Les amateurs d'aéromodélisme électrique : étaient-ils des pionniers ?

Au début, c'est-à-dire dans les années 60 du siècle dernier, ils étaient simplement considérés par le grand public comme des excentriques qui tentaient de faire voler de petits avions avec des batteries extrêmement lourdes et des moteurs électriques peu puissants, fonctionnant constamment à la limite de la rupture. Une seule chose leur était certaine : les regards compatissants de leurs camarades modélistes ou leurs railleries cinglantes lorsque, une fois de plus, cela n’avait pas fonctionné.

Une sorte de masochisme animé par la passion technique était sans doute indispensable pour persévérer et continuer. Aujourd’hui, plus personne ne doute que cette idée ait survécu dans le milieu de l’aéromodélisme et qu’elle soit finalement devenue une réussite. Sur certains de nos terrains, les moteurs à combustion interne font déjà figure d’exotiques, même si cela est parfois – il faut l’admettre – davantage imputable à la frénésie réglementaire et aux interdictions de nos autorités qu’à des convictions techniques parmi les modélistes. Une chose reste incontestable : grâce aux moteurs brushless et aux batteries LiPo, les propulsions électriques se sont solidement imposées dans toutes les disciplines du modélisme et, avec une approche relativement appropriée, ne laissent pratiquement plus rien à désirer en matière de performances.

Depuis le début du XXIe siècle, des réflexions de plus en plus sérieuses sur l'électrification du transport automobile circulent, d'abord en Chine, puis également aux États-Unis et en Europe. Sur le plan technique, le déclencheur a sans doute été la mise en série et la production de masse d’un nouveau type de batterie : les batteries lithium-ion de format 18650 (18 mm de diamètre, 65 mm de longueur). Chose étonnante, près de trois décennies plus tard, les dimensions extérieures de cette cellule n’ont pas changé. Sa structure interne reste également, en principe, la même. Il a fallu environ une décennie pour qu’elle devienne compatible avec les courants élevés (les modélistes l’appellent « Konion »). Sa capacité a également augmenté au fil de son évolution. Pas de manière spectaculaire, certes, mais tout de même, passant de 1 200 mAh à l’origine à trois fois cette valeur aujourd’hui. Le développement dans ce secteur prend tout simplement du temps.

En 2015, le débat sur la voiture électrique a pris un tout nouvel élan. Celui-ci tient moins aux innovations techniques qu’au célèbre scandale du diesel chez Volkswagen. Et depuis 2018, aucune personne soucieuse de l’avenir ne peut plus éluder la question cruciale de notre époque : « Quelle est ta position sur le climat ? »

Pourtant, cette nouvelle technologie de propulsion sans émissions (locales) se heurte à un scepticisme de taille. Et ce, non seulement parmi les fanatiques de l’essence et du bruit des pots d’échappement, ni uniquement parmi les professionnels du secteur automobile en Allemagne, qui craignent – sans doute à juste titre – pour leurs emplois, ni même uniquement parmi les investisseurs en actions automobiles qui se sont appauvris du jour au lendemain. Non, ce sont des scientifiques sérieux qui, s'appuyant sur des chiffres et des faits, expriment la crainte que, dans cet ancien pays du miracle économique, la transition soudaine vers une mobilité durable puisse s'avérer coûteuse, voire tourner complètement « au vinaigre ».

Cela soulève naturellement, dans un premier temps, une question qui peut paraître naïve : pourquoi les expériences positives à petite échelle (modèles réduits) ne semblent-elles pas pouvoir être transposées à grande échelle (le reste de la mobilité) ? Et – passons mentalement outre la phase de transition – s’il serait même possible et souhaitable, à l’échelle mondiale (c’est la seule façon pour que cela ait un sens !), d’alimenter une grande partie des transports publics en énergie électrique, même si celle-ci – il n’y a pas de honte à rêver – était disponible en quantités suffisantes et provenait en grande partie de sources renouvelables.

