Seconde vie batterie
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  • 1. Ambassade de France à Washington Mission pour la Science et la Technologie 4101 Reservoir Road, NW - Washington, DC 20007 Tél. : +1 202 944 6249 Fax : +1 202 944 6219 Mail : publications.mst@ambafrance-us.org URL : http://www.ambafrance-us.orgDomaine : Energie & EnvironnementDocument : Rapport d’Ambassade / Consulat Général de France à San Francisco, CaliforniaTitre : Batteries de véhicule électrique : en route pour une seconde vie stationnaireAuteur : Pauline CaumonDate : Décembre 2011Contact SST : science@consulfrance-sanfrancisco.orgMots-clefs : énergie, stockage énergétique, réseau électrique, voiture électrique, lithium-ion, batteries, recherche,recyclage.Résumé : Ce rapport aborde les enjeux et la faisabilité de la réutilisation des batteries Li-ion de véhicules électriqueslégers (hors deux-roues) pour des applications stationnaires.Plusieurs projets de recherche américains et quelques industriels s’intéressent à ce sujet très prospectif, qui se situeà la croisée de trois domaines ; le transport individuel, la gestion des déchets et la gestion du système électrique.Le succès de cette idée n’est pas assuré. D’une part la multiplicité des acteurs complexifie les scénarios deréutilisation des batteries. D’autre part il semble peu probable que les acteurs concernés se coordonnent seuls si lesbénéfices anticipés sont faibles. En l’occurrence, aucun modèle d’affaire évident n’est apparu lors des discussionsavec les différents interlocuteurs américains rencontrés.NB : Retrouvez toutes nos publications sur http://www.bulletins-electroniques.com, l’accès est libre et gratuit.
  • 2. 2
  • 3. Batteries de véhicule électrique : en route pour une seconde vie stationnaire ? Réflexions sur le concept et cartographie du sujet aux États-Unis Décembre 2011Pauline Caumonpauline.caumon@consulfrance-sanfrancisco.org+1 (415) 591-4834 3
  • 4. 4
  • 5. Table des matières Synthèse.................................................................................................................................................................................... 7 Préambule ............................................................................................................................................................................... 13 Introduction ............................................................................................................................................................................ 13 Contexte ............................................................................................................................................................................. 13 Le concept de seconde vie ................................................................................................................................................. 14 1 – La seconde vie des batteries, un sujet complexe .............................................................................................................. 17 1.1 Qu’est-ce qu’une batterie automobile en fin de « première vie » ? ............................................................................ 17 1.1.1 Une grande variété de technologies .................................................................................................................... 17 1.1.2 Les différentes conceptions de batteries ............................................................................................................. 19 1.1.3 La batterie d’un véhicule électrique est dans tous ses états en fin de vie ........................................................... 22 1.1.4 Ordres de grandeur sur les marchés (véhicule électrique et batteries) ............................................................... 25 1.1.5 Conclusions sur le parc de batteries disponibles .................................................................................................. 27 1.2 Le stockage stationnaire .............................................................................................................................................. 28 1.2.1 Présentation globale ............................................................................................................................................ 28 1.2.2 Quel stockage stationnaire avec des packs de batteries de véhicules électriques ? ............................................ 32 1.2.3 Conclusions .......................................................................................................................................................... 40 1.3 Réflexions sur les modèles d’affaire et les acteurs ...................................................................................................... 43 1.3.1 Réutilisation d’objets ayant déjà servis ................................................................................................................ 43 1.3.2 Qui organiserait la seconde vie stationnaire ? ..................................................................................................... 46 1.3.3 Analyse de la concurrence sur le stockage stationnaire ....................................................................................... 48 1.3.4 Conclusions .......................................................................................................................................................... 54 2 - Cartographie du sujet aux États-Unis ................................................................................................................................. 57 2.1 Projets de la recherche ................................................................................................................................................ 57 2.1.1 Projet financé par la California Energy Commission ............................................................................................. 58 2.1.2 Projet du National Renewable Energy Laboratory ............................................................................................... 60 2.1.3 Projet du Rochester Institute of Technology......................................................................................................... 62 2.2 Annonces des constructeurs automobiles ................................................................................................................... 62 2.3 Le point de vue des producteurs d’électricité .............................................................................................................. 64 Conclusions et pistes d’étude ................................................................................................................................................. 67 Références .............................................................................................................................................................................. 68 Annexes .................................................................................................................................................................................. 77 I - Li-ion battery manufacturing ......................................................................................................................................... 77 II – Services systèmes (ancillary services) sur le marché de CAISO .................................................................................... 79 III - Simulations des capacités de suivi de charge et de contrôle automatique en Californie ............................................ 80 IV – Processus proposé par les Sandia National Laboratories ........................................................................................... 82 V – Projections du coût de production des batteries entre 2010 et 2025 ......................................................................... 83 VI - Analyse de la chaîne de valeur des batteries de véhicule électrique .......................................................................... 85 5
  • 6. Je tiens à remercier chaleureusement toutes les personnes qui m’ont aidé à constituer cerapport en m’apportant leur appui et leur expertise technique. Cela m’a été utile autant lors desvisites que lors de la rédaction et la relecture du rapport. Mes remerciements vont en particulier à Thomas Deschamps, l’Attaché Scientifique de San Francisco, qui m’a encouragée et conseillée tout au long du projet. Les autres contributeurs se reconnaîtront. 6
  • 7. Synthèse Ce rapport a été rédigé par la Mission Scientifique et Technologique du consulat général de France àSan Francisco, dont l’activité est centrée sur les « technologies propres ». Le véhicule électrique sera l’un des moyens de locomotion du futur. Cependant, son développementà grande échelle repose essentiellement sur le développement technologique des batteries. D’une part,le coût des batteries est aujourd’hui trop élevé pour faire du véhicule électrique une alternativeéconomiquement rentable. D’autre part, si les batteries étaient plus performantes, cela diminuerait lesbesoins en infrastructures de recharge et atténuerait les appréhensions sur le fait de tomber en panned’électricité (range anxiety), deux des principales barrières à l’adoption du véhicule électrique. Ledépartement de l’énergie américain ne s’y est pas trompé : lors du plan de relance de 2009 (1), environdeux tiers des aides directes au développement du véhicule électrique ont été attribués à des projetssur les batteries. Le stockage énergétique stationnaire désigne communément lensemble des moyens permettant destocker de l’énergie à un endroit donné, sous quelque forme que ce soit, pour la récupérer ensuite sousforme délectricité. Il se différencie du stockage énergétique embarqué qui est destiné à être installédans des véhicules. Aux États-Unis, le stockage stationnaire est perçu comme un des éléments-clés desréseaux électriques « intelligents » (smart grids) de demain, notamment pour aider à linsertionmassive dénergies renouvelables, dont certaines sont intermittentes (le pays vise une productionannuelle de 152 TWh dorigine renouvelable en 2035). Hormis le stockage hydraulique, les technologiesdu stockage stationnaire sont encore en développement, et le marché est émergent. Ce rapport aborde les enjeux et la faisabilité de la réutilisation des batteries Li-ion de véhiculesélectriques légers (hors deux-roues) pour des applications stationnaires. 7
  • 8. Quel sera le parc de batteries de véhicule électrique en fin de vie dans une vingtaine d’année ? Comme pour tout marché naissant, de nombreux paramètres sont indéterminés dans l’évolution dumarché des véhicules électriques et il est hasardeux de donner des estimations. Cependant, il estpossible d’avancer quelques ordres de grandeur. Il est probable que le marché sera non-négligeable àl’horizon 2020 : dix ans plus tard, les batteries en fin de vie automobile représenteront plusieursgigawatt-heures de stockage encore utilisables disponibles chaque année aux États-Unis. Si 10 GWh debatteries sont dans les voitures produites en 2020, qu’elles perdent 20% de capacité en 10 ans et que25% d’entre elles ne sont pas disponibles (non collectées ou non réutilisables), 6 GWh est un chiffreplausible dès 2030. Avec les hypothèses supplémentaires rassemblées dans le tableau ci-dessous, il apparaît que lesvéhicules tout-électriques (15% des packs) représenteraient la moitié des capacités de stockage enénergie tandis que les véhicules hybrides non-rechargeables (60% des packs) en représenteraient 10%.Les caractéristiques en puissance seront différentes selon les packs, ainsi que le rapportpuissance/énergie. Estimation de la quantité de packs de batteries disponible aux États-Unis en 2030 De plus, rien que pour les batteries Li-ion, technologie dominante, il y aura presque une dizaine decompositions chimiques différentes (cinq principales). Au niveau des cellules, deux géométriesdifférentes co-existeront : cyclindrique et parallélépipédique. Enfin, au sein d’une même catégorie, l’état de de dégradation pourra être très variable. En effet, ildépendra du mode d’utilisation du véhicule électrique (charge rapide ou lente, fréquence desrecharges, etc.) et de l’environnement où il a évolué, notamment des températures auxquelles il a étésoumis.Quels services de stockage stationnaire ? Il paraît intéressant d’utiliser les batteries Li-ion pour participer au soutien du réseau grâce leurrapidité de réactivité et à la rémunération attractive de ces services. Les batteries de véhicules hybrides non-rechargeables, voire celles de voitures hybridesrechargeables ont un dimensionnement puissance/énergie qui convient à cet usage. Les batteries devéhicules tout-électriques pourraient aussi fournir du réglage de fréquence, mais il serait alors plusrentable de combiner cet usage avec d’autres pour tirer profit de leur réserve d’énergie. Conjuguerdifférentes applications permet également de s’affranchir d’un problème : la taille du marché duréglage de fréquence est relativement restreinte et elle le restera même après l’augmentation de laproduction d’énergies renouvelables. 8
  • 9. Alors que la taille des packs de batteries de véhicules électriques permet de les placer auprès desconsommateurs (et incite à le faire), les projets actuels de démonstration dans le réglage de fréquenceavec batteries Li-ion sont dimensionnés à l’échelle du mégawatt avec des unités de stockage situéesen amont du réseau. Toutefois la fréquence est une grandeur globale du système électrique, ce quisignifie que des batteries assurant son réglage peuvent être placées à n’importe quel niveau du réseau.Plusieurs projets de stockage distribué envisagent d’ailleurs de faire du soutien au réseau et enparticulier du réglage de fréquence. Le concept de stockage distribué est encore à définir, tant dans les configurations darchitectureque dans les applications attendues ou encore du modèle daffaire associé. De plus, la rentabilité dessystèmes de stockage distribués est encore plus incertaine que celle des larges systèmes. On distingue le stockage commercial et résidentiel, qui est à l’échelle d’une maison ou d’uncommerce et piloté localement, du stockage communautaire, qui est à l’échelle d’un groupe debâtiments et piloté à distance par un gestionnaire de réseau. Dans la majorité des projets de démonstrations, le dimensionnement du stockage distribué tel qu’ilest envisagé actuellement est similaire à celui des batteries utilisées dans les véhicules tout-électriques. D’ailleurs, les constructeurs de batteries du stockage distribué et du transport électriquesont souvent les mêmes. Enfin si le concept de vehicule to grid (V2G) se développait il n’y aurait qu’un pas à franchir vers laréutilisation des batteries en seconde vie. Le V2G envisage d’utiliser les batteries de véhiculesélectriques pour assurer un soutien au réseau dès leur « première vie » aux moments où les voituressont en recharge.Environnement d’une entreprise commercialisant des batteries de seconde main Les clients « naturels » d’une batterie électrique Li-ion de seconde main sont les compagniesd’électricité. L’apposition d’un label par un tiers, une garantie, un prix très compétitif ou plusprobablement ces trois éléments réunis seront des arguments de vente nécessaires pour que lesbatteries de véhicules électriques usagées remplissent le cahier des charges de ces industriels. Or, ladiversité des batteries et l’étendue des connaissances actuelles ne permettront pas forcément d’yparvenir dans un futur proche. De manière globale, l’environnement du stockage stationnaire pour une entreprise vendant desbatteries de seconde main semble difficile, tout du moins au début (de 2020 à 2030). En synthétisant àl’aide de la méthode des cinq forces de Porter (cf Figure 29), il apparaît que : Même s’il y a des barrières à l’entrée du marché du stockage stationnaire (risque élevé, activité nouvelle), c’est un secteur d’avenir et stratégique, de surcroît souvent soutenu par l’état comme c’est le cas États-Unis. Beaucoup de sociétés peuvent être tentées par l’aventure dans ce secteur attractif. Bien que les batteries seront a priori disponibles en grand nombre, rassembler de grandes quantités, les tester et les reconditionner demandera des efforts logistiques et financiers. Les compagnies d’électricité sont habituées à investir dans la qualité et dans des équipements de longue durée. De plus, le secteur électrique est concentré (même aux États-Unis) : le pouvoir de négociation des clients sera donc fort. Enfin, l’environnement est très concurrentiel, o au niveau des autres formes de stockage o et au niveau des substituts (demand response et moyens de production dispatchables). 9
  • 10. Une entreprise vendant des batteries de véhicule électrique de seconde main pour une utilisation stationnaire aura du mal àdégager des bénéfices car l’analyse de son environnement révèle qu’elle est relativement contrainte par des forces qui luisont extérieures. Certains modèles d’affaire pourraient atténuer les difficultés, comme par exemple des acteursintégrés (pas de coûts pour obtenir les batteries usagées, moins ou pas du tout de relations fournisseuret de relations clients), la ré-utilisation des batteries près des points de collecte, opérer de petites unitésde stockage(réduction des coûts de reconditionnement et d’assemblage), etc.Intérêt pour le sujet aux États-Unis Actuellement, on recense trois principaux projets de recherche sur le sujet de la seconde vie desbatteries aux États-Unis. Les deux projets principaux, à l’initiative d’une part de la California EnergyCommission (CEC) et du National Renewable Energy Laboratory (NREL) d’autre part, sont en train defusionner. Dans le projet de la CEC, les expériences sont supervisées par le California Center for SustainableEnergy. L’entreprise Aerovironment travaille à un processus pour tester les batteries et déterminer laperformance des différents packs. Cependant, la dégradation observée avec ce type de tests reste unegrande inconnue : d’une part l’industrie manque de standards et d’autre part il est incertain que celareflète l’utilisation réelle. C’est pourquoi des études sur des batteries de trois technologies différenteset utilisées en conditions réelles pendant 2 à 5 ans sont en cours. Les réflexions sur les aspects économiques de la seconde vie du projet de recherche sont menéespar le Transportation Sustainability Research Center de lUniversité de Berkeley. Avec un système où lesbatteries sont louées aux conducteurs pendant la « première vie », les frais de location pourraient êtreréduits denviron 30% grâce à la valorisation des batteries après leur vie automobile. La vision actuelle du NREL sur la seconde vie des batteries est que le stockage communautaire doitêtre privilégié, car il permet de s’affranchir des problèmes inhérents à celui d’une utilisation à plusgrande échelle. La sécurité, notamment, dépend de la chimie de la batterie et de l’utilisation qui en a étéfaite. Assembler des batteries de différentes technologies ajouterait beaucoup d’étapes de tests. A l’inverse des études de Berkeley, celles du NREL montrent que les batteries ne devraient pas êtresorties des voitures avant d’avoir effectué le maximum des applications de transport qu’elles peuvent 10
