteurs affichent des ambitions de se positionner sur le domaine et des partenariats se créent, ou se défont régulièrement dans un marché largement dominé par l’Asie (Corée du Sud, Japon, Chine) .
En tant que marché stratégique, à fort potentiel de croissance, le marché des batteries fait de plus l’objet de forts investissements de la part des pouvoirs publics de nombreux pays pour développer sur leur territoire des entreprises qu’ils considèrent comme stratégiques. Le marché est donc international, et l’approche économique doit ainsi prendre en compte diverses hypothèses d’organisation industrielle. Le marché des batteries lithium-ion pour l’automobile est donc en train de se mettre en place.
La batterie représente un enjeu stratégique pour les constructeurs, puisque pour un véhicule électrique, elle peut représenter jusqu’à la moitié du prix du véhicule. Il est capital pour eux de maitriser leurs coûts, s’ils veulent réussir à imposer leurs solutions électriques sur le marché, et à ne pas prendre de retard sur la concurrence.
Des activités de recherche foisonnantes
Publications scientifiques :Un bon thermomètre pour observer l’effervescence de la recherche sur un sujet scientifique est de suivre le nombre d’articles publiés. Les publications sur les batteries lithium-ion en général augmentent de manière importante depuis dix ans. On peut vérifier ce fait en utilisant les outils mis à disposition des utilisateurs de la base de données scientifique Scopus.
Les mots clés « battery AND « lithium-ion »» ont été utilisés pour cette recherche. Le nombre de résultats obtenus permet de cerner l’étendue actuelle de la recherche mondiale. La recherche effectuée en mai 2014, donne plus de 20 000 occurrences dans Scopus. Les premiers résultats apparaissent à partir des années 70 et le nombre d’occurrences croît nettement depuis les années 2000. On observe une croissance très forte sur les quatre dernières années .
Le mot « cost » a été ajouté à cette recherche, afin de voir les publications qui parmi tous ces résultats, ont au moins en partie intégré la notion de coût. Scopus renvoie 1313 occurrences, soit environ 6% des publications précédentes qui s’intéressent à la notion de coût dans le titre, le résumé ou les mots clés. Ceci fait ressortir l’importance de la notion de coût dans le domaine des batteries lithium-ion (attention toutefois, car derrière la notion de coût, ne se cache pas forcément une notion économique).
Brevets :Une analyse de brevets permet aussi de voir l‘activité sur un domaine de recherche donné. Celle-ci a été effectuée à l’aide de la base de données de l’office européen des brevets. On obtient 851 brevets (EP) octroyés en Europe pour une recherche du terme « lithium-ion » dans le titre du brevet, au 12 mai 2014. 89 de ces brevets ont été publiés en 2013, 70 en 2012 et 40 en 2011. La vigueur de la recherche apparait là encore, le nombre de brevets publiés augmentant de manière importante.
A titre de comparaison, si l’on s’intéresse à la pile à combustible pour comparer l’activité de la recherche, le terme « proton exchange membrane » donne 91 brevets (EP) publiés, dont 5 pour l’année 2013.
Les acteurs du marché lithium-ion
Le but de cette partie est de donner un aperçu synthétique des principaux acteurs de la chaîne de fabrication des batteries lithium-ion. Une description succincte des fournisseurs sera donnée dans un premier temps, puis des fabricants de matières dans un second temps. Enfin l’exploitation minière des métaux à enjeux sera évoquée.
Les fabricants de batteries lithium-ion
Le tissu de fournisseurs de batteries lithium-ion est important et il évolue très rapidement. Cet aperçu des fabricants ne se veut donc pas exhaustif, et seuls les leaders du marché, capables d’alimenter les constructeurs automobiles sont présentés. Selon les analystes, les fabricants de batteries qui se détachent du peloton de compétiteurs peuvent légèrement différer. Ainsi en 2013, le cabinet d’analyse Navigant Research a classé LG Chem, Johnson Controls Inc (qui avait une co-entreprise avec Saft jusqu’en 2011) et AESC (co-entreprise Nissan et Nec) comme leaders des ventes de batteries lithium-ion pour véhicules électriques.