Les moteurs électriques sont de véritables champions de l'efficacité énergétique. Même à l'échelle d'un modèle réduit, ils transforment jusqu'à 93 % de l'énergie fournie en vitesse de rotation et en couple. Dans l'automobile, où tout est à une échelle bien plus grande, le rendement habituel avoisine les 98 %, un chiffre digne des résultats des élections dans le bloc de l'Est. Ces moteurs doivent néanmoins être refroidis, car même avec une puissance d’entrée modeste de 100 kilowatts (kW), il faut évacuer jusqu’à 2 kW, soit la puissance d’un radiateur soufflant. Ce n’est pas dramatique, car après tout, on ne souhaite pas devoir se chauffer uniquement à l’électricité en hiver. Ainsi, le moteur de traction fournit accessoirement l’énergie nécessaire au fonctionnement de la pompe à chaleur intégrée au système de chauffage du véhicule. Et comparé à ses homologues émettant du CO₂, des NOx et des particules fines, qui, selon leur taux d’utilisation, transforment 60 à 90 % de l’énergie pétrochimique fournie en air chaud, même un « mauvais » moteur électrique s’en sort encore bien. Ces pourcentages s’améliorent encore en faveur du moteur électrique lors des trajets en ville à vitesse réduite – ce qui est aujourd’hui, dans de nombreux endroits, la règle plutôt que l’exception. Et le fait que le moteur électrique récupère de l’énergie lors des décélérations (récupération d’énergie) et ménage ainsi ses freins est sans doute bien connu. Il est donc presque superflu d’ajouter que la notion d’« accélération » a pu être redéfinie à l’ère de la mobilité électrique. Non, cela ne peut pas venir du moteur,

si la mobilité électrique, dont le pourcentage d'immatriculations se situe dans la fourchette inférieure à un chiffre, peine à décoller. Le moteur électrique recèle toutefois encore un potentiel de développement, non pas principalement en termes d'efficacité et de puissance, mais plutôt du côté des coûts.

On s'en souvient : dans le domaine de l'aéromodélisme, ce terme avait déjà fait son apparition lorsqu'il s'agissait de remplacer l'ancienne technologie de télécommande à ondes courtes (27, 35 ou 40 MHz) par la technologie moderne à 2,4 GHz. Le résultat est connu ; la peur qui régnait à l’époque est aujourd’hui totalement incompréhensible. Reste à voir si ce sera également le cas pour les véhicules électriques dans un avenir proche. Certes, une voiture électrique capable de parcourir l’autoroute A7 de Kempten à Flensburg sans s’arrêter pour recharger n’est pas pour demain, à moins de remplir – à l’instar des réservoirs auxiliaires des avions – deux coffres de toit avec des batteries. Là encore, l’explication fait depuis longtemps partie du savoir commun : les batteries lithium-ion de taille 18650 mentionnées plus haut, qui s’agglutinent par milliers dans le plancher d’une voiture électrique, atteignent aujourd’hui une densité énergétique d’environ 200 wattheures par kilo (Wh/kg) de poids de batterie. C’est nominalement plus que celle de nos LiPo, qui se contentent généralement d’environ 150 Wh/kg, mais qui peuvent fonctionner pratiquement à nu dans leur enveloppe aérée en velcro, tandis que la batterie de traction d’une voiture nécessite une enveloppe protectrice comprenant un liquide de refroidissement et des composants électroniques de protection. Au final, cela ne fait pas une grande différence. Les LiPo sont en outre conçues pour supporter des charges élevées

et paient cette puissance par une durée de vie limitée à seulement 50 à 200 cycles de charge – ce qui est incontestable pour les applications commerciales. Et tandis que le pilote amateur lambda, après huit à dix minutes de figures acrobatiques intensives, est pris d’une envie irrépressible de retrouver la piste d’atterrissage, le conducteur de voiture électrique vient tout juste d’atteindre la bretelle d’accès à l’autoroute. La durée d’autonomie limitée est donc, dans le cadre de ce loisir, à la fois la clé du succès et le principal problème. Il n’est guère réconfortant de savoir que la distance moyenne parcourue par une voiture n’est aujourd’hui que de 40 kilomètres.

