SYSTEME INTELLIGENT DE V2H POUR UNE RESIDENCE INDIVIDUELLE - BILAN USAGER

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1 Louise Goetz, Kao Zheng Master TraDD SYSTEME INTELLIGENT DE V2H POUR UNE RESIDENCE INDIVIDUELLE - BILAN USAGER COSMI - CONCEPTION DE SYSTEMES DE MOBILITE INNOVANTS 1 0 / 0 7 /

2 TABLE DES MATIERES Glossaire... 1 Introduction... 2 Le service proposé... 2 Description du service... 2 Les services existants... 3 L intérêt de l usager... 4 Scenarios et hypothèses... 5 Méthode de calcul et variables... 5 Les différents scenarios... 7 Résultats... 7 Comparaison Economies / Dépenses... 7 Rentabilité du projet... 9 Etudes de sensibilité Conclusions Sources Annexes GLOSSAIRE HC : Heure creuse HP : Heure de pointe : Panneau photovoltaïque TRI: Taux de Rentabilité Interne VAN: Valeur Actuelle Nette : Véhicule électrique VHR : Véhicule Hybride Rechargeable VT : Véhicule thermique VTH ou V2H : Vehicle To Home VTW ou V2W : Vehicule To Work 1

3 INTRODUCTION La pression sur le mix électrique est de plus en plus forte en Europe. Avec les objectifs de 20% d énergies renouvelables d ici 2020, les prix de l électricité risquent d augmenter fortement. La France cherche de plus à lisser la courbe de demande d électricité afin d éviter un parc surdimensionné utilisé à capacité uniquement en heure de pointe dans des conditions extrêmes, comme en hiver de grand froid. C est dans ce contexte d optimisation du mix électrique que la voiture électrique intervient, en tant que réserve d électricité pour la maison en heure de pointe. Nous allons étudier l intérêt de l usager à investir dans un tel service. Après avoir décrit le service proposé, nous donnerons les hypothèses et la méthode de calcul, avant de donner nos conclusions sur l intérêt d investir dans une voiture électrique capable de stocker de l énergie obtenue la nuit afin de la restituer à la maison en heure de pointe. LE SERVICE PROPOSE DESCRIPTION DU SERVICE Supposons qu une entreprise propose l installation du système suivant pour lisser la courbe de demande des particuliers. FIGURE 1 - SCHEMA EXPLICATIF DE L'INSTALLATION DU SERVICE Il est proposé à une personne habitant dans une maison avec garage d acheter une voiture électrique, d installer une borne de recharge dans son garage capable de capter l énergie du afin de la transférer à la maison. Un ordinateur central permet également de contrôler les appareils électriques de la maison afin de réaliser des économies d énergie. Ces ajouts nécessitent des modifications dans les installations électriques de la maison. De plus, l usager peut installer des panneaux photovoltaïques ainsi qu un système de stockage de l électricité produite grâce à l énergie solaire, pour que la maison bénéficie de cette énergie en période de pointe, lorsque l électricité est plus chère. Les panneaux photovoltaïques seront directement reliés au réseau de la maison, le client ne souscrira aucun contrat avec EDF. Afin d optimiser les économies, l ordinateur central peut appliquer certaines règles de priorité qui permettront à la maison d être autonome en période de pointe. L énergie photovoltaïque sera utilisée en priorité par la maison, puis le véhicule électrique pourra être rechargé avec le photovoltaïque restant. De plus, le ne pourra être rechargé qu en heure creuse, c est- à- dire la nuit. Nous supposons que le rentre à 18h30, heure à laquelle la voiture électrique est directement branchée dans le garage. 2

4 Nous pouvons illustrer le résultat du branchement du par le graphique suivant, représentant la demande d un ménage au cours de la journée. Nous prendrons l exemple type d une journée en hiver, période critique pour la consommation d électricité. Il faut également remarquer que les heures ont été choisies arbitrairement pour la clarté du schéma. Nous avons préalablement vérifié sur Excel que le véhicule électrique avait assez d énergie pour pouvoir alimenter la maison pendant la période de pointe. Consommation (kw) Rechargement du Electricité produite par le Temps (h) Le est chargé Branchement du Le est déchargé dans la nuit, il commence sa recharge en heure creuse FIGURE 2 - COURBE DE DEMANDE D'UN FOYER AC SYSTEME VTH LES SERVICES EXISTANTS Il existe des services similaires au sein des constructeurs de véhicules. Toyota et Nissan ont pris l initiative du service V2H. En prenant l exemple de la Leaf de NISSAN, le système permet de fournir aux appareils électroménagers du domicile de l électricité stockée dans la batterie du. Selon le constructeur, avec une batterie lithium- ion de 24kWh, la Leaf permet de fournir l énergie nécessaire à un foyer moyen japonais pendant 2 jours. FIGURE 3 - NISSAN LEAF 3