  • 11. assurer. Pour le moment la 1ère vie est estimée à 8-10 ans en se basant sur les garanties desconstructeurs auto (8 ans ou 100.000 miles). Enfin, même si à long terme les véhicules hybrides rechargeables devraient représenter unegrande partie du marché, leurs batteries ne seront pas forcément réutilisables. Par ailleurs, de nombreux acteurs du secteur automobile annoncent quils cherchent à valoriser aumieux les batteries en fin de vie à travers des projets de recherche sur une utilisation stationnaire.Cependant, au-delà de la communication, peu d’éléments concrets sur les plans de recherche ou lespremiers résultats sont encore disponibles. L’enthousiasme pour le sujet au sein des compagnies d’électricité est mitigé car, d’après l’ElectricPower Research Institute, il est difficile d’établir un modèle daffaire rentable. C’est uniquement dansun cas où elles seraient fournies gratuitement que les clients envisageraient éventuellement d’enutiliser.Hypothèses de l’EPRI sur le prix des batteries. En considérant une batterie de seconde main obtenue gratuitement en 2019,le prix du pack prêt à fonctionner est de 6.250 $ contre 9.250 $ pour un pack neuf dont la capacité énergétique et la durée devie seront meilleures et plus fiables.Conclusion Réutiliser des batteries de véhicule électrique pour un usage stationnaire est un sujet trèsprospectif. Néanmoins, s’il est pertinent de réutiliser les batteries avant de les recycler il semblejudicieux de les concevoir dans l’optique d’une seconde vie, et c’est pourquoi il est nécessaire de seposer dès aujourd’hui les bonnes questions. Le sujet est à la croisée de trois domaines ; le transport individuel, la gestion des déchets et lagestion du système électrique. D’une part, cette multiplicité des acteurs complexifie les scénarios deréutilisation des batteries. D’autre part il semble peu probable que les acteurs concernés secoordonnent seuls si les bénéfices anticipés sont faibles. En l’occurrence, aucun modèle d’affaireévident n’est apparu lors des discussions avec les différents interlocuteurs américains rencontrés. Enfin, nous avons étudié un cas particulier de la réutilisation des batteries de véhicules électriques.Stabiliser les réseaux électriques de pays émergents ou en développement dont les caractéristiquessont différentes pourrait être une autre application stationnaire. Enfin, plusieurs options paraissentintéressantes dans l’éventualité d’une seconde vie embarquée : les véhicules qui ne parcourent quedes petites distances ou le marché des deux-roues en sont des exemples. 11
  • 12. 12
  • 13. Préambule Au sein des ambassades et consulats de France, la Mission pour la Science et la Technologie effectueune veille quotidienne sur des thèmes scientifiques d’intérêt pour les chercheurs français universitaireset d’entreprise. Dans trente-six pays, cette activité se concrétise par deux types de publication: desarticles accessibles en ligne dans les Bulletins Electroniques(2) et plusieurs rapports annuels, quipermettent d’approfondir certains sujets. Ce rapport a été rédigé par le bureau du consulat général de San Francisco dont le travail est centrésur les « technologies propres » -un terme qui englobe énergie renouvelables, efficacité énergétique,véhicule électrique, stockage électrique, smart grids, etc (3)-. Deux rapports parus précédemment traitaient des batteries automobiles du futur (4) et des smartgrids (5).IntroductionContexte Le véhicule électrique sera l’un des moyens de locomotion du futur. D’une part, c’est une solutionde long-terme à la raréfaction des ressources pétrolières et qui permet d’atténuer les problèmesgéopolitiques de l’approvisionnement en pétrole, dont la dépendance aux pays producteurs. D’autrepart, ce moyen de locomotion ne produit aucune émission de gaz à effet de serre localement et permetde réduire fortement les émissions de gaz à effet de serre lorsque l’électricité utilisée est “faiblementcarbonée”. Au Danemark, où 30% de l’électricité est produite par l’énergie éolienne, le véhiculeélectrique est même envisagé comme une solution à l’intermittence des énergies renouvelables,permettant de stocker les excédents de production lorsque le vent souffle la nuit (6). Enfin, lesgouvernements y voient un moteur de croissance. Les équipes de recherches du monde entier sont enlice pour mettre au point des véhicules électriques performants et prendre les premières parts demarché. L’enjeu technologique repose fortement sur la batterie, cœur du véhicule électrique. En effet, si lesbatteries étaient plus performantes, cela diminuerait les besoins en infrastructures de recharge etatténuerait les appréhensions sur le fait de tomber en panne d’électricité (range anxiety), deux desprincipales barrières à l’adoption du véhicule électrique. Outre des impératifs de sécurité non-négociables, la batterie devra ainsi être toujours plus compacte, légère, capable à la fois d’emmagasinerde nombreux kWh pour l’autonomie et de délivrer de larges puissances pour l’accélération, sanscompromis sur la durée de vie. Le département de l’énergie américain ne s’y est pas trompé : lors duplan de relance de 2009 (1), environ deux tiers des aides directes au développement du véhiculeélectrique ont été attribués à des projets sur les batteries (voir Figure 1). Notons que le gouvernementne se limite pas à apporter un soutien au niveau de la recherche mais souhaite réellement accompagnerle transfert de l’innovation pour qu’il soit efficace et contribue à l’apparition de nouvelles usines. Enparticulier, le programme Electric Drive Vehicle Battery and Component Manufacturing Initiative - qui areçu une subvention de 2 milliards de dollars - a l’ambition de permettre le développement d’uneindustrie nationale sur cet enjeu de taille. 13
  • 14. Figure 1: Répartition des aides apportées au secteur du véhicule électrique aux États-Unis en millions de dollars (7)Le concept de seconde vie Le coût des batteries est aujourd’hui trop élevé pour faire du véhicule électrique un choixéconomiquement rentable. Il compte actuellement pour 35% à 60% du coût total du véhicule d’aprèsLux Research (8). Un rapport de la Deutsche Bank (9) a évalué le surcoût lié à la batterie dans unvéhicule électrique par rapport à un véhicule thermique à l’horizon 2015 : de 1.350 $ pour une voiturehybride, celui-ci passe à plus de 12.000 $ pour un véhicule tout-électrique! Ainsi, toutes les optionsdoivent être considérées pour abaisser ce surcoût rédhibitoire. D’autre part, il est fort peu probable que les conducteurs acceptent de restreindre le nombre dekilomètres quils peuvent parcourir en un trajet au fur et à mesure que leur voiture vieillit. Il est généralement admis que les batteries de véhicules électriques devront être changéeslorsquelles nauront plus que 80% de leur capacité de stockage initiale, soit 8 ou 10 ans après leur miseen circulation (estimation qui demandé à être vérifiée) ou au bout d’environ 150.000 km. Le stockage énergétique stationnaire est un marché qui désigne communément lensemble desmoyens permettant de stocker à un endroit donné de lénergie, sous quelque forme que ce soit, pour larécupérer ensuite sous forme délectricité. Il se différencie du stockage énergétique embarqué qui estdestiné à être installé dans des véhicules. Aux États-Unis, plusieurs acteurs peuvent bénéficier dustockage stationnaire et donc être susceptibles de faire la promotion de cette solution ou en être client.D’une part le gouvernement fédéral, qui est responsable de la planification des réseaux de transmission 14
  • 15. délectricité inter-régionaux. D’autre part les gouvernements locaux, responsables du bonapprovisionnement en électricité de leurs états. Enfin, les producteurs et distributeurs délectricité. Dès lors apparaît l’idée de seconde vie des batteries : pourquoi ne pas trouver un autre usage à cetobjet qui possède encore 80% de sa capacité initiale et qui est cher à produire, au lieu de le jeter oumême de le recycler ? Figure 2: L’origine du concept de seconde vie stationnaire Bien que le concept soit simple, de nombreuses questions l’entourent :  d’une part sur les modèles d’affaire, et d’autant plus qu’il est très rare qu’un produit soit réutilisé dans une branche différente de celle pour laquelle il a été conçu (ici, dans le secteur de l’électricité après avoir servi le secteur automobile). Par exemple, o Qui sera intéressé par les batteries de seconde main ? o Qui bénéficiera de la valorisation résiduelle en fin de première vie ? o Qui aura l’obligation de la recycler ? o Etc.  d’autre part des interrogations techniques, liées aux limites des connaissances actuelles sur les batteries Li-ion. o Comment estimer la date de la fin de la vie automobile ? o Quelle sera la durée de vie en usage stationnaire ? o Est-il aisé de reconvertir une batterie de véhicule électrique? o Faudra-t-il prendre en compte le cahier des charges de la seconde vie lors de la conception initiale ? o Etc. Ce rapport est divisé en deux chapitres. Le premier aborde les enjeux et la faisabilité de laréutilisation des batteries Li-ion de véhicules électriques légers (hors deux-roues) pour desapplications stationnaires. Pour cela, il a paru judicieux de commencer par déterminer ce qu’était unebatterie de véhicule électrique en fin de vie automobile, puis d’évaluer les usages stationnaires auxquels 15
  • 16. ces batteries pourraient convenir, avant de s’intéresser aux acteurs intéressés et aux différents modèlesd’affaires. Les trois sous-parties sont quasiment indépendantes, de sorte qu’un lecteur déjà averti surl’un des sujets traités pourra ignorer la partie correspondante. Le deuxième chapitre, plus court, fait l’état des lieux des recherches en cours sur le sujet aux États-Unis. Sans prétendre être exhaustive, cette étude a pour objectif d’éclairer ce sujet complexe etd’identifier les éléments favorables et défavorables à l’émergence d’un marché pour la réutilisation desbatteries en fin de vie d’utilisation automobile. 16
  • 17. 1 – La seconde vie des batteries, un sujet complexe1.1 Qu’est-ce qu’une batterie automobile en fin de « première vie » ? Avant de discuter de la ré-utilisation d’un objet, il semble important de connaître sescaractéristiques intrinsèques et la manière dont il a été utilisé lors de sa « première vie ». Or, il existeune grande variété de technologies et d’usages des batteries pour le véhicule électrique. De plus, lacomposition et le volume du parc de batteries usagées dépendent des choix des constructeurs et dudéveloppement du marché du véhicule électrique. Ces thèmes sont abordés dans le paragraphe qui suit.1.1.1 Une grande variété de technologies Plusieurs technologies de batterie sont utilisées dans les véhicules électriques. La plupart desvoitures hybrides actuelles, à l’instar de la Prius de Toyota, utilisent des batteries nickel-hydruremétallique (NiMH) (10). Les batteries “Zebra” sodium chlorure de nickel (Na-NiCl2) sont apparues un temps comme unetechnologie d’avenir (11) et seront d’ailleurs utilisées dans la Smart ForTwo (4). Cependant, leur hautetempérature de fonctionnement (supérieure à 250°C) les cantonnent à un usage intensif pour minimiserle coût du maintien en température et les rend moins “compatibles” à un usage dans les transports (12). Enfin, la technologie lithium-ion, qui présente d’excellentes performances en puissance et énergie,est promise à un bel avenir. Le National Renewable Energy Laboratory prévoit que les batteries NiMHprécitées seront remplacées d’ici cinq ans par les batteries Li-ion dans les voitures hybrides (13). De fait,d’après un rapport du Boston Consulting Group, la prédominance de cette famille de technologies dansles véhicules électrique serait assurée jusqu’en 2020 (14) et c’est pourquoi nous nous attacherons àdécrire plus spécialement cette technologie. L’appellation “Li-ion” concerne des batteries dont le fonctionnement consiste en un transfert d’ionlithium. On distingue ensuite plusieurs types de matériaux pour la cathode, l’anode et l’électrolyte. Cinqtypes de cathode et deux types d’anode sont utilisés par les constructeurs qui commercialisent déjàleurs produits. Les abréviations définies au Tableau 1 seront utilisées dans la suite du rapport. Tableau 1: Composition chimique des principaux types d’électrodes. A ce stade, la combinaison gagnante n’est pas encore déterminée et les producteurs, grandesentreprises ou start-ups, ne font pas tous les mêmes choix comme le montre le Tableau 2. Au niveau de la recherche, les nanotechnologies apparaissent prometteuses, pour augmenternotamment la densité énergétique de l’anode qui est traditionnellement en graphite. Certaines start- 17
  • 18. ups tentent de faire des batteries sèches (Seeo, Sakti3) tandis que Leyden Energy mise sur un électrolyteà partir d’imide (15). Tableau 2: Les producteurs de batteries en Amérique du Nord. Sources principales: (9) (4)(13)(16). Le schéma de la Figure 3, tiré d’une étude du Boston Consulting Group (14), illustre lesperformances des cinq principales variations de batteries Li-ion. Il apparaît qu’aucune n’obtient desrésultats satisfaisants sur l’ensemble des six critères d’évaluation qui sont le coût, l’énergie spécifique, la 18
  • 19. puissance spécifique, la durée de vie, la sécurité et la performance1. Par exemple, si les batteries LFPsont abordables et très sûres, leur énergie spécifique est moins élevée que celles des autres. Encontrepartie les batteries NCA et NMC, prisées dans l’électronique pour leurs bonnes caractéristiques enénergie et en puissance, sont chères à cause du cobalt contenu dans leurs cathodes. Certaines conclusions de ce graphique peuvent être soumises à contestations : par exemple d’aprèsun expert (17), l’énergie spécifique d’une batterie LFP est supérieure à celle avec anode en titanate(LTO), son coût au moins égal et sa durée de vie plus faible, ce qui ne transparaît pas sur la figure. Figure 3: Les cinq principales technologies Li-ion : des compromis sont nécessaires (14).D’après les chiffres présentés par Sam Jaffe d’IDC Energy Insights à la conférence Energy StorageAssociation 2011 (18), la répartition des différentes variantes de batteries Li-ion produites en 2013 toususages confondus sera la suivante :- 42% de batteries avec des cathodes à partir de cobalt (LC, NCA et NMC avec les notationsprécédentes);- 26% avec des cathodes à base de phosphate de fer (LFP);- 26% avec des cathodes utilisant du manganèse dans des structures de type spinelle (LMO);- 6% avec des anodes en oxyde de titane (LTO).1.1.2 Les différentes conceptions de batteries « La » batterie d’un véhicule électrique est en réalité un assemblage de divers composants, avectrois niveaux d’intégration. La brique unitaire est la cellule où à lieu la réaction d’oxydoréduction. Il1 Notons qu’un coût élevé conduira à une faible note sur l’échelle (ex : les batteries LTO sont les plus chères). D’autre part, lecritère « performance » se réfère à la capacité des batteries à s’adapter aux différentes conditions climatiques. 19
  • 20. existe deux géométries principales de cellules, cylindrique et prismatique (cf.Figure 4), la première étantla plus répandue. Les cellules sont connectées entre elles selon des configurations qui dépendent desconstructeurs et associée à un circuit de contrôle et de sécurité. L’ensemble conditionné constitue lemodule. Enfin, plusieurs modules sont assemblés avec des circuits de contrôle supplémentaire, unsystème de gestion thermique et de l’électronique de puissance pour former un pack de batteries(Figure 5). Le processus de production total comporte de multiples étapes (cf. Annexe I pour plus dedétails). Figure 4: les deux géométries de cellule – cylindrique (à gauche) et prismatique (à droite) Figure 5: exemple de packs de batterie pour différents constructeurs automobiles (13) Outre les différences de conception, les batteries n’ont pas les mêmes caractéristiques selon lestypes de voitures, comme l’illustre la Figure 6 qui montre les différentes manières dont les batteriessont sollicitées. Ainsi, le ratio puissance/énergie doit être fort pour les voitures hybrides (HEV) et faiblepour les voitures tout-électriques (EV). Le nombre de cycles dits « profonds », correspondant à unedécharge complète, doit également être plus élevé pour les voitures hybrides. Quant aux hybridesrechargeables (PHEV), elles sont conçues pour fonctionner selon deux modes, la diminution de charge(charge depleting) et le soutien de charge (charge sustaining). 20
  • 21. Figure 6: les différents modes d’utilisation selon le type d’application (i.e. de véhicule) – d’après (19) et (20) Le Tableau 3 rassemble les objectifs du Department of Energy et de l’US Advanced BatteryConsortium pour les propriétés des batteries. Notons que la « durée de vie » des batteries est comptéeselon deux métriques : le nombre de cycles qu’elles peuvent soutenir et le nombre d’années où ellessont utilisables (ou « vie calendaire »). Tableau 3: Objectifs de performance du DOE et d’USABC (13). Enfin, plusieurs stratégies s’offrent aux constructeurs automobiles. Pour le moment, la plupartsemblent surdimensionner la batterie pour se prémunir contre une baisse de capacité prématurée. 21
  • 22. Ainsi, d’après Kandler Smith du National Renewable Energy Laboratory (20), seulement 10% à 25% del’énergie est utilisée dans les véhicules hybrides (pour la Prius de Toyota, moins de 300 Wh sur les1,2 kWh disponibles) et 50% dans les hybrides rechargeables (8 kWh sur 16 kWh dans la Volt deChevrolet). Cependant, certains pourraient choisir des batteries à durée de vie plus réduite qu’ilsremplaceraient régulièrement. L’avantage serait de bénéficier continuellement des améliorationstechniques (14) et les propriétés attendues des batteries seraient alors différentes. En conclusion, l’architecture et les propriétés du pack de batterie d’un véhicule dépendent de choixindustriels sur l’optimisation entre les coûts de production de ce pack et le niveau de qualité désiré, ainsique du type du véhicule (hybride à tout-électrique). Le grand degré de liberté sur les paramètres deconception mène à des objets structurellement très variés.1.1.3 La batterie d’un véhicule électrique est dans tous ses états en fin de vie Les deux modes de vieillissement –cyclage et vie calendaire- affectent différemment les batteries.Au fil des cycles d’utilisation, des dégradations mécaniques et chimiques apparaissent même si labatterie est inutilisée, ce qui induit une perte de capacité (se traduisant par une perte d’autonomie), unaccroissement de sa résistance interne (se traduisant par une perte de puissance) et un accroissementde son auto-décharge (Figure 7). Le National Renewable Energy Laboratory (NREL) a mis au point desmodèles semi-empiriques pour décrire ces phénomènes encore mal compris (Figure 9). Les modifications structurelles qui sont à l’origine des dégradations sont localisées à plusieursendroits. La couche de l’interface électrolyte/électrode s’épaissit, affectant à la fois le fonctionnementde l’électrolyte et de l’électrode. Au sein des électrodes, les matériaux actifs se fragilisent: apparition dedendrites liée à des réactions parasites, micro-fissures liées à l’insertion/désinsertion des ions lithium,dissolution de certaines espèces, transition de phase, changement de structure des électrodescomposites… Au niveau du système global, les phénomènes observables de la dégradation de la batterie sont laperte de capacité (énergie), l’affaiblissement de puissance lié à l’augmentation de la résistance, et unevariation du potentiel de travail. L’ampleur des dégradations dépend de plusieurs paramètres : lacomposition chimique de la batterie, les conditions extérieures dans lesquelles elle a évoluée et lamanière dont elle a été utilisée.1. D’après les comparaisons du CAS (12), les cathodes résistent le mieux au vieillissement dans cet ordre : NCA, NMC, LFP, LMO. Pour les deux derniers types, la dissolution d’ion ferreux dans l’électrolyte (si le LFP n’est pas assez pur, ce qui dépend de la qualité de production) dans un cas et celle du manganèse dans l’autre sont mises en cause. Au niveau de l’anode, le LTO résiste largement mieux que le graphite, puisqu’il n’a pas besoin de la couche de passivation issue de la dégradation maîtrisée de l’électrolyte lors du formatage en usine de la batterie.2. La température de fonctionnement a de l’importance. Alors qu’une basse température pendant la charge favorise l’apparition de dendrites et de lithium métallique, les températures trop élevées sont encore plus dommageables car, même si dans l’immédiat elles accélèrent les réactions et peuvent conduire à une augmentation de la puissance fournie, elles provoquent aussi la formation de couches d’interface électrolyte/électrode. D’après le NREL, la dégradation de capacité au bout de 10 ans d’utilisation peut varier de 20% selon les différences de climat (Figure 8). 22