Les combustibles fossiles comme le diesel ou l’essence font tout simplement mieux, avec 12 000 à 13 000 Wh/kg. C’est une autre catégorie, et cela ne remet pas en cause le fait que les moteurs correspondants ne puissent en utiliser efficacement qu’une infime fraction. Quiconque consulte aujourd’hui les tableaux de densité énergétique tombe rapidement sur le leader du classement, l’hydrogène ( $H^2$ ) avec 33 000 Wh/kg, et se souviendra avoir déjà entendu parler de la voiture à pile à combustible comme d’une alternative libérant de l’angoisse de l’autonomie. Malheureusement, même l’hydrogène, qui est certes produit de manière respectueuse de l’environnement sous forme de…

L'hydrogène présente deux problèmes similaires à ceux de l'électricité : il n'existe nulle part dans la nature sous une forme directement utilisable et sa production entraîne des pertes. En effet, même si l’on utilise de l’électricité (issue de sources renouvelables) pour sa production, seuls environ 50 % de celle-ci sont transformés en hydrogène gazeux. La reconversion ultérieure de l’hydrogène gazeux en électricité via une pile à combustible ne donne pas de meilleurs résultats. Là encore, la moitié de l’énergie fournie est convertie en chaleur, de sorte qu’à la fin du processus, le rendement global s’élève à

25 %. Et même si des expériences récentes laissent entrevoir une amélioration de quelques pour cent : le turbodiesel fait déjà mieux aujourd’hui !

Le deuxième problème concerne le transport et le stockage. En effet, les minuscules atomes d’hydrogène sont capables de traverser les parois des bouteilles de gaz métalliques courantes. C’est pourquoi, pour les utilisations mobiles, ils sont aujourd’hui confinés sous haute pression (jusqu’à 700 bars) dans des réservoirs spéciaux à plusieurs couches, dont la couche d’étanchéité en plastique représente environ 10 % du poids du réservoir. Les 90 % restants sont imputables

à l’enveloppe résistante à la pression, composée de fibres de verre et de carbone liées par de la résine époxy. Ce composite réduit certes le poids de l’emballage, mais sa production n’est pas respectueuse de l’environnement et la question de son élimination n’a, à ce jour, pas encore été résolue, même de manière sommaire (ce qui vaut d’ailleurs également pour les pales des éoliennes, fabriquées dans un matériau similaire). Les gazoducs d’hydrogène étant coûteux à mettre en place pour les raisons susmentionnées et n’étant considérés comme réalisables que dans des cas exceptionnels, le gaz doit donc être comprimé, ce qui entraîne des pertes, puis acheminé dans des réservoirs sous pression jusqu’au point de livraison. L’autre solution, qui consiste à liquéfier le gaz puis à le transporter vers le client dans des camions-citernes à double paroi, permet certes de mieux exploiter les capacités de transport, mais nécessite, en raison du refroidissement, une consommation d’énergie primaire trois fois plus élevée. L’idéal serait de disposer de stations-service à $H_2$ où le gaz serait produit sur place. Cela suppose toutefois un excédent local d’énergie primaire (énergie éolienne et/ou solaire). Une telle logistique d’approvisionnement n’existe pas à ce jour. Le stockage dans les stations-service s’effectue à moyenne pression (50 bars) et nécessite donc des volumes de réservoirs relativement importants, généralement sous forme de réservoirs en tour. C’est pourquoi le processus de ravitaillement en hydrogène entraîne lui aussi des pertes (haute compression et refroidissement). Contrairement à l’électricité, l’hydrogène est certes plus facile à stocker, mais il nécessite, même en cas de stockage à haute pression, un volume de stockage nettement supérieur à celui du gaz naturel, de l’essence ou du diesel, ce qui limite ses applications mobiles. Et ceux qui ne souhaitent pas ignorer totalement les risques potentiels inhérents à l’hydrogène peuvent se plonger dans l’histoire des dirigeables.

