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Mar 20, 2023

Que signifient vraiment les améliorations de la densité d'énergie des batteries pour les camions, les navires et les avions ?

L'avenir de tous les transports terrestres et d'un grand nombre de transports aériens et maritimes

L'avenir de tous les transports terrestres et d'un grand nombre de transports aériens et maritimes électriques, à faible émission de carbone, plus silencieux et beaucoup moins malodorants est à portée de main. Il serait impoli de ne pas tendre la main et de le saisir à deux mains.

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Au moment où j'écris ceci, je suis à environ 30 heures d'être assis sur une scène avec des personnes dont le travail quotidien est l'énergie pour les navires, devant un large public de leaders techniques mondiaux pour une grande entreprise maritime privée européenne. Ils organisent leur sommet technique annuel et m'ont invité à débattre avec les autres panélistes et leurs experts de la manière dont le transport maritime va réellement se décarboner.

Bien sûr, comme je vais leur dire, il y a de très bonnes raisons pour qu'ils se demandent ce que je fous là-bas. Contrairement à presque tout le monde dans la salle, je ne fabrique, ne vends ni n'achète de carburant pour les navires. Je n'achète, ne vends ni n'exploite de navires. Je ne conçois pas de bateaux comme beaucoup de gens dans le public le font. Je ne précise pas les besoins en puissance des navires, encore une fois ce que font les participants.

Transport maritime mégatonnes de combustibles fossiles avant ravitaillement, graphique par auteur

Mais je suis là parce que j'ai fait pour le transport maritime ce que j'ai fait pour l'aviation, l'hydrogène, l'acier, le V2G et le stockage en réseau. J'ai passé beaucoup de temps à examiner l'espace des problèmes, à comparer toutes les prétendues solutions, à projeter les courbes de demande et d'offre dans un scénario raisonnable pendant des décennies, puis à partager ce que je pense avec des preuves à l'appui. Puisqu'il s'agit en grande partie d'énergie, cela signifie que ce que j'apprends dans un domaine est applicable dans un autre. Je peux croiser les idées un peu plus facilement que les gens qui passent tout leur temps à travailler dans un domaine.

Bien sûr, cela signifie que je dois faire très attention à ne pas être un exemple majeur du syndrome de Dunning-Kruger, et parfois je fais des erreurs sur lesquelles les gens m'appellent, mais ce sont principalement des problèmes gérables avec seulement un petit ordre secondaire d'humiliation occasionnelle. .

Qu'est-ce que cela a à voir avec la densité d'énergie de la batterie ? Eh bien, l'une des personnes sur scène demain est un représentant d'Echandia Marine AB. Leur travail quotidien consiste à mettre des batteries dans les navires, ce que je considère comme un important coin de décarbonation maritime. Dans ma projection 2100, toute la navigation intérieure et les deux tiers du transport maritime à courte distance fonctionneront sur batteries, et ces batteries seront de plus en plus chargées avec de l'électricité à faible ou zéro carbone. Les plus longs trajets auront encore besoin de carburants liquides pour ce siècle, car le remplacement de 16 000 tonnes de carburant de soute par des batteries pour traverser le Pacifique ne se produira probablement pas d'ici 2100.

La matière Echandia en fait un point de gamme marine très spécifique. Son système de batterie est bon pour 40 miles nautiques (NM), soit environ 74 kilomètres. Cela ne semble pas beaucoup, mais cela couvre beaucoup de grands voyages en bateau et en bateau.

Le système utilise des batteries au lithium-oxyde de titane (LTO). C'est ce que l'entreprise considère comme utile et vendable à ce stade du parcours de décarbonation. Cette chimie n'a pas une densité d'énergie particulièrement élevée, mais elle a de bons taux de cycle et convient aux applications à forte consommation d'énergie. Bon pour les exigences marines de couple et de puissance aujourd'hui.

Petite digression plus intello : quand on parle de densité d'énergie et de batteries, on parle de wattheures par kilogramme (Wh/kg). Le diesel fonctionne à environ 9 007 Wh/kg. Le carburant d'aviation Jet-A consomme environ 7 778 Wh/kg. Ils ne sont généralement pas représentés de cette façon, car les personnes qui vendent ou utilisent des combustibles fossiles dans les transports n'utilisent pas d'unités d'électricité.