  • 23. 3. Un usage intensif conduira évidemment à une dégradation plus rapide de la batterie, puisque sa vie est limitée par un certain nombre de cycles. Par ailleurs, il faut éviter les états de charge extrêmes (trop élevés ou trop bas) ; la vitesse et l’amplitude des cycles de charges/décharges influent également sur le vieillissement. Ainsi, d’après un graphique de Johnson Controls daté de 2003, il est théoriquement possible de lier le nombre de cycles y qu’une batterie Li-ion peut effectuer et l’amplitude x de ces cycles comptée en % de la capacité (Figure 10). 23
  • 24. Figure 8: Impact de la région sur la dégradation de la capacité. D’après le NREL,Figure 7: La résistance interne augmente avec le temps et la température de « Phoenix est l’exemple typique du pire scénario, sur lequel les constructeursfonctionnement (20) peuvent se baser pour la conception. Les conditions de vieillissement y sont les mêmes que si la température ambiante était constamment à 30°C ». (20) Figure 10: Nombre de cycles théoriques dune batterie Li-ion selon lamplitude deFigure 9: modélisation de la vie de la batterie par une modèle prédictif prenant en sa sollicitation. Plage d’état de charge balayée : 20-30% pour les véhiculescompte des observations réelles et des scénarios de cyclage (20) hybrides et 60-80% pour les véhicules tout-électriques. (D’après (20) et (12)). 24
  • 25. 1.1.4 Ordres de grandeur sur les marchés (véhicule électrique et batteries) Le niveau dincertitude sur la vitesse à laquelle les véhicules électriques pénétreront le marchéautomobile est grand. De plus, une certaine confusion existe dans les termes utilisés pour désigner lesdifférents types de véhicules électriques. Dans ce paragraphe et par la suite, nous adopterons lesappellations suivantes :  Véhicules électriques = {tout-électriques, hybrides rechargeables, hybrides non- rechargeables}  Véhicules électriques rechargeables = {tout-électriques, hybrides rechargeables}  Véhicules hybrides = {hybrides rechargeables, hybrides non- rechargeables } Figure 11: Définitions Daprès le cabinet de conseil JD Power and associates (21) les voitures électriques, quireprésentaient en 2010 2,2% des 44,7 millions de voitures vendues dans le monde, ne représenterontque 7,3% du marché en 2020 ; alors que Carlos Ghosn, PDG de Renault, mise sur un taux de pénétrationde 10% à cette date (22). La Figure 12 reflète cette grande disparité d’estimation. Figure 12: Prévisions du taux d’insertion des véhicules électriques rechargeables en 2020 dans différentes régions (monde, États-Unis, Californie), par différents analystes (23). 25
  • 26. Quant au nombre total de voitures vendues en 2020, il pourrait être selon les études de 62 millions(24), 71 millions (21), 89 millions (25) ou même 107 millions (26). Par ailleurs, la répartition des segments est également incertaine. A lhorizon 2020, le cabinet JDPower and Associates prévoit un tiers de véhicules tout-électriques et deux-tiers de véhicules hybrides(21) tandis que le cabinet Dundee Capital Markets prévoit 14% de voitures tout-électriques, 29% devoitures hybrides rechargeables et 57% de voitures hybrides (24). Un rapport d’août 2011 du PikeResearch (27) estime quant à lui les ventes cumulées en 2017 à 5,2 millions de véhicules électriquesrechargeables et 8,7 millions de véhicules hybrides non-rechargeables, l’ensemble représentant 3% dumarché automobile mondial de l’année 2017. Aux États-Unis, un rapport du Department of Energy prévoit qu’un million de voitures électriquesrechargeables aura été produit localement dès 2015 (28). Avec la répartition annoncée il apparaît que7,7 GWh de batteries seront sous les capots des véhicules sortis des usines pendant l’année 2015 (29).Notons que les chiffres annoncés dans ce rapport sont ambitieux. Par exemple, le constructeurautomobile Th!nk, qui devait produire 2.000 voitures en 2011, a manqué de disparaître en juin et sonavenir n’est pas encore déterminé (30). En comparaison, en France un plan national pour le développement a été lancé en octobre 2009,avec un objectif de 2 millions de véhicules électriques mis en circulation à l’horizon 2020 (31). Finoctobre, le gouvernement a annoncé la commande groupée de 18.700 véhicules (32), qui apermis d’organiser et de fédérer les besoins des entreprises publiques, de 18 entreprises privées (ADP,Air France, Areva, Bouygues, EDF, ERDF, Eiffage, France Telecom Orange, GDF Suez, Suezenvironnement, GRT Gaz, GrDF, RATP, SAUR, SNCF, SPIE, Vinci et Veolia), des collectivités locales et del’état, afin d’atteindre une masse critique permettant de faire naître une offre de véhicules électriquescompétitive et pérenne. Notons cependant qu’un volet de cette commande a été abandonné car lesprix étaient trop élevés. Au niveau du marché des batteries, de nombreuses usines de production sont actuellement enconstruction pour satisfaire le besoin créé par le développement du véhicule électrique. D’après SamJaffe d’IDC Insights (18), la production mondiale de batteries Li-ion (tous usages confondus) aura étépresque décuplée entre 2010 et 2013 et atteindra à cette date 12,5 GWh dont 27% en provenanced’Amérique du nord, contre 60% d’Asie et 12% d’Europe. Selon Lux Research (33), les véhicules électriques devraient rapidement prendre de l’importance surle marché, en GWh et surtout en dollars à cause du prix élevé des batteries NiMH et Li-ion. Ainsi sur cesegment, les ventes devraient passer de 1,7 GWh en 2011 (710 millions de dollars) à 5,7 GWh en 2016(2,1 milliards de dollars). Toutefois, le cabinet Roland Berger a soulevé en 2010 un problème dû au développementspectaculaire de la production: “les investissements annoncés auront pour conséquence une fortesurcapacité dans la période 2014-2017” et “seulement six à huit producteurs mondiaux de batteriesdevraient subsister d’ici à 2017” (34). Bloomberg New Energy Finance estime en septembre 2011 que35 GWh seront produits en 2013 pour une demande de 18 GWh (35), des chiffres bien plus importantsque ceux d’IDC Insights. De récents articles de presse vont également dans le sens d’unesurproduction(36)(37). 26
  • 27. 1.1.5 Conclusions sur le parc de batteries disponibles Comme pour tout marché naissant, de nombreux paramètres sont indéterminés dans l’évolution dumarché des véhicules électriques et il est hasardeux de donner des estimations. Cependant, il estpossible d’avancer quelques ordres de grandeur. Il est probable que le marché sera non-négligeable àl’horizon 2020 : dix ans plus tard, plusieurs gigawatt-heures de batteries en fin de vie automobile etencore utilisables seront donc disponibles chaque année aux États-Unis. Si 10 GWh de batteries sontdans les voitures produites en 2020, qu’elles perdent 20% de capacité en 10 ans et que 25% d’entre ellesne sont pas disponibles (non collectées ou non réutilisables), 6 GWh est un chiffre plausible dès 2030. Avec les hypothèses supplémentaires rassemblées dans le tableau ci-dessous, il apparaît que lesvéhicules tout-électriques (15% des packs) représenteraient la moitié des capacités de stockage enénergie tandis que les véhicules hybrides non-rechargeables (60% des packs) en représenteraient 10%.Les caractéristiques en puissance seront différentes selon les packs, ainsi que le rapportpuissance/énergie. Tableau 4: Estimation de la quantité de packs de batteries disponible aux États-Unis en 2030.Les parts de marché des différents véhicules sont celles proposées par (24). La production qui en découle pour l’année 2020est de 540 000 véhicules rechargeables (rappel : le gouvernement américain prévoit que la production passera de 45 600véhicules rechargeables en 2011 à 368 000 en 2015). De plus, rien que pour les batteries Li-ion, technologie dominante, il y aura presque une dizaine decompositions chimiques différentes (cinq principales). Au niveau des cellules, deux géométriesdifférentes co-existeront : cyclindrique et parallélépipédique. Enfin, au sein d’une même catégorie, (ex : batteries LFP de véhicules tout-électriques), l’état de dedégradation pourra être très variable. En effet, il dépendra du mode d’utilisation du véhicule électrique(charge rapide ou lente, fréquence des recharges, etc.) et de l’environnement où il a évolué,notamment des températures auxquelles il a été soumis. 27
  • 28. 1.2 Le stockage stationnaire Le stockage énergétique stationnaire désigne communément lensemble des moyens permettant destocker de l’énergie à un endroit donné, sous quelque forme que ce soit, pour la récupérer ensuite sousforme délectricité. Il se différencie du stockage énergétique embarqué qui est destiné à être installédans des véhicules. Aux États-Unis, plusieurs acteurs peuvent bénéficier du stockage stationnaire et donc êtresusceptibles de faire la promotion de cette solution ou en être client. D’une part le gouvernementfédéral, qui est responsable de la planification des réseaux de transmission délectricité inter-régionaux.D’autre part les gouvernements locaux, responsables du bon approvisionnement en électricité de leursétats. Enfin, les producteurs et distributeurs délectricité. Après avoir une introduction générale sur le stockage stationnaire, ce paragraphe vise à étudier lesutilisations stationnaires les plus prometteuses pour des batteries de véhicules électriques au Li-ion.1.2.1 Présentation globale1.2.1.1 Qu’est-ce que le stockage stationnaire ? Comme le système électrique présente des caractéristiques qui font que loffre et la demandedoivent être égales à chaque instant, l’insertion de stockage stationnaire agissant comme "réservoirdélectricité" permet une plus grande flexibilité dans la gestion de ce système. Ainsi, les unités de stockage peuvent assurer des fonctions traditionnellement assumées par lesoutils de production (centrales) ou de transmission (réseau) et de plus fournir de nouveaux services. Lesusages d’une unité de stockage stationnaire sont très variés. Citons quelques exemples d’applications: Contribuer à la qualité de fourniture (réduction du temps de coupure) ou à la qualité technique (réglage de la fréquence et de la tension) de lélectricité fournie. Ceci correspond aux applications à temps de réponse rapide, situées sur la gauche de la Figure 13. Restituer de l’énergie préalablement stockée, aux endroits où elle manque aux heures de fortes consommations. Le double bénéfice est alors de réduire lappel à une production chère et polluante généralement utilisée dans ces cas (ex : centrale à charbon) et de décongestionner des câbles très sollicités. Les applications 6, 13 ou 20 de la Figure 13 en sont des exemples. Assurer une solution au problème dintermittence de certaines énergies renouvelables comme léolien, le solaire ou lénergie marémotrice. En France, la commission de régulation de lélectricité a dailleurs lancé à cet effet un appel doffre portant sur la construction de fermes éoliennes avec stockage dans les îles (38). Les applications 10 ou 19 de la Figure 13 en sont des exemples. 28
  • 29. Figure 13: les vingt-deux usages du stockage stationnaire répertoriés par lentreprise South California Edison (39) Le marché du stockage stationnaire est naissant et son développement est encore incertain. Aujourdhui, lessentiel des services de stockage est assuré par des stations hydrauliques depompage-turbinage : daprès linstitut Fraunhofer et lElectric Power Research Institute, ellesreprésentent 127 GWe soit 99% des capacités de stockage mondiales (40). En effet, cette technologiebien maîtrisée bénéficie des coûts les plus compétitifs tout en offrant de larges capacités de stockage.Néanmoins, comme le souligne le professeur Donald Sadoway du Masschusset Institute of Technology(41), il est aujourdhui très difficile dobtenir des permis de construire et dimplanter de nouveaux sitesde pompage-turbinage et certains emplacements nont pas la configuration géographique nécessairepour le développement de lhydraulique. Ainsi, une opportunité existe pour d’autres technologies voulant se positionner sur un nouveausegment de marché. Les choix sont variés: stockage pneumatique (air comprimé), électrochimique(larges batteries et super condensateurs), mécanique (volants d’inertie), magnétique (bobines supra-conductrices), thermique (sels fondus dans les centrales solaires thermodynamiques à concentration).Chaque solution offre des propriétés particulières en énergie et en puissance (cf. Figure 14). Lesbatteries Li-ion par exemple sont des systèmes pouvant être dimensionnés sur une gamme de puissanceassez large, d’environ 1 kW à 1 MW, et pouvant délivrer cette puissance pendant des périodes d’une oudeux heures au maximum. 29
  • 30. Figure 14: comparaison des caractéristiques générales en puissance et en énergie des solutions technologiques de stockagestationnaire (40).1.2.1.2 Le stockage stationnaire avec de nouvelles technologies est encore en développement Aux États-Unis, le stockage dénergie est perçu comme un des éléments-clés des réseaux électriques« intelligents » (smart grids) de demain, notamment pour aider à linsertion massive dénergiesrenouvelables, qui sont souvent intermittentes (le pays vise une production annuelle de 152 TWhdorigine renouvelable en 2035). Mark Johnson, directeur de programme à lagence dédiée à la recherche à haut risque en matièredénergie (ARPA-E) a d’ailleurs rappelé lors d’une conférence sur le sujet en juin 2011 (18) que six destrente-sept projets subventionnés concernent le stockage stationnaire, ce qui le place devant tous lesautres secteurs (biocarburants, capture et stockage du carbone, énergies renouvelables...). LeDepartment of Energy a également subventionné une quinzaine de projets de démonstration dans lecadre du plan de relance de l’économie en 2009 (42). Comme pour le stockage embarqué, le but est decréer une industrie et de positionner les États-Unis parmi les leaders mondiaux. D’autre part, 29% des investissements de capital-risque dans les éco-technologies concernentaujourdhui le stockage dénergie (43). Toutefois, le développement du marché se heurte à quelques difficultés pour pénétrer le secteur dela gestion des systèmes d’électricité, venant nuancer cet enthousiasme. Compte-tenu du coût encoreélevé des nouvelles technologies, il n’est pas aisé de convaincre les potentiels clients de les adopterdans le système et de leur expliquer ce à quoi il peut être utile à l’aide d’exemples de projets quimarchent. 30
  • 31. En effet, l’approvisionnement en électricité fonctionne déjà bien avec les éléments existants, ce quiprouve que le stockage stationnaire n’est pas indispensable: pour se développer, il doit donc proposerdes qualités de service bien meilleures que celles des solutions actuelles ou bien se présenter commeune alternative plus compétitive. Les prix de production des systèmes de stockage étant encore trèsélevés (surtout pour les batteries Li-ion), c’est plutôt sur la qualité de service et de nouvellesfonctionnalités qu’insistent les constructeurs. De surcroît, la diversité du stockage stationnaire peut le desservir si l’utilisateur se trouve confrontéà un trop grand nombre de choix. Car, en plus de la technologie et de l’usage qu’il veut en faire, le clientdevra par exemple choisir un emplacement pour son unité de stockage : au plus proche des centrales ?auprès des transformateurs le long des réseaux de transports ? ou encore au niveau desconsommateurs ? (cf Figure 15). Notons que certains constructeurs proposent des « batteries mobiles »,installées dans un camion qui peut être installé à l’endroit le plus propice selon les besoins. Figure 15: La chaîne du secteur électrique – le stockage pourrait être installé à plusieurs emplacements physiques (39). Le stockage stationnaire sintègre de façon transversale dans une industrie qui, pour des raisonshistoriques, est divisée en quatre piliers (production, transmission, distribution, consommation). Commeles règles de fonctionnement du secteur électrique n’ont pas été pensées en le prenant en compte, celapeut bloquer son accès au marché. Cest pourquoi une "révolution" est à lœuvre actuellement aux État-Unis : de nombreuses concertations ont lieu pour modifier les textes et intégrer le stockage dans lesystème électrique, tant au niveau fédéral (44) quau niveau local (45) (46). Enfin d’après Philip Moeller, commissaire à la Federal Energy Regulatory Commission (47), depuislété 2008 certains éléments jouent en défaveur des énergies renouvelables et a fortiori du stockageénergétique. En premier bien sûr la crise économique, qui a ralenti léconomie mondiale et fait chuterles prix des marchés de gros de lénergie, en particulier ceux du gaz et de lélectricité. Par ailleurs, ladécouverte de gisements de gaz de schistes importants aux États-Unis redessine les perspectives dupays : le prix modéré du gaz semble assuré à moyen terme, voire à long terme. Enfin, le marché ducarbone national qui était prévu nest pas encore mis en place, il nexiste pas dobjectif global dinsertiondes énergies renouvelables et il est peu probable quune loi contraignante sur lénergie soit adoptée.Néanmoins, soulignons que certains états peuvent offrir un éco-système plus favorable, comme laCalifornie par exemple. Malgré les obstacles, de nombreuses entreprises croient au développement commercial prochain dustockage stationnaire (48). De plus, les futurs clients sont en train de se former sur les possibilités qu’iloffre et les différentes technologies disponibles. Ainsi, plusieurs entités américaines ont récemmentpublié des rapports (49) décrivant les différentes applications du stockage et estimant les revenus quilpeut générer. Pour assurer la rentabilité économique, les analystes soulignent qu’une unité destockage stationnaire ne devra pas assurer un seul service mais une combinaison de plusieurs. 31
  • 32. 1.2.2 Quel stockage stationnaire avec des packs de batteries de véhicules électriques ? Aujourd’hui, les projets de stockage stationnaire utilisant des batteries Li-ion sont essentiellementdes projets de démonstration. Quelques applications sont pertinentes pour cette technologie. Il s’agit d’une part des applications les plus rémunératrices, notamment le réglage de fréquence,car les batteries Li-ion sont une des options de stockage stationnaire les plus onéreuses2 (40). La Figure16 montre une analyse de la rémunération par l’Electric Power Research Institute. Il y apparaît que lesservices de soutien au réseau ou « services systèmes » (grid support ou ancillary services) représententune opportunité financière. Dans les zones de marché dérégulé aux États-Unis, les services de réglagesecondaire de fréquence (regulation) sont par exemple rémunérés autour de 30-45 $/MW par heure,avec des taux horaires variant largement autour de cette moyenne (50)3. Il s’agit de l’application n°3 dela Figure 13.Figure 16: Rémunération et taille du marché pour les applications du stockage. Le service le mieux rémunéré est le réglage defréquence. Toutefois la taille de ce marché est limitée, les acteurs ont donc intérêt à se positionner rapidement (40). D’autre part, comme les batteries Li-ion sont compactes et disponibles à petite échelle, unesolution judicieuse semble de les disposer auprès des utilisateurs (ou end-users). Il s’agit desapplications n°19, 20, 21 et 22 de la Figure 13. Ce second format est à un stade encore plus précoce dedéveloppement et la viabilité économique du stockage distribué reste à démontrer. C’est pourquoi nous présenterons dans ce paragraphe les services de soutien au réseau et enparticulier le réglage de fréquence, puis le concept de stockage distribué. A travers ce choix, l’ambitionn’est pas de dresser un bilan exhaustif des solutions mais d’en donner un aperçu. Par exemple, leréglage en tension aurait pu faire l’objet d’un paragraphe mais n’a pas été retenu4.2 Si l’utilisation de batteries de seconde main disponibles à un prix plus abordable représente une voie parallèle pour rendre latechnologie Li-ion rentable pour les compagnies d’électricité, les producteurs de batteries veulent avant tout vendre leurproduit neuf.3 Un tableau disponible en Annexe II détaille le fonctionnement du marché des services systèmes en Californie.4 C’est une autre de forme de soutien au réseau, qui s’effectue au niveau de la distribution et pour lequel les technologies destockage pourraient être utilisées, tout comme les onduleurs photovoltaïques (145). 32