Les affirmations qui précèdent ne visent toutefois pas à sonner le glas de la technologie de l’hydrogène, mais à mettre clairement en évidence...

Il est clair qu'il reste encore un long chemin à parcourir d'ici là. C'est pourquoi cet article se concentre à nouveau sur la technologie des batteries qui, comme le montrent diverses solutions, fonctionne en principe et est en bonne voie de pallier, au moins en partie, le talon d'Achille que représente la faible autonomie.

Quand on lit ce genre de titres, il vaut mieux simplement passer à la page suivante. La batterie lithium-ion de Sony mentionnée au début, ainsi que toutes celles qui ont suivi, venues de Corée du Sud et de Chine, ont mis près de deux décennies à

devenir «prêtes pour la route» et de permettre une recharge relativement rapide. Les progrès en matière de résistance interne, de capacité et de densité énergétique n’ont avancé qu’à petits pas, au fil des décennies. L'espoir de « gains rapides » dans la technologie des batteries, s'il a jamais existé, n'est plus aujourd'hui qu'une illusion. Peu importe que l’on se remette à radoter sur les batteries au sodium (un sujet rebattu, mais sans rapport avec la mobilité) ou que l’on érige même le très sage magnésium métallique en porte-drapeau de l’espoir. Même si cela fonctionne au stade expérimental, il faudra encore des décennies avant que de nouvelles batteries, meilleures ou offrant une plus grande sécurité d’approvisionnement, ne soient prêtes à être commercialisées.

Il ne nous reste donc que la batterie lithium-ion, qui a fait ses preuves, pour inaugurer l’avenir de la mobilité électrique et l’accompagner encore pendant de nombreuses années. Malheureusement, elle ne pousse pas sur les arbres. Les matières premières qui la composent proviennent de nombreux gisements répartis aux quatre coins du globe et font désormais l’objet d’intérêts économiques géostratégiques. La réussite de la transition vers la mobilité électrique dépendra donc, plus encore que des progrès techniques à venir, de la disponibilité sans entrave (et du caractère abordable) des matières premières suivantes : le lithium, le cobalt et le nickel pour les batteries, ainsi que les métaux des terres rares

ainsi que de grandes quantités de cuivre pour les moteurs et le raccordement des bornes de recharge, sans oublier le platine, si la pile à combustible venait finalement à s’imposer. Malheureusement, toutes ces matières font également l’objet d’une forte demande dans d’autres secteurs industriels. Ainsi, un tiers de toute la production de lithium est destiné à l’industrie du verre et de la céramique. Le cobalt, dont la rareté est bien connue, est indispensable à l’affinage des métaux (fabrication d’outils). L’extraction du cobalt se concentre en République démocratique du Congo et n’est pas exempte de problèmes éthiques, car les conditions de travail sur place ne correspondent sans doute guère aux attentes des syndicats d’Europe centrale. D'ailleurs : pratiquement aucune batterie (y compris les batteries NiMH) ne peut aujourd’hui se passer totalement de cobalt. Il est regrettable que cette ressource, dont la finitude commence à se profiler, soit gaspillée depuis des années dans toutes sortes d’applications futiles, comme les lampes solaires de jardin bon marché. Des tentatives sont en cours pour remplacer ce métal de transition éprouvé par du manganèse ou du nickel, ce dernier gagnant de plus en plus en importance. Le nickel, en tant que composant essentiel des alliages (acier inoxydable), fait également partie des métaux très recherchés.

Les terres rares – indispensables à la fabrication d’aimants – ne sont, contrairement à ce que leur nom indique, pas vraiment rares dans la croûte terrestre. Le fait qu’elles proviennent aujourd’hui à 85 % de la Chine s’explique par la politique économique avisée menée par ce pays dans les années 90 : dans un premier temps, le marché a été inondé d’offres à bas prix, de sorte que d’autres gisements ont rapidement été abandonnés car jugés non rentables. Depuis une dizaine d’années, on observe une hausse continue des prix. Tesla renonce donc aux aimants permanents sur son modèle S et utilise à la place des rotors asynchrones sans aimants. Ces moteurs électriques sont certes un peu plus volumineux

et plus lourd, mais il semble que ce soit le choix le plus sûr.