Les gros moteurs marins et les gros moteurs à réaction sont des bêtes absurdement efficaces, à peu près aussi bonnes que possible. Des décennies d'innovation ciblée, des clients exigeants et des ingénieurs brillants auront tendance à avoir ce résultat. Mais les cycles Carnot, Diesel et Brayton ont des limites thermodynamiques strictes auxquelles ils se heurtent. Les gros moteurs marins convertissent environ 50 % de l'énergie de leurs carburants en mouvement vers l'avant. Les moteurs à réaction modernes transforment 55% du kérosène qu'ils avalent en énergie utile, du moins lorsqu'ils se trouvent à 30 000-38 000 pieds à une vitesse de croisière optimale.

Cela signifie que les moteurs marins obtiennent environ 4 500 Wh/kg d'énergie utile du diesel, et les moteurs à réaction obtiennent peut-être 4 300 Wh/kg. Les batteries utilisées par Tesla ont environ 269 Wh/kg, et bien que les transmissions électriques soient beaucoup plus efficaces, ne transformez pas tout cela en mouvement vers l'avant, généralement autour de 85 %, ou peut-être 225 Wh/kg. Il y a une grande différence entre 4 300-4 500 Wh/kg et 40-225 Wh/kg. Le diesel et le kérosène Jet-A sont environ 20 fois plus denses en énergie que les batteries utilisées par Tesla, compte tenu des différences d'efficacité, et évidemment un facteur plus important pour les batteries LTO d'Echandia.

Mais il y a une histoire ici qui vaut la peine d'être racontée. Les batteries utilisées par Tesla ont trois fois la densité d'énergie de LTO, ce qui signifie que l'utilisation des mêmes batteries dans les navires, comme certaines personnes le font déjà, se traduira par une portée d'environ 120 NM avec les mêmes tailles de batterie. Pas beaucoup plus excitant que 40 NM, mais un peu plus intéressant.

Récemment, deux entreprises différentes ont fait des annonces sur la densité d'énergie des batteries. Le chinois CATL, le leader mondial des batteries pour véhicules électriques avec 37 % du marché, et Amprius, une startup de la Silicon Valley qui expédie actuellement des produits de batterie, ont tous deux revendiqué 500 Wh/kg, soit environ le double de la densité énergétique de Tesla.

Double Tesla pour le transport maritime, et que 120 NM deviennent 240 NM. Hmm. Cela couvre beaucoup plus de routes maritimes. Mais nous n'avons pas encore fini.

Il y a aussi eu des percées très intéressantes, encore une fois, aux États-Unis et en Chine. Le silicium est l'une des chimies du Saint Graal dans les batteries. Il a un potentiel de 2 600 Wh/KG. Une fois les calculs d'efficacité pris en compte, c'est environ la moitié de ce que le transport maritime et l'aviation obtiennent aujourd'hui. Et c'est environ cinq fois ce que CATL et Amprius ont annoncé.

Pour la navigation maritime, cela signifie peut-être 1 200 NM de portée. Et cela couvre toutes les distances de navigation intérieure et les deux tiers des distances maritimes à courte distance. Vous ne pousserez pas un conteneur ou un vraquier à travers l'Atlantique ou le Pacifique avec lui, mais vous pousserez un roulier ou un cargo marchand sur à peu près toutes les routes régulières du monde.

Comme je vais demander au public de Stena Sphere, "Y a-t-il des itinéraires réguliers de Stena Line qui dépassent 1 200 miles nautiques?" Je suis presque sûr, après avoir regardé leurs itinéraires réguliers sur une carte, que la réponse est non. Mais je ne suis pas intime avec leurs affaires, donc il pourrait y en avoir un ou cinq. La majorité, cependant, est largement en dessous de cela.

Soit dit en passant, les batteries seront principalement dans des conteneurs d'expédition. C'est ainsi que les grandes entreprises de stockage de batteries comme Tesla, Convergent Energy + Power et Wärtsilä servant le réseau et les grands déploiements derrière le compteur les expédient maintenant, pré-emballés, configurés et câblés, de sorte qu'ils soient placés sur une dalle, branchés , et juste travailler. Alors que le transport en vrac s'effondre alors que les 40 % de fret en vrac constitués de combustibles fossiles chutent à une fraction de ses volumes actuels, et que les 15 % de minerai de fer brut sont beaucoup plus transformés localement, un pourcentage encore plus important du transport maritime sera conteneurisé. Et les porte-conteneurs et les ports manipulent déjà des conteneurs qui doivent être branchés, bien qu'ils consomment actuellement de l'énergie pour la réfrigération. Les navires et les trains partageront des batteries conteneurisées, et ils seront chargés principalement dans les ports de transbordement, bien que les trains aient également un freinage régénératif et des caténaires caténaires alimentant les batteries en jus une partie du temps.