  • 33. 1.2.2.1 Le soutien au réseau : principes et opportunités pour les batteries Li-ion Rappels  Pour lélectricité, léquilibre production / consommation doit être assuré à chaque instant, ce qui oblige les gestionnaires du système électrique à sadapter en permanence au niveau de consommation, qui est fluctuant.  Dans le cas dun fonctionnement sans incident, lélectricité est délivrée avec une fréquence quasi- constante (50 Hz en France et 60 Hz aux Etats-Unis par exemple).  Un déséquilibre dans ladéquation offre / demande a une influence sur la fréquence : la fréquence augmente lorsque la production dépasse la consommation, et réciproquement. Le gestionnaire d’un réseau électrique a la responsabilité de garder la fréquence dans un intervalledonné (en Californie entre 59,6 Hz et 60,1 Hz (51)), ce qui n’est pas toujours aisé à cause des contraintesrappelées dans l’encadré ci-dessus. Afin de remplir sa tâche, il réserve des capacités de réglage -le plussouvent sur des groupes de production- qui sont à sa disposition lorsqu’il désire les solliciter. Selonlhorizon de temps auquel la capacité sera disponible, on parle de réglage de fréquence primaire,secondaire ou tertiaire, comme lillustre la Figure 17. En fonctionnement normal, dans un intervalle infra-horaire de quelques dizaines de minutes legestionnaire de réseau parvient à maintenir léquilibre offre / demande et donc à ajuster la fréquencegrâce à deux types de dispositifs (Figure 19): Le réglage secondaire (regulation) par contrôle automatique (Automatic Generation Control) Des instructions sont envoyées à distance par une entité centrale (le gestionnaire de réseau) aux unités de production (toutes les 4 secondes en Californie (52)). Le processus est complètement automatisé. Le réglage tertiaire par ajustements manuels, ou suivi de charge (load following ou ramping). Un plan de production heure par heure est établi un jour à lavance. En "temps réel", le gestionnaire de réseau affine les instructions selon ses prévisions et la consommation observée. En Californie, lopérateur CAISO travaille par intervalle de temps de 5 minutes avec des outils semi-automatisés. Dans cet état, le suivi de charge nest pas un produit de marché mais pourrait le devenir (39). Les besoins de capacité réservés pour ces ajustements augmentent avec lintégration dénergiesrenouvelables et intermittentes dans le mix électrique. En Californie par exemple, le besoin de réglageinstantané à la hausse (besoin de produire plus) est le plus important au printemps, le matin et le soirlorsque la production solaire débute tandis que le besoin de réglage à la baisse (besoin de réduire laproduction) le plus important a lieu en été au milieu de laprès-midi à cause de laugmentation deproduction éolienne. Entre 2006 et 2012, laugmentation des besoins de capacités sur la période estivaleà la hausse et à la baisse serait de +37% et -11% respectivement (53). Plus de détails, comme les ordresde grandeurs de la puissance nécessaire, se trouvent en Annexe III. 33
  • 34. Figure 17: Horizon de temps des différents types de réglage de fréquence (52) Figure 18: Chute de la fréquence en cas d’incident (d’après (53)) * projet au Chili (54) Tableau 5: Liste non-exhaustive de projets de soutien au réseau par des entreprises de batteries Li-ion américaines (d’après (55)). Notons l’arrivée récente de l’entreprise Ionex sur le marché (56).Figure 19: Exemple de la différence entre la consigne de production et la consommation réelle(d’après (53)) 34
  • 35. Lorsque le système électrique fait face à un événement imprévu tel que la perte dun groupe deproduction5, la fréquence chute immédiatement de sa valeur de référence (voir Figure 18). Et ce,dautant plus vite que linertie globale du système (comptée en MW/Hz et fournie par exemple parl’inertie mécanique des parties mobiles commes les turbines, l’arbre d’alternateur…), est faible.Plusieurs mécanismes fonctionnent alors:1. Le réglage de fréquence primaire. Le régulateur de vitesse pour les groupes de production réagit à la baisse de fréquence et modifie sa commande afin daugmenter la production. Ceci a pour but de stopper la chute de fréquence, dont la valeur minimale atteinte est appelée nadir.2. Par le biais de réglages de fréquence secondaire, les moyens de production asservis au réglage secondaire accroissent leur production pour ramener la fréquence à sa valeur de référence (dans les dix minutes qui suivent lincident).3. Enfin, grâce au réglage tertiaire des unités de production supplémentaires sont sollicitées, pour compléter l’action du réglage secondaire dans les 10 minutes suivant l’incident et/ou pour reconstituer les marges nécessaires pour faire face aux prochains incidents : pour cela, des centrales produisant déjà mais pas à leur maximum (la capacité restante est dite réserve "tournante" ou spinning reserve) augmentent leur production , des moyens de production sont démarrés… Daprès Southern California Edison (SCE), une unité de stockage fournissant un service de réglage defréquence doit être dimensionnée avec un fort rapport puissance / énergie, car le besoin identifié estune puissance élevée pendant quelques minutes6. De plus, elle doit disposer d’un nombre élevé decycles de charges-décharges peu profonds. En effet des dizaines de cycles courts sont nécessaires, voiredes milliers quand la réponse est de lordre de la seconde. Enfin, pour cette application SCE propose unetaille unitaire de 20 MW et un emplacement proche des centrales de production (39). Ainsi, alors que le stockage dénergie par les batteries Li-ion parvient à maturité, de bonnesraisons incitent les acteurs américains à l’utiliser pour le soutien au réseau: bien que ce soit un marché de niche, le réglage de fréquence est un des usages du stockage les mieux rémunérés (39); comme d’autres technologies de stockage (volants dinertie et batteries au plomb de nouvelle génération), les batteries Li-ion ont un temps de réaction bien plus rapide que celui des moyens conventionnels (turbines de centrale thermique ou hydroélectrique), ce qui permet dapporter un service de meilleure qualité (55); les programmes pilotes en cours, recensés au Tableau 5, sont très satisfaisants. Soulignons enfin que Robert Misback, le dirigeant dAltairnano, pense que le réglage primaire defréquence est un usage sur lequel le stockage peut vraiment faire la différence grâce à une réponse encharge ou décharge très rapide (de lordre de la milliseconde)(18). Ses réflexions ont été alimentées pardeux rapports récents du Lawrence Berkeley National Laboratory : commandités par la Federal EnergyRegulatory Commission, ces études se penchent sur les problèmes techniques pouvant arriver suite à unincident sur le réseau (52) (57), un type d’événement qui pourrait arriver plus souvent avec l’insertiondénergies intermittentes qui diminuent linertie du système électrique tout en augmentant les besoinsde réglage secondaire. Il apparaît que ce sont les quelques secondes suivant lincident qui sontprimordiales pour stopper la chute de fréquence. Dans un scénario catastrophe, si le réglage secondaire5 Autres aléas possibles : perte d’une charge ou d’une ligne d’interconnexion, erreur de prévision de consommation (due parexemple à des températures différentes des normales de référence pour les usages thermosensibles, ou à une nébulositédifférente de celle qui a été prévue pour l’éclairage), erreur de prévision de la production d’énergies renouvelablesintermittentes (148).6 À nuancer dans le cas du réglage de fréquence tertiaire. 35
  • 36. venait à manquer, le primaire pourrait à certains moments ne pas se reconstituer assez rapidement. Ontrouve alors une idée dans des travaux de thèse en France sur le stockage dans les îles (où le réseau estmoins stable): instaurer un nouveau service de "soutien dynamique" qui conjointement au réglage defréquence primaire, pallierait la réponse trop lente de certains groupes de production (58).1.2.2.2 Le stockage distribué Le stockage distribué vise à intégrer le stockage stationnaire dans la partie décentralisée du systèmeélectrique (réseau de distribution ou lieu de consommation). De taille réduite, il est dimensionné àl’échelle d’un bâtiment ou d’un quartier et pourra constituer une « brique élémentaire » des smart grids(5). Beaucoup d’acteurs s’intéressent aujourd’hui à la gestion de lénergie dans les éco-quartiers;Bouygues et Alstom ont par exemple récemment créé une entité commune offrant des services sur cecréneau nommée EMBIX (59). Les technologies de stockage envisagées pour une utilisation distribuée sont principalement lesbatteries, mais parfois aussi les supercondensateurs, les piles à combustibles ou les systèmes de volantsdinertie (60)(61) . Parmi les batteries, celles au lithium-ion semblent favorites. Lapplication la plus intuitive du stockage individuel concerne les maisons ou les commerceséquipés de panneaux solaires. Panasonic a dailleurs prévu depuis 2009 la commercialisation en 2011dune batterie de maison prévue à cet effet (62). Daprès le Pike Research Institute, les installationsphotovoltaïques résidentielles pourraient représenter 3 GW aux États-Unis en 2020, donc si le stockagepénétrait seulement 10% du marché avec des batteries Li-ion à 345 $/kW il représenterait uneopportunité de 100 millions de dollars (63). Par exemple, d’après Jon Eric Thalman de la compagnie d’électricité Pacific, Gas & Electricity (PG&E)(18), une batterie couplée à une installation photovoltaïque permet de lisser la courbe d’électricité afinque le gestionnaire de réseau dispose d’une production prévisible (cf. Figure 20). Figure 20: exemple de lissage de la production photovoltaïque avec une batterie (d’après(18)). D’autres applications du couplage photovoltaïque / stockage ont été listées par le Sandia NationalLaboratory (Tableau 6). On y voit les interactions fortes avec la mise en place des smart grids et surtoutavec la tarification dynamique de lélectricité. 36
  • 37. Tableau 6: Applications possibles du stockage couplé à une installation photovoltaïque résidentielle ou commerciale (60) La tarification dynamique, un concept expliqué à la page suivante, apparaît en effet nécessairepour le développement d’un stockage résidentiel possédé par les usagers, afin que ces derniers ytrouvent une incitation financière. Kenneth Munson, président et co-fondateur de lentreprise Sunverge,en est convaincu : « Un système photovoltaïque de 2 kW couplé à 8,8 kWh de batteries au lithium-ioncoûte le même prix quun système photovoltaïque de 4 kW. Cependant, les factures délectricité serontde 20% à 30% inférieures dans les régions qui appliquent un système de tarification dynamique ».Daprès lui, les utilisateurs pourraient de surcroît se faire rémunérer par les compagnies délectricité silslaissaient ces dernières programmer la batterie comme ils lentendent (64). Notons que Sunvergeintègre des batteries au lithium-ion du constructeur français Saft dans son système, qui est endémonstration sur 34 maisons à Sacramento (Californie) (65). Ainsi, le stockage à léchelle du particulier sera certainement développé en complément desystèmes de production individuels, et cest dailleurs lobjectif en Californie avec le programme desubvention Self-Generation Incentive Program qui existe depuis le début des années 2000 (66).Cependant, il semble quil y ait de l’intérêt à profiter de linterconnexion de ces systèmes individuels et àutiliser lexpertise des gestionnaires de réseau délectricité comme le propose Kenneth Munson. Pour lesfournisseurs délectricité, gérer du stockage distribué pourrait par exemple réduire le temps de coupurede lélectricité qui, aux États-Unis, est en constante augmentation depuis 15 ans. Daprès l’Institute ofElectrical and Electronics Engineers (IEEE), il est de 92 minutes dans le Midwest et 214 minutes pour lenord-est du pays lors dune année normale (hors événements extraordinaires) et le coût annuel de cesblack-outs est de 49 milliards de dollars (67). A titre de comparaison, le temps de coupure moyen est de4 minutes au Japon et de 85 minutes en France (68). La société American Electric Power (AEP), quisintéresse depuis longtemps au stockage de plus grande taille connecté au réseau, a développé leconcept de community energy storage où l’unité de stockage serait gérée par le gestionnaire de réseau. 37
  • 38. Le principe de la tarification dynamique est de différencier le prix d’un bien lélectricité selon lheure de la journée afin de refléter les coûts de production de lélectricité, qui sont plus élevés aux heures de forte consommation. Une forme simplifiée existe en France avec les tarifs horo-saisonniers de lopérateur historique EDF, qui propose un concept dheures "pleines" (HP) et dheures "creuses" (HC). Le système est de plus répandu dans le secteur de la téléphonie mobile. Cependant, la transition vers les tarifs dynamiques semble difficile aux États-Unis, à cause de différences de situation avec la France:  Aux États-Unis, lutilisation de la tarification dynamique est quasi-systématiquement liée à Figure 21: Phénomène de pic de la consommation linstallation de compteurs intelligents. Or, plusieurs globale (en vert) et contribution du secteur distributeurs délectricité rencontrent des problèmes résidentiel (en rouge) pour la Californie (d’après dans le déploiement de ceux-ci (69) car ils sont une étude du Lawrence National Berkeley globalement mal compris et mal acceptés par le public. Laboratory) Les usagers dénoncent notamment latteinte à la vie privée que représente un relevé horaire de leur consommation et limpact négatif des ondes électromagnétiques sur la santé.  Les américains sont habitués à consommer beaucoup et sans contrainte, ce qui nest pas une différence culturelle négligeable. Mike Keesee du fournisseur SMUD pense dailleurs quil faudrait un signal-prix très élevé pour modifier le comportement des américains. Selon lui, seuls des programmes où les fournisseurs dénergie peuvent contrôler certains appareils électriques directement chez les utilisateurs sont en mesure de faire baisser la consommation aux heures de pointes (70).  Daprès le site internet dEDF, le tarif HP/HC est d’autant plus intéressant si les clients sont équipés de chauffage électrique à accumulation, de machine à laver programmable ou de chauffe-eau électriques. Or ceci représente une bien plus large proportion de la population en France quaux États-Unis, où les chauffe-eau et les systèmes de chauffage sont traditionnellement au gaz.  Enfin, en Californie il est délicat de combiner la 7 tarification dynamique avec les tarifs progressifs sans complexifier linformation pour le consommateur. Avec la tarification dynamique, un signal prix incite les consommateurs à réduire leur appel de puissance aux heures de pic. C’est donc une opportunité pour le stockage, qui permettra d’éviter les tarifs en heure de pointe sans changer son mode de consommation. La Figure 22 montre un exemple présenté en conférence par Carl Lenox, Principal Engineer chez SunPower. L’électricité a trois prix Figure 22: Exemple de gestion opérationnelle d’un système (base, pic partiel et pic) et la batterie est gérée en photovoltaïque (PV) + batterie (151) fixant des seuils de consommation à ne pas dépasser lorsque la tarification n’est pas au prix de base.7 Dans cet Etat, à l’inverse du système communément répandu de prix régressifs, le prix unitaire du kWh augmente avec laconsommation (150). Ceci est rendu possible grâce à la dissociation entre les revenus des fournisseurs d’électricité et leurvolume de ventes (decoupling) (149). 38
  • 39. L’idée du Community Energy Storage (CES), illustrée Figure 23, est dinstaller une batterie partransformateur secondaire (240V|120V), soit une batterie pour un groupe denviron cinq maisons auxÉtats-Unis. Autrement dit, il sagit dunité de stockage denviron 25 kWh, distribuée « à chaque coin derue » (71). Le contrôle de plusieurs batteries est effectué à distance en fonction de nombreusesinformations comme le niveau de charge des batteries, la consommation des résidents ou desdemandes du centre de dispatching (72). Figure 23: Architecture du stockage communautaire envisagé par AEP. D’après www.aeptechcentral.com. AEP travaille actuellement sur un projet de démonstration de smart grids dans lOhio touchant110.000 consommateurs. Le budget de 150 millions de dollars est financé à 50% par le Department ofEnergy (73). Une partie du projet comportera des systèmes de CES occupant à peu près le même volumequun réfrigérateur et contenant chacun une batterie au lithium-ion de 25 kW de la société InternationalBattery. Dici à la fin de lannée, quatre-vingt systèmes seront installés puis testés jusquen 2013. Pourcommencer, AEP prévoit de se concentrer sur le confort des particuliers en leur offrant un servicecontinu même en cas de coupure de courant, avant détudier le report de charge, et pour finir laparticipation au réglage en fréquence et en tension du réseau. Comme le souligne le journal GigaOm,c’est une bonne stratégie de commencer par impliquer et intéresser les ménages au développement dustockage communautaire en leur apportant une amélioration de service, pour éviter les revers queconnaissent les compteurs intelligents (74). Dans le cadre du même fonds de démonstration, Detroit Edison a obtenu 5 millions de dollars pourun autre projet (73) comportant deux niveaux de stockage: d’une part 500 kW / 250 kWh serontassociés à une centrale photovoltaïque de 500 kW et d’autre part des batteries de 25 kW / 50 kWhseront insérées au niveau des transformateurs basse tension, assurant ainsi du CES. A123 fournira lesbatteries, dune durée de vie estimée à 1000 décharges profondes. Elles seront enterrées pour réduirelempreinte au sol. 39
