Cette thèse a été réalisée au sein du CEA de Grenoble au L2PS en collaboration avec le laboratoire GSCOP, Grenoble INP, sous l’encadrement de :
- Peggy Zwolinski, Grenoble INP, Directrice de thèse
- Rémy Panariello, CEA, co-encadrant
- Fabien Perdu, CEA, co-encadrant
- Sébastien Rolère, CEA, co-encadrant
Les membres jury :
- Dominique MILLET - Directeur de recherche, Université de Toulon - Rapporteur
- Ali SARI - Professeur des Universités, Université Claude Bernard Lyon 1 - Rapporteur
- Delphine RIU - Professeure des Universités, Université Grenoble Alpes - Examinatrice
- Caroline MIR - Ingénieure docteur, ADEME - Examinatrice
- Emmanuel VINOT - Chargé de recherche HDR, Université Gustave Eiffel - Examinateur
Résumé :
Dans un contexte mondial d'électrification du transport individuel, le véhicule électrique se retrouve au centre d'enjeux économiques, sociaux et environnementaux majeurs. Présentée comme une solution prometteuse pour décarboner le secteur et remplacer les véhicules thermiques, responsables d'une pollution atmosphérique significative, la voiture électrique, et en particulier sa batterie, n'est toutefois pas exempte d'impacts environnementaux tout au long de son cycle de vie.
Loin d'être un simple assemblage de cellules électrochimiques, une batterie est un système complexe qui intègre dans un pack des composants thermiques, électroniques et mécaniques. La conception de tels systèmes requiert une expertise pluridisciplinaire, ce qui rend l'intégration de la dimension environnementale dans la recherche appliquée sur les batteries particulièrement difficile. Les approches traditionnelles d'écoconception peinent à saisir cette complexité, rendant l'analyse environnementale d'une batterie souvent imprécise. Les Analyses de Cycle de Vie (ACV) montrent ainsi une grande variabilité de méthodologie et de résultats et sont particulièrement sensibles à certains paramètres, comme le mix électrique ou la durée de vie. Pour combler ces lacunes, des modèles paramétriques et des modèles batterie ont été couplés à l'ACV, mais ils n'intègrent généralement pas l'influence des paramètres de conception du pack sur la durée de vie et les performances de la batterie, et se cantonnent à l'échelle cellule ou véhicule.
C'est pourquoi, une approche par intégration de modèles à l'ACV a été développée dans cette thèse pour mettre en œuvre une démarche d'écoconception des systèmes batterie dans un contexte de recherche appliquée. Ce travail de thèse cherche ainsi à apporter aux concepteurs batterie une solution pour initier une démarche d'écoconception à l'échelle système.
En s'appuyant sur l'expertise et les modèles pluridisciplinaires déjà existants au CEA, a été développée dans cette thèse une architecture de modèles intégrés, intitulée LIFETRAC. Combinaison d'un profil d'utilisation, d'un modèle électrothermique, d'un modèle de vieillissement et d'un modèle environnemental, l'outil permet ainsi d'évaluer simultanément l'influence des paramètres de design d'un pack batterie et de conditions d'utilisation, sur les performances électrothermiques de la batterie, sa durabilité et ses impacts environnementaux. Cet outil a été appliqué à un cas d'étude issu d'un projet industriel, en s'appuyant sur le démontage d'un pack batterie commercial, et de cartographies électriques et de vieillissement des cellules. Trois stratégies de reconception du pack ont ensuite été explorées pour évaluer d'éventuels bénéfices environnementaux : l'allongement de la durée de vie induit par le surdimensionnement compense-t-il les surémissions à la fabrication et à l'utilisation ? Quels bénéfices à thermaliser le pack pendant les phases d'arrêt ? La substitution du casing par des matériaux allégés et biosourcés apportent-ils des gains environnementaux significatifs ?
En démontrant la présence de compromis et de transferts d'impacts dans les scénarios envisagés, LIFETRAC a prouvé sa capacité à capter la complexité du système batterie dans l'évaluation environnementale. Il donne ainsi un moyen d'identifier de nouveaux leviers d'écoconception pour un concepteur de systèmes batterie, pour un contexte d'utilisation donné. L'ajout d'un modèle environnemental de soutenabilité absolue, illustre par ailleurs la modularité de l'outil qui peut s'agrémenter de nouveaux modèles selon le besoin. L'ajout de nouvelles bases de données et de modèles permettra d'améliorer la versatilité de l'approche, et sa simplification facilitera son déploiement opérationnel dans les projets du laboratoire et des industriels.
Abstract:
In a global context of electrification of individual transport, the electric vehicle is at the center of major economic, social, and environmental challenges. Presented as a promising solution to decarbonize the sector and replace thermal vehicles, which are responsible for significant air pollution, the electric vehicle, and particularly its battery, is nonetheless not free from environmental impacts throughout its life cycle.
Far from being a simple assembly of electrochemical cells, a battery is a complex system that integrates thermal, electronic, and mechanical components within a pack. Designing such systems requires multidisciplinary expertise, making the integration of environmental considerations in battery research particularly challenging. Traditional ecodesign approaches struggle to capture this complexity, often resulting in an imprecise environmental analysis of batteries. Life Cycle Assessments (LCAs) thus show significant variability in both methodology and results, being particularly sensitive to certain parameters such as the electricity mix or the battery lifespan. To address these gaps, parametric models and battery models have been coupled with LCA, but they typically do not incorporate the influence of pack design parameters on battery lifespan and performance, and are limited to the cell or vehicle scale.
This thesis, therefore, develops a model integration approach to LCA in order to implement an ecodesign process for battery systems within an applied research context. The thesis aims to provide battery designers with a solution to initiate an ecodesign approach at the system level.
Drawing on the existing multidisciplinary expertise and models at CEA, an integrated model architecture was developed in this thesis, named LIFETRAC. Combining a usage profile, an electrothermal model, an aging model, and an environmental model, the tool allows for the simultaneous evaluation of the influence of battery pack design parameters and usage conditions on the battery's electrothermal performance, durability, and environmental impacts. This tool was applied to a case study from an industrial project, based on the disassembly of a commercial battery pack and electrical and aging cartographies of the cells. Three pack redesign strategies were then explored to assess potential environmental benefits: does the extended lifespan induced by oversizing offset the additional emissions from manufacturing and use? What are the benefits of thermal management during parked phases? Does substituting the casing with lighter, bio-based materials yield significant environmental gains?
By demonstrating the presence of trade-offs and impact transfers in the scenarios considered, LIFETRAC has proven its ability to capture the complexity of the battery system in environmental assessments. It thus provides a means for battery system designers to identify new ecodesign levers for a given usage context. Moreover, the addition of an absolute sustainability environmental model to the tool illustrates its modularity, allowing for the inclusion of new models as needed. The integration of additional databases and models will enhance the versatility of the approach, and its simplification will facilitate its operational deployment in laboratory and industrial projects.