Le platine et les métaux du groupe du platine, tels que le palladium ou le rhodium, proviennent également à 85 % de Chine. Pas moins de 35 % de ces métaux servent à préserver l’harmonie familiale et sont utilisés par l’industrie de la bijouterie. Jusqu’à présent, la majeure partie disparaissait dans les catalyseurs d’échappement et pourrait ainsi, dans le cadre d’une transition énergétique dans le secteur des transports, être réorientée vers les piles à combustible.

En ce qui concerne le cuivre, dont l’importance dans le secteur de l’électricité n’a sans doute pas besoin d’être expliquée davantage, la hausse des prix observée ces dernières années a également favorisé une tendance positive : la part du recyclage

a augmenté de manière très spectaculaire. C’est peut-être là l’occasion pour les Européens d’investir dans des technologies permettant de récupérer les matières premières des anciennes batteries, même celles qui sont plus difficiles à séparer, afin, d’une part, de réduire leur dépendance vis-à-vis des importations, mais aussi de réussir dans un domaine où l’avance de l’Asie de l’Est ne réduit pas encore tout espoir. Et l’environnement nous en sera reconnaissant.

Reste encore la préoccupation concernant le lithium, dont on parle tant, et qui, comme on le sait, est extrait des lacs salés des hauts plateaux andins. Ce mode d’extraction est très rentable, car le sel de lithium est obtenu à l’aide de l’énergie solaire par déshydratation progressive et avec un haut

. Les impacts environnementaux qui en découlent – une évaporation locale plus importante de l’eau et, par conséquent, une baisse du niveau des nappes phréatiques – font depuis peu l’objet de critiques croissantes. On sait peu qu’en 2015, l’Australie a extrait presque autant de lithium que l’Argentine et le Chili réunis, mais sous la forme du minéral spodumène, qui nécessite un traitement nettement plus complexe. On trouve des gisements similaires au Canada. Et encore une bonne nouvelle : la Chine se classe enfin parmi les « suiveurs », avec seulement 6 % de la production mondiale. Les constructeurs automobiles allemands

investissent actuellement des sommes considérables pour s’assurer un approvisionnement en lithium en vue d’une future production occidentale de batteries. Cependant, partout, on est confronté au célèbre dilemme du lièvre et du hérisson : l’autre est toujours là avant.

Non, l'idée selon laquelle les modélistes aériens électriques auraient un statut de pionniers ne tient pas tout à fait la route, malgré le mérite indéniable d'avoir contribué, grâce à des efforts de recherche privés, à la percée d'une technologie d'avenir. Le défi mondial d’une future transition vers la mobilité électrique résidera sans doute davantage dans la logistique de l’énergie et des matières premières. Cela nécessite certes des solutions techniques, mais surtout des idées en matière de politique économique mondiale. Beaucoup doutent qu’une UE divisée en son sein ait ses chances face aux géants économiques que sont la Chine et les États-Unis, qui se livrent une lutte sans merci. L’Allemagne, jusqu’ici grande puissance automobile, devra sans aucun doute déployer les plus grands efforts, notamment si la Chine venait à avoir l’idée, en réalité évidente, de ne plus nous fournir, à court terme, que des batteries lithium-ion et des aimants à terres rares déjà intégrés dans la partie inférieure des voitures « made in China ».

Voyons le côté positif. La mobilité électrique générale s’imposera progressivement. Elle ne changera pas radicalement notre vie, mais permettra, dans certains endroits, de rouler à nouveau là où cela était jusqu’à présent limité, voire interdit. Le passage à la propulsion électrique n’a-t-il pas connu un succès similaire dans de nombreux aérodromes de modélisme ? Eh bien, dans ce cas, notre idée de « Silent Flight » ne serait pas si farfelue que ça !

Ludwig Retzbach

Source : les données économiques proviennent de l’étude « Material-Studie_e-mobilBW »