  • 40. Enfin, notons que certains acteurs proposent des solutions de tailles différentes. Exergonix parexemple, a obtenu un contrat avec Kansas City pour 1 MW (75) et développe aussi des systèmescommunautaires de plus petite taille (25 kWh) (76).1.2.3 Conclusions Alors qu’’il existe un besoin accru lié à lintégration d’importantes quantités dénergies intermittentesincapables de fournir des réserves, il paraît intéressant d’utiliser les batteries Li-ion pour participer ausoutien du réseau grâce leur rapidité de réactivité et à la rémunération attractive de ces services. Comme le soulignent certains analystes, les batteries de véhicules électriques ont undimensionnement puissance/énergie qui convient à cet usage (77) (78). Le cahier des charges duréglage de fréquence (39) dressé par un grand fournisseur d’électricité de Californie (SCE) corresponden effet à ce que peuvent offrir des batteries de voitures hybrides non-rechargeables, voire devoitures hybrides rechargeables. Les batteries de véhicules tout-électriques pourraient aussi fournir duréglage de fréquence, mais il serait alors plus rentable de combiner cet usage avec d’autres pour tirerprofit de leur réserve d’énergie. L’ordre de priorité pour les services rendus serait alors être fixé par descritères économiques. La Figure 24 montre un exemple avec du report de charge des heures de lajournée vers les heures de la nuit. Figure 24: Opportunité de revenus simultanés avec une batterie de 2MW (d’après (18)) Conjuguer différentes applications permet également de s’affranchir d’un problème : la taille dumarché du réglage de fréquence est relativement restreinte et elle le restera même aprèsl’augmentation de la production d’énergies renouvelables. En Californie par exemple, un état quireprésente 12,5% du PIB américain et un peu moins de 12% de la population (79) (80), les besoinsmoyens pour le contrôle automatique de charge du gestionnaire de réseau principal étaient de 732 MWentre 2006 et 2008 (81) soit environ 37.000 packs de batteries de véhicules rechargeables hybridescapables de délivrer une puissance de 20 kW pendant une demi-heure. Alors que la taille des packs de batteries de véhicules électriques permet de les placer auprès desconsommateurs (et incite à le faire), les projets de démonstration avec batteries Li-ion les plusambitieux aujourd’hui dans le réglage de fréquence sont dimensionnés à l’échelle du mégawatt avecdes unités de stockage situées en amont du réseau. AES a par exemple récemment répondu à un appeld’offre de Long Island Power Authority en proposant l’installation de 400 MW de batteries Li-ion, qui 40
  • 41. éviterait la construction de nouveaux moyens de production sur cette île de l’état de New York (82).Toutefois la fréquence est une grandeur globale du système électrique, ce qui signifie que des batteriesassurant son réglage peuvent être placées à n’importe quel niveau du réseau8. Plusieurs projets destockage distribué envisagent d’ailleurs de faire du soutien au réseau, dont du réglage de fréquence. Le concept de stockage distribué est encore à définir, tant dans les configurations darchitectureque dans les applications attendues ou encore du modèle daffaire associé (qui sera propriétaire de labatterie?). De plus, la rentabilité des systèmes de stockage distribués est encore moins assurée que celledes larges systèmes. On distingue le stockage commercial et résidentiel, qui est à l’échelle d’une maison ou d’uncommerce et piloté localement, du stockage communautaire, qui est à l’échelle d’un groupe debâtiments et piloté à distance par un gestionnaire de réseau. Le Tableau 7 résume les exemples de stockage distribué évoqués précédemment: dans la majoritédes projets, le dimensionnement retenu est d’une demi-heure à trois heures de stockage pour unepuissance d’environ 5 kW par maison. Ainsi, le dimensionnement du stockage distribué tel qu’il estenvisagé actuellement est-il similaire à celui des batteries utilisées dans les véhicules tout-électriques. D’ailleurs, les constructeurs de batteries du stockage distribué et du transport électrique sont lesmêmes. Par exemple, la start-up Seeo (Californie) utilise sa technologie au départ réservée aux véhiculesélectriques pour développer une batterie de 25 kWh dédiée aux applications réseau et plusparticulièrement au stockage communautaire. Ce projet de 12 millions de dollars est sponsorisé à 50%par le DoE (73). Tableau 7: Récapitulatif des projets de stockage résidentiels (en vert) et communautaires (en rouge) avec batteries Li-ion. Enfin, mentionnons en conclusion le concept de vehicule to grid (V2G), évoqué dès 2001 dans despublications aux États-Unis (83), qui envisage d’utiliser les batteries de véhicules électriques pourassurer un soutien au réseau dès leur « première vie », aux moments où les voitures sont en recharge. Dans le cadre d’un partenariat université-industrie, l’University of Delaware, Pepco Holdings, PJMInterconnect et Green Mountain College ont mené une étude (50) dont les résultats peuvent êtrepertinents pour le thème de la seconde vie des batteries. Des expériences réelles sont concluantes maisfont apparaître certaines limites du concept, comme le montre la Figure 25. Dans ce cas particulier, labatterie a été utilisée de nuit pour effectuer du contrôle de charge un jour où les besoins de réglageétaient essentiellement à la baisse (surplus d’énergie sur le réseau). La batterie, s’étant chargéegraduellement, n’est plus en mesure de suivre le signal de réglage à la fin de la nuit.8 Leur emplacement pourra cependant être optimisé en prenant en compte les points de congestion du réseau. 41
  • 42. Figure 25: Exemple d’utilisation V2G pour du réglage automatique de fréquence. Peu après 3h du matin on constate un différentiel entre la puissance et le signal de régulation car le SOC (state of charge) a atteint sa valeur maximale. D’après une étude britannique de mai 2011 (84) il ne serait rentable d’installer des infrastructuresde V2G que dans certains cas, par exemple si les coûts pouvaient être mutualisés sur plusieurs véhiculescomme dans les flotte d’entreprise. Cependant si le V2G se déployait comme l’espère Nuvve, une spin-off de l’université du Delawarequi vise le marché du réglage de fréquence au Danemark (85), il n’y aurait qu’un pas à franchir vers laréutilisation des batteries en seconde vie. 42
  • 43. 1.3 Réflexions sur les modèles d’affaire et les acteurs Dans ce paragraphe, on cherche à évaluer la position d’un acteur souhaitant commercialiser desbatteries Li-ion de véhicules électriques pour des usages stationnaires. Les thèmes abordés seront donc les difficultés liées au développement d’un marché d’objet ayantdéjà servis, les intérêts et les positionnements possibles des acteurs économiques, et enfinl’environnement du stockage stationnaire (concurrence interne, produits de substitution, etc.).1.3.1 Réutilisation d’objets ayant déjà servis Aujourdhui, les considérations environnementales et les tensions sur les ressources en matièrespremières conduisent à éviter les déchets finaux et encouragent la réutilisation des objets tels quels ouaprès une "remise à niveau" (remanufacturing) partielle ou complète, pour un autre usage et/ou par unautre utilisateur9.1.3.1.1 Généralités La réutilisation de tout ou partie d’un objet nest possible que si le deuxième utilisateur accorde unecertaine confiance au premier utilisateur. En effet, il ignore le plus souvent la date de fabrication delobjet, la raison pour laquelle il a été écarté et la durée de vie résiduelle quil peut en attendre. De pluslors de la transaction, le client peut s’interroger sur les raisons qui poussent le vendeur à se défaire delobjet. Lintroduction de garanties de la part du vendeur ou de labels délivrés par un tiers "neutre"compensent l’asymétrie dinformation et augmentent la confiance. Dans le cas des particuliers, le système de notation des vendeurs disponible sur le site internet e-bayen est un exemple. Cependant, si cela rassure le client, les effets bénéfiques escomptés ne sont pastoujours évidents. Au Royaume-Uni, une étude de lOffice of Fair Trading (OFT) (86) a montré que lors delachat dun véhicule doccasion, les consommateurs qui passent par un concessionnaire acceptent depayer un supplément pour la tranquillité desprit que cela leur apporte. Bien que leurs attentes varientselon la taille du concessionnaire et la relation quils ont avec lui, les clients pensent que celui-ci vaassurer au minimum le service requis par la loi. Or, létude de l’OFT montre que ce nest souvent pas lecas en pratique. Parmi les personnes interrogées, presque un consommateur sur cinq a eu un problèmeavec sa voiture doccasion, dont la grande majorité assez rapidement après lachat du véhicule (70% desproblèmes sont décelés dans les premiers mois suivant la vente); ce qui laisse supposer que les défautsou les causes du problème étaient présents au moment de la transaction. En ce qui concerne les clients industriels, ils n’ont pas forcément besoin de savoir qu’ils achètent desobjets de seconde main ou constitués d’éléments de seconde main : il suffit que ceux-ci remplissent uncertain cahier des charges avec des garanties de la part du vendeur. Cependant, des études soulignent ladifficulté de mettre au point un processus objectif et automatique permettant de savoir si un produitdoit être réparé pour quil puisse resservir, ou bien désassemblé (87). C’est sans doute pourquoi peud’acteurs se risquent à vendre à des industriels des objets ayant déjà servi auparavant. Un des seuls exemples recensés de remise à niveau en milieu industriel est celui du rechapage despneus, une opération par laquelle les pneus usagés sont inspectés, réparés et subissent un nouveaurevêtement (ou chape) (88)(89). En Amérique du Nord, on compte aujourdhui 850 usines utilisant ceprocédé -qui date du début du 20ème siècle- et le marché des pneus rechapés dépasse trois milliards de9 Intuitivement, il apparaît que remettre en condition un objet usagé par rapport à en produire un neuf permet d’économiserde l’énergie. Cependant un article récent du Massachusetts Institute of Technology (MIT) montre que cette assertion n’est pastoujours vraie, surtout si l’on prend en compte l’énergie consommée pendant les phases d’utilisation de l’objet (153). 43
  • 44. dollars. Grâce à la réduction de coûts par rapport à la production dun pneu neuf, le prix de vente dunpneu rechapé est entre 30% et 50% moins élevé (90). Enfin, certains acteurs ont des intérêts opposés au développement d’un marché de seconde main,ce qui a été démontré par des chercheurs en économie dans le cas des voitures doccasion. En effet dansla plupart des cas lexistence dun tel marché se fait au détriment des producteurs de biens neufs (91).Ceux-ci ont alors intérêt à concevoir des objets qui ne soient pas trop résistants, un phénomène appeléobsolescence programmée (92). Dautres études nuancent ces conclusions car certains bénéficespeuvent se dégager pour les producteurs initiaux. Dans le secteur de linformatique par exemple, ceux-cipourraient demander au deuxième acheteur de payer à nouveau la licence dutilisation des produitsqu’ils commercialisent (93). A terme, lexistence dun marché secondaire peut permettre aussilaugmentation du prix initial des objets, lorsquils ont fait preuve de durabilité -et donc de la possibilitéde les revaloriser- .1.3.1.2 Le cas des batteries de véhicules électriques Les Sandia National Laboratories relevaient en 2003 certains cas de commercialisation de batteriesutilisées et reconditionnées (94). Par exemple : - Les opérateurs de radio amateurs acquièrent régulièrement des cellules de batteries Pb-acide (gel) retirées d’instruments médicaux par des hôpitaux. - Il existe un commerce établi de batteries de transpalettes usagées, de batteries automobiles (starters, éclairage et démarrage) reconditionnées et de batteries lithium-ion reconditionnées pour des ordinateurs portables, ainsi qu’un commerce de batteries de diverses technologies réutilisées dans de petits systèmes de production d’énergie renouvelable.Cependant, le marché des batteries de seconde main est aujourd’hui très restreint. Dans le secteur de l’électricité, les acteurs sont habitués à investir dans des unités de productionpour qu’elles durent des dizaines d’années et la robustesse des systèmes revêt une importanceparticulière. Or, nous l’avons montré dans la partie 1.1, les processus de vieillissement des nouvellesbatteries comme celles au Li-ion sont encore mal connus. D’une part ils sont le reflet de mécanismescomplexes et d’autre part il y a actuellement peu de retour d’expérience sur les batteries ayant servidans les véhicules électriques. Les constructeurs de batteries et de véhicules prévoient certainementd’observer attentivement les dégradations sur leurs premiers modèles afin de les améliorer par la suitemais pour le moment les prévisions reposent sur des modèles et des tests de vieillissement accéléré, quine sont que des simulations des conditions réelles d’utilisation. Il est donc délicat de construire desmodèles d’affaire et d’offrir des garanties lorsqu’il est impossible de quantifier le risque de défaillance. Dès lors, attendre que le retour d’expérience soit suffisant (en 2020-2025) sera sans doutenécessaire pour caractériser la batterie en fin de première vie et créer une confiance suffisante sur lapossibilité de leur réutilisation pour que des acteurs se positionnent en revendeurs et assument lerisque en offrant des garanties de performances. Par ailleurs l’organisation de la seconde vie pose des problèmes de logistique accrus parl’hétérogénéité du parc des batteries usagées (démontrée en partie 1.1). Ainsi, un acteur économiquedésirant revendre ou réutiliser ces batteries sera amené à réfléchir aux points listés ci-dessous (liste nonexhaustive). Notons que certaines étapes sont simplifiées ou disparaissent dans certains cas de figure del’utilisation et de l’emplacement choisis pour la seconde vie ; par exemple si l’utilisateur du véhiculereste propriétaire de la batterie et l’installe chez lui. 44
  • 45.  Définir un seuil pour la fin de la première vie Ex : nombre de cycles, nombre d’années depuis la production, capacité restante NB : Les facteurs psychologiques sont susceptibles d’influencer ce seuil et la première vie pourrait être beaucoup plus courte ou beaucoup plus longue qu’on ne l’envisage. Organiser la récolte des batteries usagées (cela inclue-t-il l’électronique et les câbles ?) NB : Aux États-Unis, des réseaux existent déjà pour les batteries automobiles au plomb et les batteries Li-ion -de l’électronique- d’un poids inférieur à 5,5 kg (cf paragraphe 1.3.3.3). Mettre en place un protocole pour évaluer l’état de la batterie (idéalement : puissance, énergie, nombre de cycle) Ex : observation au cours de la vie automobile, test en fin de vie Définir comment juger si la batterie est réutilisable Ex : « test rapide » au moment de la collecte NB : Une ou deux cellules peuvent affecter le test du pack entier. Décider d’un processus de tri (selon la seconde vie envisagée : tri des packs ou tri des cellules après désassemblage des packs) Ex : selon l’état de performance, la géographie, la taille, la chimie, le constructeur automobile, le constructeur de batteries NB : Le développement des véhicules électriques conduira peut-être à une standardisation des packs, des modules ou des cellules des batteries. Il peut être difficile d’anticiper quel standard sera retenu, comme le montre l’exemple de HD-DVD contre Blu-Ray dans un autre secteur (95). Spécifier les caractéristiques attendues pour la deuxième utilisation visée Reconditionner les packs ou les cellules pour leur prochain usage Tester, valider, certifier et garantir le nouveau produit Dans une étude de 2003 (94), les Sandia National Laboratories proposaient un processus détaillé deconversion des batteries de véhicules électriques pour une ré-utilisation en stockage stationnaire(cf Annexe IV). Ce document souligne également que le coût du reconditionnement pourrait êtreimportant. En effet, contrairement à l’exemple du rechapage, pour le sujet qui nous intéresse l’usage etéventuellement le propriétaire des objets sont différents dans la première et dans la seconde vie. Notons que la sécurité est un point primordial à prendre en compte dans les étapes de collecte:d’après Shep Wolsky, conseiller chez OnTo Technology(96), le Department of Transportation américainn’autorise pas le transport de cargaisons contenant plusieurs technologies de batteries. Enfin, en ce qui concerne les intérêts des différents acteurs au développement dun marchédoccasion, ils seront différents selon le modèle daffaire retenu pour les batteries de véhicule électrique(qui variera peut-être selon les constructeurs, les pays et les contextes politiques). Ils peuventégalement fluctuer en fonction du stade de maturité du marché primaire. Par exemple, si la valorisationrésiduelle à travers un marché secondaire permet de lancer le marché des véhicules électriques, lesproducteurs de batteries seront gagnants. Ladéquation entre loffre et la demande sera un autre facteur 45
  • 46. d’influence: une surproduction de batteries mènera les producteurs à combattre le prolongement de lavie de leurs produits. Même si certaines entreprises comme General Electric (97) ou Renault (98) envisagent de louer desbatteries aux propriétaires de véhicules électriques, pour les premiers modèles de véhicules électriquessortis aux États-Unis (99), on constate que la commercialisation est similaire à celle des véhiculesthermiques. Les utilisateurs sont propriétaires de l’ensemble de la voiture et de la batterie ; elle n’estqu’un composant supplémentaire sur lequel le constructeur automobile appose une garantie. L’intérêtprésumé des différents acteurs pour la seconde vie avec le schéma classique où l’automobiliste estpropriétaire de la batterie a été listé dans le Tableau 8. Tableau 8: Analyse de l’intérêt des différents acteurs1.3.2 Qui organiserait la seconde vie stationnaire ? Dans le paragraphe précédent, il est apparu que la question du modèle d’affaire, liée à celle de lapropriété de la batterie lors sa vie automobile, était un point central dans l’analyse du potentielcommercial des batteries usagées. Les propriétaires possibles d’une batterie à chaque étape de sa viesont résumées dans le Tableau 9 . 46
  • 47. Tableau 9: Propriétaires possibles d’une batterie à chaque étape de sa vie Certaines entreprises pourraient se positionner surplusieurs activités (ex : le producteur de batteries et le constructeur automobile pourraient être le même acteur).Plusieurs combinaisons sont possibles, par exemple : Un producteur de batteries peut offrir des services de rénovation ou de reconditionnement. Il aura alors intérêt à concevoir des objets durables dès le début. Afin de vendre plus facilement un véhicule électrique, le constructeur automobile peut louer la batterie neuve ou d’occasion selon l’autonomie souhaitée et le budget de l’utilisateur. Il pourrait par exemple faire alliance avec une compagnie d’électricité pour lui revendre à bas prix les batteries usagées. Un utilisateur de véhicule électrique peut récupérer la batterie pour l’installer chez lui en usage stationnaire après qu’elle a perdu en capacité ; il sera dans ce cas plus incité à la ménager pendant sa conduite. Le concept de seconde vie pourrait d’autre part intéresser des entreprises se spécialisant déjà sur lagestion des batteries, comme par exemple la startup BetterPlace, qui se propose de les « opérer » Le modèle innovant de BetterPlace L’idée est de créer un écosystème où conduire un véhicule électrique est simple, confortable et accessible financièrement. Les automobilistes achètent un véhicule sans payer la batterie et se reposent sur BetterPlace, moyennant un abonnement mensuel, pour que le niveau dénergie de leur véhicule soit toujours suffisant, quel que soit le parcours envisagé. Loffre est donc multiple : - Installation de stations de recharge dans les maisons individuelles. Cette forme de charge devrait assurer environ 90% des besoins de "faire le plein". - Service déchange de batterie en 60 secondes pour les 10% de trajets plus longs (voir (154) pour la vidéo). - Confort amélioré pendant la conduite, avec une tablette électronique multifonction comportant un GPS qui localise les stations déchange les plus proches, un indicateur de niveau pour la batterie... 47