En 2014, deux analystes du P3 Group ont suggéré que LG Chem, Samsung et Sanyo/Panasonic étaient les leaders de la course, avec une large avance sur le reste de la concurrence pour les cellules automobiles . Si ce fait peut-être contesté, il est en tout cas clair que les fabricants Japonais et Coréens dominent le marché. On peut ainsi citer les japonais Hitachi, GS Yuasa, Toshiba et le Coréen SK Innovation, comme autres gros acteurs du marché des batteries lithium-ion pour l’automobile.
Au niveau de la France, deux fabricants sont des acteurs majeurs de ces marchés : Saft et Batscap, qui se positionne sur une variante du lithium-ion, le lithium métallique. Ils réussissent tous les deux avec des stratégies qui leur évitent la confrontation aux géants du secteur. Batscap est le fournisseur unique pour la BlueCar de Bolloré, sa maison mère. Quant à Saft, acteur de premier plan du marché lithium-ion, sa stratégie s’éloigne de la production automobile et s’oriente vers d’autres marchés à plus forte valeur ajoutée.
Les fabricants de matières et composants
Sur le marché des fournisseurs de matières et composants pour batteries, la situation évolue là encore très rapidement. Devant le potentiel de ce marché, de nouveaux arrivants essayent de rentrer dans la course, notamment les gros groupes internationaux de chimie . Les matières des batteries lithium-ion sont principalement produites là où se trouvent les fournisseurs de batteries : en Asie. On observe ainsi des chimistes européens choisir de s’installer dans ces pays, afin de réussir sur ce marché . Les matériaux actifs les plus répandus sont : pour la positive, un oxyde de métal de transition lithié (nickel, manganèse, cobalt ou un mélange de ces métaux), et pour la négative, du graphite.
La composition d’une batterie lithium-ion
Au sein du véhicule, les batteries servent à stocker l’énergie (provenant du réseau électrique, du générateur électrique de bord ou de récupération d’énergie au freinage) et à restituer cette énergie (au moteur électrique ou au réseau de bord). La taille et la masse de cette batterie vont dépendre du type de véhicule et des choix du constructeur. Un véhicule hybride aura une batterie plus petite qu’un véhicule électrique, le besoin en énergie et l’espace disponible étant moindre pour les véhicules hybrides.
Suivant le type d’application visé, la conception des batteries sera différente. On parle ainsi de batterie d’énergie lorsque la densité d’énergie est privilégiée comme c’est le cas pour le véhicule électrique, où ce critère est prépondérant. La batterie est donc conçue pour stocker un maximum d’énergie dans un encombrement minimum. Au contraire, pour le véhicule hybride on parle de batterie de puissance, car c’est la densité de puissance qui est primordiale. Le dimensionnement de la cellule est fait pour restituer un maximum de puissance dans un encombrement minimum. Ces différences engendrent de fortes disparités de propriétés des batteries lithium-ion, et évidemment de coût.
En plus de cette diversité de typage, la taille, la forme et la capacité des cellules varient en fonction des applications et des fabricants. Une des principales différences porte ainsi sur le contenant de la cellule. Il existe ainsi trois familles de contenant pour les cellules actuelle : les boîtiers cylindriques, format historique des cellules, les boîtiers prismatiques rigides et les enveloppes souples (ou «pouch»).
Le format en enveloppe souple (ou « pouch cell ») est utilisé notamment par Renault, Ford (EV), General Motors , ou Nissan . Le format prismatique rigide est utilisé par Volkswagen et BMW . Le format cylindrique est utilisé par Tesla .
Quant à la capacité des cellules, celle-ci n’est pas non plus standard sur les véhicules électriques actuels, variant par exemple de 3 Ah sur la Tesla Model S à plus de 60 Ah pour les cellules de Samsung SDI dans la BMW i3 et la Fiat 500e . Ceci s’explique par le fait que Tesla ait choisi d’utiliser des cellules déjà sur le marché, avec un minimum de développements. Le choix des autres constructeurs automobiles, en concertation avec les fabricants de batteries, a été de développer un produit adapté aux contraintes automobiles.