D'accord, c'est donc Echandia à 40 NM, Tesla-pour-marine à 120 NM, CATL/Amprius à 240 NM et silicium à environ 1 200 NM. Les 240 NM pourraient être embarqués l'année prochaine ou l'année d'après. Le silicium pourrait être dans les navires dans une décennie, facilement, sur la base des niveaux de préparation technologique actuels. L'anxiété de gamme n'importe qui?

Comment cela se passe-t-il dans l'aviation ? Eh bien, les densités d'énergie de Tesla sont déjà bonnes pour 300 kilomètres de décollage, de vol et d'atterrissage sans détournement ni réserve d'énergie. Un certain nombre d'entreprises utilisent des systèmes hybrides où le carburant d'aviation durable (SAF) peut alimenter un générateur pour le détournement et la réserve, de sorte qu'ils pourront fonctionner sur batteries 95% du temps, ce qui est un bond en avant très solide vers l'avenir .

L'annonce de CATL et d'Amprius place cela à 600 kilomètres. Le silicium met cela à 3 000 kilomètres. Savez-vous à quelle distance se trouvent Gander, Terre-Neuve et l'Irlande ? 3 000 kilomètres. Ouais, c'est hallucinant. La technologie qui a été démontrée aujourd'hui pourrait transporter une centaine d'âmes à travers l'Atlantique Nord. D'où ma projection que d'ici 2070, la traversée des océans sera complètement viable avec des avions électriques à batterie, et nous passerons ensuite les 30 prochaines années à éliminer les jets qui brûlent du carburant.

Qu'en est-il du fret routier ? Eh bien, le Tesla Semi est utilisé par Pepsi aujourd'hui. Il a une portée de 800 kilomètres démontrée, mais non prouvée par un tiers, lorsqu'il est chargé avec un mélange raisonnable de choses. Pepsi a parcouru 800 km avec des frites et 640 km avec des flats d'eau de cale gazeuse gazeuse. Mais utilisons les 800 km d'autonomie. Les annonces de CATL/Amprius font qu'environ 1 600 km d'autonomie, soit environ la moitié d'un gros semi-remorque diesel américain aujourd'hui. Le silicium donne un potentiel de 8 000 km, ce qui est tout simplement idiot. Ce qui se passera à mesure que la densité d'énergie des batteries augmentera, c'est que les camions auront physiquement des batteries plus petites, et toute cette bêtise sur le poids des camions électriques à batterie disparaîtra.

Donc pour résumer :

Ce n'est pas de la magie. Ce n'est même plus de la science. Ce n'est que de l'ingénierie. Comme l'a dit David Cebon, directeur du Center for Sustainable Road Freight et professeur de génie mécanique à Cambridge, lorsque nous parlions la semaine dernière, il s'agit d'acheminer l'électricité vers les chargeurs, pas vers les batteries des véhicules. Il s'agit du système, pas des composants.

L'avenir de tous les transports terrestres et d'un grand nombre de transports aériens et maritimes électriques, à faible émission de carbone, plus silencieux et beaucoup moins malodorants est à portée de main. Il serait impoli de ne pas tendre la main et de le saisir à deux mains.

est membre des conseils consultatifs de la startup d'aviation électrique FLIMAX, stratège en chef chez TFIE Strategy et co-fondateur de distnc technologies. Il héberge le podcast Redefining Energy - Tech (https://shorturl.at/tuEF5), qui fait partie de l'équipe primée Redefining Energy. Il passe son temps à projeter des scénarios de décarbonation de 40 à 80 ans dans le futur et à aider les dirigeants, les conseils d'administration et les investisseurs à choisir judicieusement aujourd'hui. Qu'il s'agisse du ravitaillement de l'aviation, du stockage en réseau, du véhicule au réseau ou de la demande en hydrogène, son travail est basé sur les fondamentaux de la physique, de l'économie et de la nature humaine, et informé par les exigences de décarbonation et les innovations de multiples domaines. Ses postes de direction en Amérique du Nord, en Asie et en Amérique latine ont renforcé son point de vue mondial. Il publie régulièrement dans plusieurs médias sur l'innovation, les affaires, la technologie et la politique. Il est disponible pour le conseil d'administration, le conseiller en stratégie et les allocutions.

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