  • 48. pendant leur vie automobile (cf. encadré ci-dessous); MegaWatt Storage Farms, qui conçoit, développe,possède et opère des solutions de stockage stationnaire connectées au réseau électrique ou encoreSunverge déjà citée au paragraphe 1.2.2.2 sur le stockage distribué. Bien que risqué, le secteur du stockage est attractif car perçu comme stratégique ; c’est un secteurclé pour la gestion des transports et pour l’insertion des énergies renouvelables.1.3.3 Analyse de la concurrence sur le stockage stationnaire1.3.3.1 Concurrence interne au secteur : les autres options de stockage Nous l’avons indiqué précédemment, les batteries constituent une option onéreuse pour l’utilisationstationnaire. Le tableau ci-dessous montre qu’elles sont en compétition notamment avec le stockagehydraulique (STEP) et le stockage par air comprimé (CAES). Néanmoins, les batteries possèdent des avantages déjà évoqués au paragraphe 1.2 par rapport à ces2 solutions: Les STEP et les unités de CAES sont de grosses installations qui ne peuvent se faire que sous condition de disponibilité géographique et nécessitent l’obtention de nombreux permis administratifs. En contrepartie, les batteries peuvent être disposées n’importe où10 et elles sont disponibles dans des gammes de puissance plus faible, ce qui permet leur utilisation distribuée. Le temps de réponse des batteries est bien plus faible ce qui les rend particulièrement adaptées au réglage de fréquence. Les volants d’inertie sont en compétition avec les batteries Li-ion sur ce créneau, mais cette technologie à peine mature fait aujourd’hui face à des déboires : Beacon Power, une société soutenue par le gouvernement américain, est instance de faillite depuis fin octobre 2011 (100).Figure 26: Comparaison de différentes technologies de stockage (liste non exhaustive). Les valeurs sont des ordres degrandeur donnés à titre indicatif (101). Notons que le lithium-ion est une des technologies de batterie les plus chères.10 Il faut certes des permis d’installation, qui peuvent être difficiles à obtenir s’il y a un risque d’explosion, mais leuremplacement n’est pas soumis à la présence d’une ressource naturelle. 48
  • 49. Au sein des technologies de batteries, les batteries Li-ion sont relativement chères car légères etcompactes, et c’est pourquoi aux États-Unis des entreprises parient sur les batteries à flux continu ouredox-flow (47). Cependant l’avantage des batteries à flux continu réside surtout dans la possibilité deconstruire des systèmes à grande échelle, elles ne représentent donc pas plus que les STEP et le CAESune concurrence pour les installations de moins d’un mégawatt. De fait, les concurrents les plusimportants des batteries Li-ion de seconde main dans le secteur du stockage distribué de petite taillepourraient être les batteries Li-ion neuves. Pour évaluer la compétition entre une batterie usagée et une batterie neuve de même type pourl’usage stationnaire, on peut imaginer un modèle simple dans lequel les revenus sont proportionnels àl’énergie de la batterie. Soit D la durée de vie calendaire de cette sorte de batterie (en années) et d la durée de la vieautomobile pour la batterie usagée Soient x la perte de capacité annuelle de la batterie, et t le tauxd’actualisation représentant l’inflation. Alors r, le rapport (en %) des revenus de la batterie usagée surceux de la batterie neuve, est le suivant : On suppose enfin qu’un malus est associé à l’achat d’un objet de seconde main ; ce peut être parexemple un facteur psychologique dans le cas des particuliers ou une « assurance risque » dans un cadreindustriel. Si ce malus est de m % du prix de l’objet neuf, alors la batterie usagée ne sera choisie que sison prix est inférieur à (r-m)% du prix de la batterie neuve. Avec les hypothèses numériques rassemblées dans l’encadré suivant, il apparaît qu’une vieillebatterie ne sera compétitive que si son prix une fois reconditionnée ne dépasse pas 22% du prix d’unebatterie neuve (encore moins si la batterie « meurt » subitement, un peu plus si on écourte la premièrevie pour allonger la seconde vie). Hypothèses :  D = 15 ans  d = 10 ans  x = 2,2% de la capacité (de sorte qu’au bout de 10 ans la capacité s’est dégradée de 20%)  l’espérance de vie ne s’est pas améliorée entre la conception de la génération 1 et de la génération 2 et la dégradation lors de la première vie est équivalente à la dégradation pour une même période avec l’usage de la seconde vie. Ainsi, la durée de vie stationnaire de la batterie usagée est D-d.  t = 2%  m = 10 La batterie usagée ne sera choisie que si son prix est inférieur à r-m = 22 % du prix de la batterie neuve. Analyse de sensibilité (un seul paramètre modifié à chaque fois):  Si la vie totale de la batterie ne dure que 13 ans (D=13), r-m = 14%  Si la vie automobile ne dure que 8 ans (d=8), r-m = 36%  Si la nouvelle batterie ne se dégrade que de 1,5% par an (x=1,5%), r-m = 24%  Si le taux d’actualisation t vaut 1%, r-m = 21% et s’il vaut 3%, r-m=24%. 49
  • 50. Or entre 2010 et 2020 le prix des batteries de véhicules électriques devrait baisser significativement,d’une part grâce aux économies d’échelles dues à l’augmentation des capacités de production et plustemporairement à cause de la surcapacité de production de batteries que nous avons évoquée auparagraphe 1.1.4. Bloomberg New Energy Finance estime ainsi que les coûts de production vont passerde 800-1000 $/kWh en 2010 à 350 $/kWh en 2020 (35). Des graphes disponibles en Annexe V montrentles estimations d’autres analystes. Si le coût de production baissait de 50% seulement (hypothèse basse) cela signifierait que, pourêtre compétitive avec batterie neuve en 2020, une batterie produite en 2010 ne pourrait pas êtrevalorisée à plus de 11 % de son prix initial, prix du reconditionnement inclus. Bien sûr, les coûts nebaisseront pas infiniment et ils devraient se stabiliser vers 2020. Ils pourraient même ré-augmenter parla suite d’après (102), puisque plus sensibles aux cours des matières premières qui constitueront alors lamajeure partie des coûts de production. Les batteries de seconde main seront donc plus à même deconcurrencer les batteries neuves en 2030 qu’en 2020. Enfin les batteries des véhicules en première vie feront également partie de l’environnementconcurrentiel si le concept de vehicle to grid vient à se développer.1.3.3.2 Les substituts du stockage stationnaire : moyens de production dispatchables etdemand response Comme nous l’avons abordé plus haut, le coût de production de l’électricité n’est pas constant car laproduction électrique doit « suivre » en permanence la consommation. Lors des pics de consommation -période d’intense utilisation d’électricité par une population - il est alors nécessaire de faire appel à descentrales qui ne servent que quelques heures par an pour permettre l’égalité consommation-productionà chaque instant. En Californie les pointes de consommation arrivent pendant l’été et d’après JimDetmers, ex-directeur opérationnel du gestionnaire de réseaux CAISO, 10 GW sont ainsi inexploitéspendant 96% du temps (103). Les centrales servant ponctuellement et les centrales qui réservent une partie de leur capacité(spinning reserve) sont les moyens de production dits dispatchables, avec lesquelles le stockagestationnaire est en compétition. Il devra prouver qu’il peut apporter le même service à un coût plusavantageux. Ce n’est pas encore le cas d’après Thomes Weaver, chef de la plannification des systems dedistribution chez AEP, qui considère que les centrales de pointe (peaker plants) sont encore moinschères que les solutions de stockage (104). Un autre type de service qui est à peu près au même niveau de développement que le stockage esten concurrence avec lui: la Demand Response, une stratégie de gestion du réseau par laquelle lesconsommateurs finaux modifient leur profil de consommation électrique en réponse à un signaléconomique traduisant les coûts instantanés de production (105)11. Lorsqu’elle est automatisée, laDemand Response ne requiert pas d’action de la part du client une fois qu’il a signé un contrat. Lesystème d’un opérateur de réseau ou d’un agrégateurs intermédiaire entre les clients et les compagniesd’électricité détecte les besoins et envoie automatiquement des instructions aux appareils électriquesdes clients pour diminuer la consommation. La réponse à une variation de fréquence peut ainsi être trèsrapide ce qui permet de participer aux services systèmes (ou ancillary services), en compétition directeavec les batteries Li-ion. D’après un rapport du Pike Research Institute daté d’avril 2010, une forte croissance du secteur dela Demand Response serait à prévoir à l’horizon 2013. Selon un scenario “modéré”, le marché pourrait11 Les tarifs “Effacement Jours de Pointe” d’EDF sont un exemple de Demand Response. 50
  • 51. passer de 1,4 milliard en 2010 à 8,2 milliards de dollars d’ici à 2020 (106). Cependant, l’essor de laDemand Response pourrait bien être plus précoce que prévu. En effet, son importance en tant queressource du réseau a été démontrée durant l’été 2011 lors des vagues grandes de chaleur qui ontfrappé le pays, causant des délestages de charge à des niveaux sans précédent. À ces moments, les picsde consommation sont causés par les climatiseurs, qui représentent des charges facilementcontrôlables. Le 22 juillet dernier, les gestionnaires de réseaux PJM et New York Indepedent System Operator(ISO) dans le Nord-Est des États-Unis se sont ainsi délestés de 2300 mégawatts et 1 743 mégawattsrespectivement; tandis que le 4 juillet au Texas un black out a pu être empêché lors que l’ElectricReliability Council of Texas (ERCOT) a fait appel à 1150 mégawatts de Demand Response (107). Ces événements sont survenus comme pour appuyer les avancées majeures au niveau de laréglementation qui avaient été décidées plus tôt dans l’année. Tout d’abord la Federal EnergyRegulatory Commission, qui s’intéresse à la Demand Response depuis plusieurs années (108), a émis enmars la “décision 745”. Ce texte oblige maintenant les opérateurs du marché de gros à rémunérer laDemand Response à la même hauteur que des capacités de productions d’électricité (109). Auparavantles différents marché de gros des États-Unis, bien qu’interconnectés, compensaient différemment lesservices de Demand Response (110). D’autre part, le Green Building Council des États-Unis a intégré enjuillet la Demand Response dans le système Leadership in Energy and Environmental Design (LEED) destandardisation des bâtiments à haute qualité environnementale. Ainsi, les immeubles de bureaux et lescommerces seront incités à participer à des programme de Demand Response puisque ceux-ci leurspermettront d’obtenir des points dans le classement LEED (111).1.3.3.3 Le recyclage Le recyclage n’est à proprement parler un substitut de la seconde vie en usage stationnaire, puisqu’ilne fournit pas les mêmes services. Cependant c’est une option concurrente une fois la vie automobileterminée. En effet, si le processus de recyclage est maîtrisé il pourrait être moins risqué et plusrémunérateur que la seconde vie : les gains dans le cas du recyclage dépendent du coût des matériauxles plus chers de la batterie (cobalt et nickel pour la technologie Li-ion) et dans un contexte de ressourcefinie (112), leurs cours ne devraient pas baisser12(113). Comme nous le soulignions dans la partie 1.3 lesentreprises de recyclage n’ont pas intérêt à ce qu’un marché de seconde main des batteries sedéveloppe13 ; Leur intérêt est au contraire que le cycle de vie des objets soit le plus court possible. Notons qu’une seconde vie avant le stade « déchet » n’empêche aucunement que l’objet soitrecyclé. Le marché du recyclage des batteries de véhicules électriques est donc par essence plusimportant car il englobe celui de la seconde vie. De plus, il est amené à se développer plus tôt car ils’adresse également aux possesseurs de batteries détériorées et devenues inutilisables avant ou à la finde la première vie. Enfin, le recyclage des batteries de véhicules électriques présente des similaritésavec celui des batteries de l’électronique. Les batteries plomb-acide, qui sont les plus utilisées actuellement, sont composées pour 60% à 80%de matériaux recyclés et 90% dentre elles sont recyclées en fin de vie avec un procédé bienmaîtrisé(114) comme le montre la Figure 27. Dès lors, on peut imaginer une structure de cycle similairepour les batteries au lithium.12 Entretien téléphonique avec … ?13 A moins évidemment qu’elles ne se positionnent sur la seconde vie. 51
  • 52. Figure 27: Cycle de recyclage des batteries au plomb. D’après(115) et (116). Le premier projet de recyclage des piles lithium-ion a débuté en 1992 initié par Sony et SumitomoMetals un an après la commercialisation de piles (117)(118). Depuis, plusieurs compagnies ont desprocédés de recyclage qui pourraient isoler le lithium et permettre la réutilisation de presque la quasi-totalité du matériau, notamment Kinsbursky Brothers aux États-Unis (société mère de Toxco implanté enCalifornie) et Umicore en Belgique. Dans les usines de Kinsbursky Brothers, les batteries sont écrasées puis les débris sont triés sélectivement. Un procédé de cryogénisation permet de refroidir les batteries à environ -200°C avec de lazote liquide pour les désactiver au préalable (119). Umicore utilise quant à lui une fonderie : les métaux mis sous forme de granulés puis récupérés tandis que les échappements de gaz sont traités (120). Notons qu’une société française, Recupyl maîtrise le recyclage de batteries Li-ion et qu’elle a unefiliale aux États-Unis (121). Enfin, une start-up nommée OnTo Technology a développé un procédé quipermet de récupérer les matériaux de cathode et danode pour quils soient réutilisés directement dansdes batteries. Ce processus innovant évite de repasser par le stade élémentaire et serait moinsénergivore (122). Aux États-Unis, recycler les batteries au lithium n’est pas imposé par le gouvernement fédéral maispeut l’être dans certains états. En Californie par exemple, le Rechargeable Battery Recycling Act (123)oblige les vendeurs au détail à prévoir un mécanisme de reprise et de recyclage de toutes les batteriesrechargeables. Le Department of Toxic Substances Control (chargé de surveiller la bonne application decette loi) conseille aux vendeurs de faire appel aux services gratuits de la Rechargeable Battery RecyclingCorporation, une organisation à but non lucratif qui fonctionne grâce aux revenus générés parl’apposition de ses labels. Son programme Call 2 Recycle organise le rassemblement et l’envoi desbatteries pour être recyclées. Les batteries Li-ion de moins de 11 livres (environ 5,5 kg) sont envoyées auCanada où la compagnie Xstrata récupère le cobalt qu’elles contiennent. 52
  • 53. Rien n’est prévu pour le moment pour les batteries de véhicules électriques, ce qui pousse lesconstructeurs automobiles à envisager d’autres solutions, comme le californien Tesla Motors qui acontracté avec Umicore et Kinskbursky Brothers (Figure 28). Figure 28: Cycle de recyclage des batteries chez Tesla (124). Frost & Sullivan a étudié la chaîne de valeur des batteries de véhicules électriques (illustration enAnnexe VI). D’après ce cabinet, un nombre important de batteries commenceront à être jetées en 2016et c’est alors que le recyclage des batteries de véhicules électriques se développera. En 2022, 500.000batteries auraient besoin d’être recyclées dans le monde et la valeur du marché pourrait atteindre2 milliards de dollars (125). 53
  • 54. 1.3.4 Conclusions Le coût des batteries (il serait de 650 $/kWh pour la Nissan Leaf (126)) explique en partie que lesventes de véhicules électriques aient du mal à progresser. Exploiter leur valeur résiduelle en lesrevendant apparaît alors comme un levier séduisant pour développer le marché : soit les véhicules sontvendus moins cher -si le constructeur est propriétaire de la batterie et la revend après utilisationautomobile-, soit les conducteurs acceptent plus facilement le prix élevé des véhicules électriquespuisqu’ils peuvent tirer profit de la batterie en fin de vie. Les clients « naturels » d’une batterie électrique Li-ion de seconde main sont les compagniesd’électricité. L’apposition d’un label par un tiers, une garantie, un prix très compétitif ou plusprobablement ces trois éléments réunis seront des arguments de vente nécessaires pour que lesbatteries de véhicules électriques usagées remplissent le cahier des charges de ces industriels. Or, ladiversité des batteries et l’étendue des connaissances actuelles ne permettront pas forcément d’yparvenir dans un futur proche. De manière globale, les points développés dans la partie 1.3 montrent que l’environnement dustockage stationnaire pour une entreprise vendant des batteries de seconde main semble difficile,tout du moins au début (de 2020 à 2030). En synthétisant à l’aide de la méthode des cinq forces dePorter (cf Figure 29), il apparaît que : Même s’il y a des barrières à l’entrée du marché du stockage stationnaire (risque élevé, activité nouvelle), c’est un secteur d’avenir et stratégique, de surcroît souvent soutenu par l’état comme c’est le cas États-Unis. Beaucoup de sociétés peuvent être tentées par l’aventure dans ce secteur attractif. Bien que les batteries seront a priori disponibles en grand nombre, rassembler de grandes quantités, les tester et les reconditionner demandera des efforts logistiques et financiers. Les compagnies d’électricité sont habituées à investir dans la qualité et dans des équipements de longue durée. De plus, le secteur électrique est concentré (même aux États-Unis) : le pouvoir de négociation des clients sera donc fort. Enfin, l’environnement est très concurrentiel, o au niveau des autres formes de stockage o et au niveau des substituts (demand response et moyens de production dispatchables). 54
  • 55. Figure 29: Les cinq forces de Porter. Une entreprise vendant des batteries de véhicule électrique de seconde main pour uneutilisation stationnaire aura du mal à dégager des bénéfices car l’analyse de son environnement révèle qu’elle estrelativement contrainte par des forces qui lui sont extérieures. Cependant, certains modèles d’affaire seraient peut-être en mesure d’atténuer ces difficultés,comme par exemple des acteurs intégrés (pas de coûts pour obtenir les batteries usagées, moins ou pasdu tout de relations fournisseur et de relations clients), la ré-utilisation des batteries près des points decollecte, opérer de petites unités (réduction des coûts de reconditionnement et d’assemblage), etc. 55
  • 56. 56
  • 57. 2 - Cartographie du sujet aux États-Unis2.1 Projets de la recherche Dès 2003, les Sandia National Laboratories ont publié un rapport très complet déjà cité plus hautsur la réutilisation de batteries de véhicules automobiles usagées pour des usages stationnaires,étudiant les aspects technologiques et la rentabilité économique (94). A l’époque, des batteries nickel-hydrure métallique (NiMH) étaient utilisées dans les véhiculesélectriques et c’est sur cette technologie que l’Argonne National Laboratory avait effectué des testsentre 1996 et 1997 sur huit batteries. Après 500 cycles dynamiques simulant une utilisation automobile,quatre régimes de vieillissement accéléré avaient été appliqués, dont un où les batteries assuraient desservices de réglage de fréquence et de réserve tournante. La séquence utilisée est illustrée à la Figure30 : chaque cycle comprenait 3 sessions de 160 minutes de réglage de fréquence (32 segments de 5minutes répartis asymétriquement et à trois niveaux de puissance différents) puis une déchargeconstante de 15 minutes suivie d’une rampe de 15 minutes jusqu’à une puissance nulle. La batterieétait rechargée à 100% avant le début du cycle suivant. Les résultats des deux batteries NiMH soumisesà ce test ont été satisfaisants et meilleurs que ceux de batteries au plomb neuves. Figure 30: Cycle de simulation du réglage de fréquence et de réserve tournante. En conclusion de ce rapport, les auteurs rapportaient qu’ils n’avaient pas rencontré de barrièrestechniques insurmontables qui pourraient empêcher la réutilisation des batteries de véhiculesélectriques. Cependant, ils soulignaient que l’absence de standardisation rendrait difficilel’interconnexion des batteries de véhicules différents et le problème de garantir les batteries au vu del’incertitude sur la performance que l’on peut attendre de batteries usagées. L’étude économique arévélé le coût élevé du reconditionnement, mais quatre usages stationnaires pour la deuxième vie ontété estimés comme viables ou intéressants du point de vue financier : soutien au transport del’électricité, suivi de charge dans les bâtiments commerciaux, groupe de secours pour des relais detélécommunication et suivi de charge chez les particuliers. Actuellement, on recense trois projets de recherche sur le sujet de la seconde vie des batteriesaux États-Unis (cf. Figure 31). Les deux projets les plus importants, à l’initiative d’une part de la 57