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Table des matières
INTRODUCTION
PLAN DE L’ETUDE
CHAPITRE I. L’AUTOMOBILE ET LE STOCKAGE DE L’ENERGIE
1 INTRODUCTION
2 LA MUTATION DE L’AUTOMOBILE
3 LE STOCKAGE DE L’ENERGIE : L’ELEMENT CLE DE LA TRACTION ELECTRIQUE
3.1 Les technologies de stockage
3.2 Critères de sélection
4 UNE TECHNOLOGIE A LA FOIS MATURE ET ENCORE MAL MAITRISEE
4.1 Une nouveauté à appréhender
4.2 Des activités de recherche foisonnantes
4.2.1 Publications scientifiques
4.2.2 Brevets
4.3 Des progrès importants de la technologie
4.4 De nombreuses pistes encore à explorer
5 LES ACTEURS DU MARCHE LITHIUM-ION
5.1 Les fabricants de batteries lithium-ion
5.2 Les fabricants de matières et composants
5.3 Les minerais de base
5.3.1 Lithium
5.3.2 Graphite naturel
5.3.3 Cobalt
5.3.4 Nickel
6 CONCLUSION
CHAPITRE II. ETAT DE L’ART : COMPOSITION D’UNE BATTERIE LITHIUM-ION
1 INTRODUCTION
2 LA COMPOSITION D’UNE BATTERIE LITHIUM-ION
2.1 Les composants d’une cellule
2.1.1 Matériau actif de l’électrode positive
2.1.2 Matériau actif de l’électrode négative
2.1.3 Autre matières dans les électrodes
2.1.4 Electrolyte
2.1.5 Séparateur
2.1.6 Feuillard collecteur de courant
2.1.7 Autres composants
2.2 Autres composants d’une batterie lithium-ion
2.2.1 Modules
2.2.2 Système de gestion de la batterie (BMS)
2.2.3 Thermique et connectique
2.2.4 Bac batterie
3 COUT DES MATIERES ET COMPOSANTS : ETAT DE L’ART
3.1 Matériaux actifs d’électrode positive
3.2 Matériaux actifs d’électrode négative
3.3 Electrolyte et séparateur
3.4 Collecteurs de courant
3.5 Liant, solvant du liant et agents conducteurs
3.6 Composants de cellule
4 CONCLUSION
CHAPITRE III. ETAT DE L’ART : FABRICATION DES CELLULES
1 INTRODUCTION
2 FONCTIONNEMENT GLOBAL D’UNE USINE
2.1 Fabrication des électrodes
2.2 Fabrication des cellules et autres étapes
3 COUT DE FABRICATION : ETAT DE L’ART
3.1 Investissement et main d’œuvre
3.2 Consommations d’énergie
4 COUT TOTAL DES CELLULES LITHIUM-ION
4.1 De la difficulté de comparer les coûts
4.2 Littérature
4.3 Effets volume
5 CONCLUSION
PROBLEMATIQUE ET HYPOTHESES DE RECHERCHE
1 PROBLEMATIQUE
2 HYPOTHESE DE RECHERCHE
CHAPITRE IV. DEVELOPPEMENT DE MODELES DE COUT
1 INTRODUCTION
2 DEFINITION DU COUT
2.1 Coût total
2.1.1 Coûts directs
2.1.2 Coûts indirects
2.1.3 Paiement des capitaux investis
2.1.4 Garantie
2.2 Logistique
2.3 Tickets d’entrée
2.4 Décomposition usuelle de la structure de coût
3 MODELISATION DES COUTS AMONT : OCA
3.1 Achats de matières et composants
3.2 Fabrication
3.3 Frais généraux et autres frais
3.4 Valeurs des coefficients
4 MODELISATION ANALYTIQUE DES COUTS : MAC
4.1 Le choix du logiciel
4.2 Approche du modèle MAC
4.3 Calcul des nouveaux temps de cycle
4.4 Utilisation du logiciel
4.4.1 Données entrées dans le logiciel
4.4.2 Frais généraux et autres frais
5 CONCLUSION
CHAPITRE V. ETUDE COMPARATIVE DE COUT DE CELLULES
1 INTRODUCTION
2 METHODE DE L’ETUDE
2.1 Dimensionnement des cellules
2.2 Coût des matières et composants
3 RESULTATS DE L’ETUDE
3.1 Influence du matériau actif de l’électrode positive
3.2 Influence de l’épaisseur d’enduction des électrodes sur le coût
3.3 Effet de l’épaisseur de l’enduction de l’électrode sur les propriétés de la cellule
3.3.1 Puissance de la cellule
3.3.2 Facilité de fabrication
3.3.3 Durabilité
3.3.4 Volume et masse