  • 58. California Energy Commission et du National Renewable Energy Laboratory d’autre part, sont en trainde fusionner. Figure 31: Principales initiatives de recherche sur le sujet de la seconde vie des batteries aux États-Unis.2.1.1 Projet financé par la California Energy Commission A travers luniversité californienne de Davis, la California Energy Commission a octroyé en 2010presque un million de dollars au California Center for Sustainable Energy (CCSE) pour effectuer desrecherches sur la faisabilité technique de la seconde vie (tache n°1 et n°2), tandis que Berkeley a reçupresque 100 k$ pour mener une étude économique (tache n°3) (127) :Tache n°1Etablir les conditions nécessaires à plusieurs usages potentiels de réutilisation des batteries Li-ion.Tache n°2Développer un usage spécifique de seconde vie : une unité de stockage à installer à la maison à base debatteries automobiles au lithium usagées.Tache n°3Développer une méthode de calcul pour déterminer la valeur de la première et de la deuxième vie desbatteries Li-ion dans un cas optimisé.2.1.1.1California Center for Sustainable Energy Pour effectuer ses taches, le CCSE s’appuie sur les compétences de trois entreprises :Aerovironment (spécialisée dans les drônes), la compagnie d’électricité San Diego Gas & Electric et FluxPower, une compagnie commercialisant batteries et systèmes de gestion personnalisés de celles-ci. 58
  • 59. Depuis la fin de l’année 2010, l’équipe a commencé à récolter des batteries auprès de constructeursautomobiles et de producteurs de batteries. De trois différentes technologies (anodes en oxyde delithium titane, cathode en phosphate de fer et de lithium, cathode en oxyde de manganèse) et âgées de2 à 5 ans, les batteries rassemblées ont été soumises à des nombres de cycles variés. Lors de notreentretien avec Mike Ferry, responsable du programme transports à CCSE, en mai 2011 certains packs debatteries avaient été testés pour comparer les états d’usure. Aucun test de vieillissement accéléré n’a été entrepris pour le moment, mais Aerovironmenttravaille à un processus pour tester les batteries et déterminer la performance des différents packs debatteries. Cependant, la dégradation observée avec ce type de tests reste une grande inconnue : d’unepart l’industrie manque de standards et d’autre part il n’est pas du tout certain que cela reflètel’utilisation réelle. C’est pourquoi des expériences « en environnement réel » ont dû commencer enoctobre 2011. Enfin la vision globale de Mike Ferry sur la seconde vie des batteries de véhicules électriques est lasuivante : • Les recherches débutent tout juste, mais il est important de se pencher la question avant qu’il soit trop tard. En effet, préparer un marché, développer des logiciels et construire la confiance des consommateurs prend du temps. • Les cas d’application pressentis sont l’utilisation chez des particuliers (batteries d’environ 10 kWh) pour faire de la gestion d’énergie, le stockage communautaire à l’échelle de petits commerces ou de bâtiments industriels ou encore en support dans les postes sources. Étant donné qu’il s’écoulera encore beaucoup de temps avant que des packs de batteries soient disponibles en très grand nombre, les installations à l’échelle du mégawatt ne sont pas à l’ordre du jour. • En ce qui concerne le modèle d’affaire, rien n’est encore fixé et le propriétaire durant la seconde vie pourrait aussi bien être le client (particulier ou commerce), que la compagnie d’électricité ou un troisième acteur. • Le stockage distribué dans les maisons pourrait se développer suivant le même schéma que les installations photovoltaïques résidentielles, le programme SGIP (128) en est un exemple. Ceci serait facilité par une tarification élevée lors des pics critiques de consommation d’électricité ou même une tarification variant en « temps réel ».2.1.1.2 University of California Berkeley Les réflexions sur les aspects économiques de la seconde vie du projet de recherche sont menéespar deux chercheurs du Transportation Sustainability Research Center de lUniversité de Berkeley. Dans un article publié en février 2011 (129), Brett Williams et Timothy Lipman envisagent unsystème où les batteries sont louées à l’automobiliste dès la première utilisation afin que celui-cinendosse pas leur prix. Grâce à la valorisation des batteries après leur vie automobile, les frais delocation pourraient être réduits denviron 30%. Les chercheurs considèrent que le marché sera plus favorable aux voitures hybrides rechargeableset cest pourquoi ils se sont d’abord intéressés à un modèle pour les batteries de capacité plutôt limitée(6 kWh). Le prix de location mensuel "de référence", c’est-à-dire sans seconde vie est de 131 dollars. Ilest calculé pour le cas où lutilisation automobile dure dix ans avec un coût initial des batteries estimé à9.000 dollars - soit 1.250 $/kWh pour les modules et 1.500 dollars pour les éléments auxiliaires -. 59
  • 60. Dans le scénario "deuxième vie", les batteries sont retirées des véhicules au bout de 5 ans alorsquelles ont encore 90% de leur capacité en énergie. Notons que cette hypothèse est assez originale, onévoque plus souvent 80% de capacité restante comme seuil marquant le début de la seconde vie. Lesbatteries doivent être reconditionnées, cest-à-dire associées à un nouvel emballage et de nouveauxéléments auxiliaires pour remplacer ceux qui sont restés dans la voiture (électronique de contrôle,onduleur, sécurité,...), un processus estimé à 7.000 dollars. Puis, elles servent de batterie stationnaire etassurent différents services pour le réseau électrique. Cette utilisation est jugée moins contraignante cardune part les batteries sont moins sollicitées (en puissance et en énergie), et dautre part elles nesubissent pas les variations environnementales générées par la mobilité dans leur première vie. Parmi les sources de revenu envisagées, la plus rémunératrice est la participation aux servicessystème. Cet usage pourrait générer, pour la première année de vie stationnaire, 1.850 dollars pour laparticipation au réglage de fréquence du réseau électrique et 60 dollars pour la contribution à laréduction du pic de consommation. Les autres applications envisagées rapporteraient 120 dollarssupplémentaires (toujours pour la première année de la deuxième vie). En détail : - La participation au réglage de fréquence du réseau, sur une durée estimée de 706 heures annuelles, serait rémunérée à la fois pour lénergie (11,5 c$/kWh) et la puissance mises à disposition (3,3 c$/kW). On considère donc la réponse à des appels de puissance sur 30 minutes pour augmenter la puissance disponible des batteries - soit 8,6 kW au lieu de 4,3 kW-. - La participation au pic de consommation aurait quant-à-elle lieu pendant 150 heures par an, sur des plages de 4 heures à faible puissance. On estime le revenu unitaire à 50 c$/kWh. - Un positionnement dans les marchés pendant quelques heures de lannée très favorables ("arbitrage") rapporterait environ 110 dollars. - 10 dollars de crédits carbone pourraient être obtenus lorsque les batteries servent à emmagasiner de lénergie éolienne à des moments de faible consommation où les turbines auraient dû être déconnectées. Ainsi calculés et avec un taux dactualisation de 7%, la valeur actualisée nette des revenus sur 10 ansatteint 5.000 dollars soit 60% du prix initial du pack de batteries. Cette prise en compte dun revenupotentiel futur se reflète sur le prix de la location sur cinq ans, qui est ramené à 90 $/mois soit 30% demoins que les 131 $/mois du scénario sans deuxième vie. Létude de sensibilité des différents paramètres montre que les gains augmentent lorsque le prix dedépart du pack de batterie diminue. Le résultat est également sensible au taux dactualisation. Enfin,bien quune capacité de batterie accrue (dans le cas de véhicules tout-électriques par exemple) signifiegénéralement une meilleure rentabilité, "bigger is not always better" daprès les auteurs.2.1.2 Projet du National Renewable Energy Laboratory Le National Renewable Energy Laboratory (NREL) est le plus grand laboratoire de recherche sur lesénergies renouvelables aux États-Unis ; il est donc naturel que des recherches sur le stockage y soiententreprises pour élaborer des stratégies de gestion de l’intermittence de cette production dite« fatale ». Comme nous l’avions mentionné au paragraphe 1.1.3, le NREL travaille en particulier sur lesbatteries Li-ion et sur des modèles de vieillissement de celles-ci. Le projet sur la seconde vie des batteries a vu le jour il y a presque deux ans. Au sein d’un groupe de15 à 20 chercheurs, 5 personnes sont impliquées, notamment Jeremy Neubauer et Ahmad Pesaran.L’objectif est de voir comment la seconde vie peut ajouter de la valeur aux batteries (de 8 à 20% sipossible) afin de rendre leur coût initial plus acceptable. Le projet d’étude compte trois étapes (130) : 60
  • 61. 1. Identifier, évaluer et vérifier la rentabilité des différentes applications secondaires des batteries des véhicules électriques. 2. Mettre en place des programmes dessais à partir de batteries Li-ion produites en masse, de préférence avec des batteries usagées mais à défaut avec des batteries ayant subi des tests de vieillissement en laboratoire. 3. Diffuser les résultats, les outils développés et les données pour informer les acteurs du marché potentiel, proposer des standards aux batteries des VE qui faciliteraient leur ré-utilisation et des mécanismes régulatoires incitatifs. Lors d’un entretien téléphonique en mai 2011, Jeremy Neubauer nous a expliqué ses conclusions surla seconde vie des batteries.  Le stockage communautaire doit être privilégié car il permet de s’affranchir des problèmes inhérents à une plus grande échelle. La sécurité, notamment, dépend de la chimie de la batterie et de l’utilisation qui en a été faite. Assembler des batteries de différentes technologies ajouterait beaucoup d’étapes de tests.  A l’inverse des études de Berkeley, celles du NREL montrent que les batteries ne devraient pas être sorties des voitures avant d’avoir effectué le maximum d’applications de transport. Pour le moment la 1ère vie est estimée à 8-10 ans en se basant sur les garanties des constructeurs auto (8 ans ou 100.000 miles). Il souligne cependant l’incertitude qui règne sur ce qui est garanti exactement –il s’agit probablement de 70 % de la capacité-.  Même si à long terme les véhicules hybrides rechargeables devraient représenter une grande partie du marché, leurs batteries ne seront pas forcément réutilisables. Ces points sont développés dans un article intéressant publié en juin 2011(131). Quant aux alternatives concurrentes à la seconde vie, Mr Neubauer pense que la vitesse deréduction de coût des batteries grâce aux effets d’échelle est surestimée (il n’y a pas d’élémentactuellement pour miser sur des réductions dues à une rupture technologique). Enfin, le recyclage luiapparaît comme une solution à plus long terme. Il existe peu d’entreprises dans ce secteur et elless’intéressent uniquement aux technologies qui contiennent du cobalt pouvant être valorisé. Il apparaît que les recherches du NREL et du projet californien exposé au paragraphe précédentprésentent de nombreuses similarités et c’est pourquoi il a été décidé courant 2011 de faire un projetcommun, d’un budget total de 1,3 million de dollars dont 700 k$ sont fournis par le NREL (132). Ces recherches conjointes permettront d’aller plus en profondeur et notamment de regarderd’autres applications (off grid, autres usages pour les transports). En plus des tests d’Aerovironment surdes batteries usagées et de la réflexion sur comment déterminer « l’état de santé » des batteries,l’université de San Diego lancera des tests pour au moins un an à partir de la fin de l’année 2011.L’étude portera sur trois segments de véhicules électriques : les véchiules tout-électriques (≈24 kWh),les hybrides rechargeables à portée moyenne (30-40 miles ou environ 16 kWh) et les hybridesrechargeables de type Prius (6 kWh). En ce qui concerne l’évaluation économique, un modèle delocation des batteries sera considéré dans la continuité des travaux de l’université de Berkeley. Les résultats préliminaires seront présentés début 2012 ou peut-être même fin 2011, et le rapportcomplet sera disponibles fin 2012 ou début 2013. 61
  • 62. 2.1.3 Projet du Rochester Institute of Technology Sans être uniquement axé sur la seconde vie des batteries, le Rochester Insitute of Technology (RIT)a un projet de travail sur le vieillissement et la fin de vie des batteries Li-ion pour lequel il a obtenu195.869 dollars de fonds de NYSERDA, le consortium new-yorkais sur le stockage dénergie (133).L’objectif est d’évaluer les paramètres économiques, environnementaux et énergétiques des différentesoptions lors de la fin de vie des batteries Li-ion : test et réutilisation, remanufacturing, ou recyclage desmatériaux avec reconstitution des matériaux actifs. Au début de l’année 2011, l’équipe de ce projet était composée de Barry Liebowitz (projectmanager), Gabrielle Gaustad et Brian Landi (co-principle investigators) et les recherches n’avaient pasdébutées. Les axes d’études choisis étaient les suivants :  Engager la discussion avec des acteurs des batteries pour les informer des solutions les plus efficaces aux niveaux économiques et environnementaux sur la fin de vie.  Caractériser la composition des batteries de grandes puissances, à la fois lorsqu’elles sont neuves et en fin de vie.  Caractériser les propriétés galvanique et électrochimiques des batteries neuves et en fin de vie.  Caractériser la pollution d’une éventuelle mise à la décharge des batteries.  Simuler par des modèles physiques et évaluer le potentiel de récupération des solutions de recyclages et de réutilisation des batteries en fin de vie.  Evaluer le coût du cycle de vie, les impacts environnementaux et énergétiques des scénarios de recyclage, des scénarios de réutilisation après tests et des scénarios de remanufacturing.2.2 Annonces des constructeurs automobiles De nombreux acteurs du secteur automobile annoncent quils cherchent à valoriser au mieux lesbatteries en fin de vie à travers des projets de recherche sur une utilisation stationnaire. Cependant,au-delà de la communication, peu d’éléments concrets sur les plans de recherche ou les premiersrésultats sont encore disponibles. Figure 32: Partenariats avec des constructeurs automobiles sur la seconde vie des batteries  GM et ABB D’après le journal GreenTech Media (104), des batteries usagées de la Volt seront couplées à desonduleurs d’ABB pour faire des prototypes de 25 kW/50 kWh soit environ l’approvisionnement de cinqmaisons américaines. Le responsable de programme d’ABB Pablo Rosenfeld aurait déclaré que la solution GM-ABB avaitfait ses preuves en laboratoires et que les expériences avaient produits des résultats intéressants quipermettraient de résoudre les problèmes techniques. Les premiers pilotes sur le réseau électrique 62
  • 63. devraient voir le jour en 2012. GM souligne de son côté que le temps ne presse pas, car la premièrevague de batteries usagées n’arrivera que dans dix ans au plus tôt.  Nissan et Sumitomo L’alliance de Nissan et Sumitomo sur ce sujet a débuté à la fin de l’année 2009 par une étudecommune. Une joint venture a par la suite été créée : le nom, « 4R », fait référence aux quatre verbesanglais Reuse, Resell, Refabricate et Recycle. Cette entreprise va travailler sur les objectifs de gestion dela batterie sur l’ensemble de la chaîne de valeur et sur les solutions de stockage énergétique s’appuyantsur des projets de démonstration et des études économiques. La réflexion sur les possibilitéscommerciales de la seconde vie sera centrée sur la voiture Leaf de Nissan. Les marchés visés sont leJapon et les États-Unis (134). Peut-être que le nouveau centre de recherche de Renault (partenairestratégique de Nissan) dans la Silicon Valley se penchera également sur ces questions ?  Duke Energy, Enerdel et Itochu Cet autre projet visant à étudier la faisabilité technique et la viabilité commerciale de la seconde viedes batteries de véhicules électriques montre l’intérêt que les japonais et les américains portent au sujetpour évaluer si cela peut réduire les coûts lors de la vie automobile. Au moins 2.000 kWh de batteries Li-ion d’Ener1 utilisées dans des voitures Th!nk doivent être testés dans les laboratoires de Duke Energydans l’Indiana pour déterminer les performances que l’on peut attendre en seconde vie. Desapplications stationnaires seront alors envisagées au niveau des maisons, du quartier et des bâtimentscommerciaux grâce à l’expertise d’Itochu (135). Cette entreprise a déjà participé avec Enerdel en 2009 àun projet de démonstration où des batteries étaient installées dans un bâtiment résidentiel (136) et auprogramme publique-privé Plug-IN sur les véhicules électriques avec Duke Energy à Indianapolis (137).  DTE Energy et Chrysler Chrysler participe à une expérience de smart grids à l’échelle du quartier dans laquelle de vieillesbatteries automobiles Li-ion seront intégrées à partir de mi-2013. Les applications qui seront exploréespar DTE Energy (Detroit Edison) dans ce projet concernent le soutien au réseau : réglage en fréquence eten tension, report du pic et lissage de la production dénergie solaire, demand response et enfin ilôtage(138).  BetterPlace Enfin, BetterPlace dont nous avons expliqué le modèle d’affaire au paragraphe 1.3.2, mentionne laseconde vie dans ses communications. Positionnée sur le créneau de la gestion des batteries devéhicules électriques, l’entreprise pense qu’elle sera la première à les amener ensuite sur le marché dela seconde vie de manière organisée et en apportant pour chacune l’historique détaillé et vérifié de lapremière vie et un diagnostique de performance. La seconde vie apparaît pour BetterPlace comme un levier pour maximiser les revenus à partir d’uneressource finie. Elle permettra de plus de favoriser l’intégration des renouvelables ou, pourquoi pas,d’aider les populations des pays émergents (en installant par exemple les batteries dans un hôpital)(139). Deux buts louables pour s’orienter… vers un monde « meilleur » ! 63
  • 64. 2.3 Le point de vue des producteurs d’électricité Nous l’avons expliqué dans la partie 1, il faudra convaincre les compagnies d’électricité que laseconde vie des batteries de véhicules électriques est une bonne idée: d’une part le stockagestationnaire n’est pas une solution communément adoptée aujourd’hui et d’autre part acheter un objetde seconde main est une prise de risque supplémentaire par rapport à acheter le même objet à l’étatneuf. En illustration du premier point, citons l’exemple d’une table ronde consacrée au "point de vue desutilisateurs" sur le stockage stationnaire s’étant tenue à la conférence Cleantech Open de San Franciscoen mars 2011. D’après le modérateur de la session, si les coûts et la fiabilité des technologiesconstituent de réels défis pour les porteurs de solutions de stockage, lart de répondre aux besoins duclient l’est également. En effet, il apparaît que les utilisateurs ne connaissent pas toujours leurs propres attentes enmatière de stockage : d’après Helen Whittaker de BC Hydro, même si les besoins techniques sontconnus, les différentes possibilités quoffre le stockage soulèvent de nombreuses questions pratiques:où linsérer? quels services seront les plus efficaces? à quels niveaux dinsertion? etc. Le contexte(technique, réglementaire, géographique,...) est déterminant pour répondre à ces question et c’estpourquoi il est difficile pour les clients dindiquer ce quils désirent de manière générale. Hank Habicht, partenaire chez Sail Venture Partners, a cependant modéré ces problèmes en notantles améliorations notables du secteur. Les principales compagnies productrices délectricité sintéressenten effet aujourdhui au domaine du stockage, ce qui nétait pas le cas il y a à peine deux ans. Il estmaintenant acquis que le stockage peut avoir une place à tous les niveaux du système électrique, ce quiinclut des installations de plusieurs dizaines de mégawatts. Enfin des entreprises telles que XtremePower, avec 30 MW de batteries installées en soutien à des installations solaires et éoliennes, sont entrain de constituer un premier retour sur expérience qui permettra dapporter des éléments tangiblesquant aux services quelles sont en mesure de fournir. Aux États-Unis où coexistent de nombreuses compagnies d’électricité, celles-ci s’allient pour menerdes projets de recherche communs, coordonnés par l’Electric Power Research Institute (EPRI). Afind’évaluer la position des compagnies d’électricité sur la seconde vie des batteries de véhiculesélectriques, nous avons donc interrogé en avril 2011 Haresh Kamath, directeur de programme à l’EPRI. Kamath a commencé par rappeler que fin 2010, plus de 99% des capacités mondiales de stockageélectrique installées sur les réseaux sont des systèmes hydrauliques (127 GW) et que le reste étaitconstitué pour l’essentiel de stockage à air comprimé (440 MW), puis de batteries électrochimiques(401 MW) et que parmi ce dernier segment, les batteries au lithium ne représentaient que 20 MW. Cependant, dans le cas où la seconde vie serait amenée à se développer, plusieurs emplacements etapplications seraient envisageables d’après l’EPRI.  Services de réglages de fréquence et de tension : les batteries pourraient être installées sur des camions pour que le service soit modulaire et déplacé en fonction des besoins prévisionnels.  Stockage distribué : placé au niveau du réseau de basse ou moyenne tension, proche dune centrale photovoltaïque ou au niveau dun poste source pour une petite dizaine de maisons par exemple. Pour un service de 25 kW pendant 2 heures, trois packs de batteries de Chevrolet Volt pourraient par exemple être utilisés. (Notons que l’EPRI travaille sur le Community Energy Storage avec AES (140)). 64
  • 65.  Stockage résidentiel ou commercial : dans ce cas, un pack 16 kWh pourrait par exemple fournir 4 heures de stockage à 4 kW et il ny aurait pas besoin dassembler de batteries ayant servi dans différents véhicules. Comme nos autres interlocuteurs, Kamath a de plussoutenu que l’utilisation en stockage de grande capacitéest techniquement possible mais semble peu probable(pour une petite unité -1 MW pendant 4 heures- ilfaudrait déjà 250 packs de batteries de 16 kWh!) et quedu point de vue économique, il nest intéressantdutiliser des batteries que si elles participent à plusieursservices à la fois. Ainsi, un pack de 16 kWh pourraitrapporter 13.000 dollars sil contribuait aux servicessystèmes, au soutien en tension et en inertie au réseau,à lamélioration de la qualité du courant et la fiabilité de Figure 33: decomposition des revenus escomptéslalimentation, tout en permettant le report de la avec une batterie de 16 kWh.modernisation des réseaux de distribution et de transmission (cf Figure 33). Les hypothèses sous-jacentes pour parvenir à ce résultat (ex: durée dexploitation considérée) nont pas été détaillées. Les coûts d’installation des batteries sont toujours importants : une batterie ne peut être exploitéeseule dans un réseau, cest pourquoi le prix du stockage dans son ensemble nest pas égal au prix de labatterie mais environ trois fois plus cher. Tout dabord, un système de gestion de la puissance (powerconditioning system) doit être utilisé pour effectuer la conversion AC/DC, contrôler létat de charge,gérer la gestion de puissance réactive et linsertion sur le réseau. De plus, des éléments annexes(balance of plant) doivent être ajoutés, comme un système dacquisition et de contrôle des données, unsystème de gestion thermique et une enveloppe structurelle. Il faut également prendre en compte lescoûts dacheminement et dinstallation. Dans le cas de batteries de seconde main, Haresh Kamathsouligne lexistence de frais supplémentaires incompressibles pour reconditionner la batterie dun usagevers lautre, plus les frais généraux (overheads). Lensemble de ces coûts doit être inférieur à la valorisation attendue pour que linstallation debatteries soit envisageable et dans le cas de la seconde de batteries de véhicules électriques, unmodèle daffaire rentable semble difficile à établir. Même dans un scénario simplifié faisant abstractiondobstacles majeurs (comme la compétition avec dautres solutions ou lincertitude sur la qualité duservice par des batteries usagées), il nest pour linstant pas intéressant financièrement dutiliser desbatteries de seconde main. En effet, il serait plus avantageux dutiliser des batteries au lithium neuves àcause de la réduction de prix attendue pour les prochaines années. Daprès lEPRI, un pack de 20 kWhneuf coûte 10.000 dollars en 2011 tandis quun pack neuf vaudra 6.000 dollars en 2015 et 5.000 dollarsen 2020. Ainsi en 2019, lorsque les premières batteries de seconde main feront leur apparition après 8ans dutilisation dans un véhicule électrique, une compagnie délectricité pourra se procurer unebatterie neuve de 20 kWh à 5.250 dollars. Puisquune batterie usagée nécessite un reconditionnement à2.250 dollars et quelle aura de plus perdu 80% de sa capacité, la conclusion de ce raisonnement est quela batterie de seconde main doit être fournie gratuitement pour que les clients envisagentéventuellement de lutiliser. 65
  • 66. Figure 34: Hypothèses de l’EPRI sur le prix des batteries. En considérant une batterie de seconde main obtenue gratuitementen 2019, le prix du pack prêt à fonctionner est de 6.250 dollars contre 9.250 dollars pour un pack neuf dont la capacitéénergétique et la durée de vie seront meilleures et plus fiables. D’autre part, deux questions cruciales demeurent à ce jour sans réponse : les performances et ladurée de vie résiduelle que l’on peut attendre d’une batterie de seconde main. Or les acteurs du secteurde lélectricité, sommés dassurer un approvisionnement constant et de qualité, sont particulièrementsensibles à ces paramètres. 66
  • 67. Conclusions et pistes d’étude Réutiliser des batteries de véhicule électrique pour un usage stationnaire est un sujet trèsprospectif : la commercialisation des véhicules électriques est actuellement naissante, donc uneéventuelle collecte de batteries usagées ne pourra débuter que dans une dizaine d’année. Néanmoins,s’il est pertinent de réutiliser les batteries avant de les recycler il semble judicieux de les concevoir dansl’optique d’une seconde vie, et c’est pourquoi il est nécessaire de se poser dès aujourd’hui les bonnesquestions. Le sujet est à la croisée de trois domaines ; le transport individuel, la gestion des déchets et lagestion du système électrique. D’une part, cette multiplicité des acteurs complexifie les scénarios deréutilisation des batteries. D’autre part il semble peu probable que les acteurs concernés secoordonnent seuls si les bénéfices anticipés sont faibles. En l’occurrence, aucun modèle d’affaireévident n’est apparu lors des discussions avec les différents interlocuteurs américains rencontrés. Nous avons étudié un cas particulier de réutilisation des batteries de véhicules électriques: l’usagestationnaire intégré à un système électrique semblable à ceux que l’on trouve aux États-Unis ou enEurope. Ce choix, justifié par notre emplacement géographique et le besoin de définir un sujet plusprécis, laisse de facto certaines pistes inexplorées. On pourrait par exemple étudier l’utilisation de ces batteries pour stabiliser les réseaux électriquesde pays émergents ou en développement moins robustes ou même inexistants dans certaines zones.Un système de stockage de seconde main peu onéreux pourrait alors fournir de l’électricité dans lesstructures publiques en cas de coupure (ex : hôpitaux ou école), ou encore être couplé à des systèmesde production photovoltaïques. Plusieurs options intéressantes apparaissent également dans l’éventualité d’une seconde vieembarquée. Les batteries pourront par exemple être réutilisées dans des véhicules qui ne parcourentque des petites distances du fait d’un usage dédié (ex : livraison postale en ville) ou du territoire danslequel ils évoluent (ex : îles comme Hawaï). Cette option est séduisante par sa simplicité ; nul besoin eneffet dans ce cas de reconditionner les packs. Autre alternative, le marché des deux-roues pourraitégalement représenter une énorme opportunité pour la réutilisation des batteries de véhiculesélectriques (si celles-ci sont conçues dans cette optique). Le nombre d’e-bikes combinant puissancepédalée et propulsion par batteries circulant en Chine était estimé l’année dernière à 120 millions debicyclettes. C’est un marché en pleine expansion et où aucune marque ne domine les autres pour lemoment (141). 67
  • 68. Références1. Department of Energy (DoE). Site de la section "énergie" du plan de relance américain. [Online]consulté le 2 août 2011. http://www.energy.gov/recovery/transportationfunding.htm#VEHICLES.2. ADIT. [Online] http://www.bulletins-electroniques.com.3. Consulat général de France à San Francisco. Blog "FrenchscienceSF". [Online]http://frenchsciencesf.wordpress.com/.4. Consulat général de France à San Francisco (Tom Boetken et Thomas Deschamps). Batteries du Futurpour véhicules électriques - Rapport dambassade. ADIT. [Online] octobre 2010. http://www.bulletins-electroniques.com/rapports/smm10_043.htm.5. Consulat général de France à San Francisco (Arnaud Souillé). La Smart Grid en Californie : acteurs etenjeux. [Online] 1er nov. 2010. http://www.bulletins-electroniques.com/rapports/smm10_051.htm.6. DIY Green Energy. Denmark Wind Turbine Generators Powering Transition to EV Cars. [Online] 14 jan.2011. http://diygreenenergy.net/renewable-energy-news/wind-power-news/denmark-wind-turbine-generators-powering-transition-to-ev-cars.7. Gouvernement des Etats-Unis. Transportation funding in the Recovery Act. [Online] Consulté le 02août 2011. http://www.energy.gov/recovery/transportationfunding.htm#VEHICLES.8. Lux Research. Unplugging the Hype around Electric Vehicles. [Online] sept. 2009.http://www.luxresearchinc.com/component/content/article/7/52-lux-researchunplugging-the-hype-around-electric-vehicles.html.9. Deutsche Bank. Electric Cars: Plugged In 2 - A mega-theme gains momentum. [Online] 3 nov. 2009.http://www.fullermoney.com/content/2009-11-03/ElectricCarsPluggedIn2.pdf.10. Boschert, Sherry. Plug-in Hybrids - the cars that will recharge America. sept. 2006.11. Meridian Research International. 2007: Peak Oil - The EV Imperative. [Online] 2 nov. 2005.http://www.meridian-int-res.com/Projects/EV_Imperative.htm.12. Centre d’Analyse Stratégique (CAS). La voiture de demain : carburants et électricité. [Online] 15 juin2011. http://www.strategie.gouv.fr/content/rapport-la-voiture-de-demain-carburants-et-electricite-0.13. National Renewable Energy Laboratory (NREL). Choices and Requirements of Batteries for EVs,HEVs, PHEVs. [Online] 21 avr. 2011.http://www.nrel.gov/vehiclesandfuels/energystorage/pdfs/51474.pdf.14. Boston Consulting Group (BCG). Batteries for electric cars - Challenges, opportunities and theOutlook to 2020. [Online] 2010. http://www.bcg.com/documents/file36615.pdf.15. GreenTech Media. Leyden Energy Raises $20 Million More, Lands in Tablets. [Online] 3 août 2011.http://www.greentechmedia.com/articles/read/leyden-energy-raises-20-million-more-and-lands-in-tablets/.16. University of California in Davis. Batteries for Plug-in Hybrid Electric Vehicles (PHEVs): Goals and theState of Technology circa 2008. [Online] mai 2008.http://pubs.its.ucdavis.edu/download_pdf.php?id=1169.17. EDF R&D. Entretiens avec le groupe de recherche sur les batteries. [Online]18. Electricity Storage Association (ESA). Edition 2011 de la conférence de lassociation sur le stockagedélectricité à San Jose (Californie). [Online] 6-8 juin 2011.http://www.electricitystorage.org/ESA/annual_meeting/.19. Department of Energy (DoE) - Energy Efficiency and Renewable Energy (EERE). Plug-in HybridElectric Vehicle R&D Plan. [Online] fév. 2007.http://www1.eere.energy.gov/vehiclesandfuels/pdfs/program/phev_rd_plan_02-28-07.pdf.20. National Renewable Energy Laboratory (NREL). Design of Electric Drive Vehicle Batteries for LongLife and Low Cost. [Online] oct. 2010.http://www.nrel.gov/vehiclesandfuels/energystorage/pdfs/48933_smith.pdf. 68
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  • 76. 153. Joint Venture: Silicon Valey Network. Silicon Valley Energy Storage Symposium. [Online] 12 janvier2011. http://www.jointventure.org/images/stories/pdf/svess_slides.pdf.154. US Environmental Protection Agency (EPA). [Online] Consulté le 5 mars 2011.www.epa.gov/osw/conserve/materials/battery.htm.155. Massachusetts Institute of Technology (MIT). Remanufacturing and Energy Savings. [Online] 22avril 2011. http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/es102598b?journalCode=esthag.156. Autobloggreen. Ride along as a real-world battery swap takes place in less than two minutes.[Online] 14 juin 2010. http://dev.sandbox.green.autoblog.com/2010/06/14/video-ride-along-as-a-real-world-battery-swap-takes-place-in-le/.157. National Grid. Report shows how future electric vehicles can make money from the power grid.[Online] 10 mai 2011.http://www.nationalgrid.com/uk/Media+Centre/PressReleases/2011/10.05.11+electric+vehicles.htm.158. ADIT. Période dessai pour les systèmes de stockage stationnaire en Californie. [Online] 21 janvier2011. http://www.bulletins-electroniques.com/actualites/65629.htm.159. green-buildings.com. Leadership in Energy and Environmental Design (LEED) and DemandResponse. [Online] Consulté le 19 sept. 2011. http://www.green-buildings.com/sites/default/files/Green-Buildings.com_Special_Report_LEED_and_Demand_Response.pdf.160. Site des fournisseurs d’électricité. Tarif Effacement Jours de Pointes (EJP). [Online] Consulté le 19sept. 2011. http://www.fournisseurs-electricite.com/edf-ejp .161. RTT News. AESO Opts EnerNOC To Provide 150 Megawatts Of Automated Demand Response.[Online] 12 sept. 2011. http://www.rttnews.com/Content/QuickFacts.aspx?Node=B1&Id=1711443.162. CPower - Constellation Energy. Peak Load Management. [Online] Consulté le 19 sept. 2011.http://www.cpowered.com/peak-load-management.php. 76
  • 77. AnnexesI - Li-ion battery manufacturingCe paragraphe est intégralement tiré de (142). Given the variety of materials used and various sizes and formats of Li-ion battery cells, it is notstraightforward to characterize Li-ion production with a single manufacturing process. However, sincethe cylindrical type is currently the most common, that is the process described here, with differencesfor prismatic cell construction noted. The description is based on the production processes described in(Anderman, et al., 2000) and (Gaines & Cuenca, 2000). Li-ion cell production begins with themanufacture of the cathode and anode, with the process being very similar for each. For the cathode,the active material is combined with a binder and other additives in a solvent to make a cathode pastewhich is then deposited onto the current collector, usually aluminum foil, in a coating process. For theanode, typically a graphite paste is made and deposited onto copper foil in an identical process. Thecoated electrode foils are then dried, and the thickness of the deposited material on the foil is madeuniform through a process called calendaring. The foils are trimmed and cut to the proper size, andwound up withthe separator material between them. (In the case of prismatic cells, the electrodes arenot wound, but cut into rectangular shapes and stacked.) Tabs are also welded to the cathode andanode to provide electrical connections. The wound electrodes and separator are inserted into thecanister, electrolyte is added (called “wetting”), ancillary components such as vents and safety devicesare attached, and the cell canister is closed by crimping or welding a cover to the container. Individualcells are then packaged together into modules, which are further integrated with other systems into acomplete battery pack as previously discussed. Figure 5 on the following page summarizes the Li-ionbattery manufacturing process.Though the manufacturing process is virtually the same for Li-ion cells forthe consumer electronics industry as it is for automotive applications, quality control is typically muchhigher in the automotive industry (Chu, 2008; Hendrix, 2008). Thus, additional process controls and theresulting lower yields contribute to the higher cost of automotive Li-ion batteries. 77
  • 78. Figure 35: Battery Manufacturing Process 78
  • 79. II – Services systèmes (ancillary services) sur le marché de CAISO Figure 36: Ancillary services du marché du gestionnaire de réseau principal en Californie (143). 79
  • 80. III - Simulations des capacités de suivi de charge et de contrôle automatique en Californie Le CAlifornia Independent System Operator (CAISO) a effectué une étude sur l’insertion de 20%d’électricité dans le réseau qu’il opère (53), car ce taux est l’objectif 2013 du gouvernement californien.Les variations maximales de suivi de charge à la hausse et à la baisse pour 2012 par saison sontrespectivement de 194 MW/min (été) et -198MW/min (hiver). L’augmentation des besoins par rapport à2006 peut donc atteindre ± 30-40 MW/min. Figure 37: Capacités de suivi de charge à la hausse (en haut) et à la baisse (en bas) requises par par horaire pendant l’été 80
  • 81. Les besoins en contrôle automatique à la hausse et à la baisse simulés pour 2012 sontrespectivement de 502 MW (printemps) et -763 MW (été). Comme le montre la Figure 38, pendant l’étéles besoins maximaux à la hausse sont typiquement le matin et le soir lors des variations de productiondes énergies éolienne et solaire. Les besoins à la baisse sont plutôt durant les heures du milieu del’après-midi. Enfin, les variations maximales obtenues dans les simulations de 2012 sont de122 MW/min (printemps) et -97 MW/min (été).Figure 38: Capacités de contrôle automatique à la hausse (en haut) et à la baisse (en bas) requises par par horaire pendantl’été 81
  • 82. IV – Processus proposé par les Sandia National Laboratories Figure 39: Processus de conversion des batteries (94) 82
  • 83. V – Projections du coût de production des batteries entre 2010 et 2025 La variété des technologies de batteries et les différentes applications automobiles expliquent lalarge gamme de prévisions de coûts des analystes observées dans les graphiques ci-dessous. De surcroît,les coûts pris en compte dans leurs estimations globales ne sont pas toujours bien précisés. Or, à chaqueniveau d’intégration correspondent des coûts spécifiques. Nous avons retenu autant que possible lecoût (et non le prix) au niveau du pack complet (et non de la cellule ou du module). Figure 40: Estimation du coût des batteries pour les véhicules hybrides rechargeables d’après des données de (144). 83
  • 84. Figure 41: Estimation du coût des batteries pour les véhicules tout-électriques d’après des données de (144). 84
  • 85. VI - Analyse de la chaîne de valeur des batteries de véhicule électrique Figure 42: Analyse du cabinet Frost and Sullivan en fin d’année 2010 (125) 85