3.3.5 Effets d’autres paramètres
3.4 Influence de la capacité surfacique d’électrode sur le coût
3.5 Sensibilité du modèle au coût des matériaux actifs
3.6 Autres facteurs de coût
4 COMPARAISON DU MODELE AMONT A LA LITTERATURE
5 CONCLUSION
CHAPITRE VI. DEVELOPPEMENT DE REFERENTIELS SUR LES MATIERES ET LA FABRICATION
1 INTRODUCTION
2 REFERENTIEL ACHATS
2.1 Les défis de l’estimation du coût des matières
2.2 Matériaux actifs d’électrode positive
2.3 Matériaux actifs d’électrode négative
2.4 Electrolyte et séparateur
2.5 Autres composants d’une cellule
2.6 Organisation du référentiel
3 REFERENTIEL FABRICATION
3.1 Organisation des données dans le référentiel
3.2 Graphiques récapitulatifs
3.2.1 Fabrication des électrodes
3.2.2 Assemblage et formation des cellules
4 USINE DE REFERENCE
4.1 Fabrication des électrodes
4.1.1 Description du procédé retenu
4.1.2 Comparaison qualitative des données avec la littérature
4.2 Assemblage des cellules et formation
4.2.1 Description du procédé retenu
4.2.2 Comparaison qualitative des données avec la littérature
4.3 Frais de fonctionnement et d’entretien
4.3.1 Description des frais retenus
4.3.2 Comparaison avec des données de la littérature
4.4 Rebuts
4.4.1 Rebuts pratiques
4.4.2 Cascade des rebuts
5 CONCLUSION
CHAPITRE VII. ANALYSE DE L’INCERTITUDE DES RESULTATS
1 INTRODUCTION
2 SOURCE D’INCERTITUDE
2.1 Variabilité
2.2 Imprécision
2.3 Incertitude au sens strict
3 METHODE MONTE CARLO
3.1 Fonction MATLAB
3.2 Choix de la distribution
3.2.1 Loi uniforme
3.2.2 Loi normale
3.2.3 Loi Beta
3.2.4 Optimisation du temps de calcul global
4 CADRAGE DE LA METHODE : MATRICES DE CRITERES
4.1 Incertitudes sur les données d’entrées achats
4.2 Incertitude sur le procédé de fabrication
4.3 Détermination de la distribution
5 APPLICATION AUX MODELES DE L’ETUDE
5.1 Contexte
5.2 Modèle amont OCA
5.2.1 Achats
5.2.2 Fabrication
5.3 Modèle analytique MAC
5.3.1 Achats
5.3.2 Fabrication
5.4 BatPac
5.5 Résultats
6 CONCLUSION
CHAPITRE VIII. EXAMEN ECONOMIQUE DES MATERIAUX PROMETTEURS
1 INTRODUCTION
2 MODELISATION DU COUT DES MATERIAUX ACTIFS
2.1 Modélisation de coût du NMC
2.1.1 Procédé de fabrication
2.1.2 Coût des précurseurs
2.1.3 Estimation du coût de fabrication
2.2 Application du modèle à d’autres matériaux actifs
2.3 Evaluation des incertitudes sur le coût des matériaux
3 DIMENSIONNEMENT DES CELLULES
3.1 Caractéristiques techniques des composés
3.1.1 LMNO
3.1.2 Lithium-riche
3.1.3 LMFP/C
3.1.4 Silicium
3.1.5 TNO
3.2 Dimensionnement de cellules
4 RESULTATS DE L’ETUDE
4.1 Hypothèses de la modélisation de coût
4.2 Résultats
4.3 Evaluation des incertitudes sur le coût des cellules
5 CONCLUSION
CONCLUSION
Apports scientifiques
Perspectives
ANNEXES
1 ETAT DE L’ART
1.1 Fonctionnement d’une usine
1.1.1 Fabrication des électrodes
1.1.2 Fabrication des cellules
1.1.3 Autres étapes de fabrication
1.2 Consommations d’énergie
1.3 Coût des cellules
1.4 Effets volume
2 REFERENTIEL DE FABRICATION
2.1 Organisation globale du fichier
2.1.1 Informations à compléter pour les opérations principales
2.1.2 Informations à compléter pour les opérations secondaires
2.2 Graphiques récapitulatifs
2.2.1 Assemblage des cellules
2.2.2 Formation des cellules
3 FONCTION MATLAB D’ANALYSE DES INCERTITUDES
BIBLIOGRAPHIE
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