5 Des recherches se développent actuellement pour l usage du. Par exemple, le Projet SA, alliance comportant Renault- Nissan, EDF, le Conseil Général des Yvelines, l EPAMSA et la Région Ile- de- France, conduit une expérimentation initiative de la mobilité électrique en examinant une centaine de véhicules électriques et environs 150 points de charges à Yvelines. Un des objectifs du projet est le déploiement des infrastructures de charge publiques et privées à venir, dont le système V2H. Du point de vue de la maison, le département Recherche & Développement du Groupe Maisons France Confort a proposé une conception MFC 2020, avec le slogan suivant : maison + voiture = zéro énergie et zéro CO2. Avec ce concept, l appartement de 60 m2 étudié entièrement équipé de façon «verte» est confortable et intègre domotique, accessibilité, récupération et gestion des eaux de pluies. L INTERET DE L USAGER L usager potentiellement intéressé par le service désire diminuer sa consommation d énergie. En observant le graphe ci- dessous, on remarque immédiatement que la rénovation de la maison constitue plus des deux tiers des économies potentielles. Le service du Vehicle To Home ne peut donc pas rentrer en concurrence avec un service de rénovation, mais viendrait en complémentarité. Nous considèrerons donc dans la suite de l étude que la maison étudiée est rénovée Rénova3on Smart grid FIGURE 4 - CONSTITUTION DES ECONOMIES D'ENERGIE Le système VTH doit avoir deux caractéristiques pour pouvoir convaincre le potentiel acheteur. Il doit tout d abord comporter peu d investissement, car nous supposons que le client a déjà investi beaucoup pour la rénovation de sa maison. Deuxièmement, il doit être rentable rapidement, étant un système complémentaire à la rénovation. Le but de ce rapport est de vérifier si le service vérifie ces deux conditions, afin de susciter l intérêt des personnes qui ont déjà rénové leur maison. Le service V2H intéresse plutôt les ménages avec un parking qui peuvent charger leur voiture dans leur garage pendant la nuit. D après l ENTD, 63% des ménages en Île de France dont environ 85% en banlieue (petite couronne) disposent de place(s) de parking. Le nombre de clients potentiel est donc plutôt élevé. Nous supposons que le client verra dans le V2H un intérêt économique, écologique, et d anticipation face aux normes à venir. En effet, le gouvernement français durcit ses normes 4

6 concernant les logements neufs seulement pour l instant, mais peut- être un jour les logements en rénovation. Le Grenelle de l Environnement a mis en lumière la nécessité de réduire les consommations énergétiques des bâtiments neufs à 50 kwhep/(m².an) en moyenne. Pour atteindre cet objectif, la Réglementation Thermique 2012, une norme concernant l amélioration de l efficacité énergétique des bâtiments dès leur conception, est entrée en vigueur le 1 er janvier 2013 afin que les logements neuf aient de très faibles besoins en énergie. La réglementation thermique 2012 impose aux logements neuf de respecter 3 exigences : - Une consommation énergétique inférieure à 50 kwh/m²/an ; - Une exigence d efficacité énergétique du bâtiment ; - Une température intérieure de confort limitée. Hors cela, la réglementation thermique 2012 impose des «exigences de moyens» encourageant à de nouvelles pratiques en termes de consommation énergétique tel que le renforcement l étanchéité à l air, l intégration obligatoirement les énergies renouvelables, etc. SCENARIOS ET HYPOTHESES METHODE DE CALCUL ET VARIABLES Dans tous nos calculs, nous allons supposer que l usager cherche à racheter une voiture. Il a le choix entre investir dans un véhicule thermique de type Clio ou de changer pour un véhicule électrique de type Zoé. Ces deux modèles sont comparables en termes de taille. Les principales variables prises en compte sont décrites dans le schéma récapitulatif de la méthode en figure 5. Nous n avons pas pris en compte la rénovation ni l éventuel gain sur le foncier d une maison refait à neuf car la rénovation de la maison ne fait pas partie du service VTH. 5

7 ECONOMIES Panneaux Photovoltaïques ü Energie fournie (kwh/m²/an) ü Surface installée (m²) ü Prix électricité heure de pointe ( /kwh) Economies d électricité ( /an) Maison DEPENSES ü Compteur central ( ) ü Installations annexes ( ) Dépenses d installations électriques ( ) Smart Grid ü Economies d énergie (%) ü Consommation annuelle maison (kwh/an) ü Prix électricité moyen ( /kwh) Economies d électricité ( /an) Véhicule électrique ü Distance (km/an) ü Capacité batterie (kwh) ü Autonomie (km) ü Différence prix électricité HP / HC ( /kwh) Economies d électricité ( /an) Véhicule thermique ü Prix d achat ( ) ü Carte grise ( ) Investissement année 0 ( ) ü Assurance ( /an) ü Entretien ( /an) ü Prix essence ( /L) ü Distance (km/an) ü Consommation (L/km) Economies d essence et de possession d un VT ( /an) Coûts essence ( /an) Panneaux photovoltaïques ü Surface (m²) ü Prix ( /m²) ü Système de stockage énergie (% prix ) ü Taux intérêt crédit (%) Remboursement crédit ( /an) Véhicule électrique ü Prix d achat ( ) ü Borne de recharge ( ) ü Carte grise ( ) Investissement année 0 ( ) ü Assurance ( /an) ü Entretien ( /an) ü Location batterie ( /L) ü Distance (km/an) ü Capacité batterie (kwh) ü Autonomie (km) ü Prix électricité heure creuse ( /kwh) Dépenses d électricité, et de possession d un ( /an) Coûts recharge batterie ( /an) Subventions FIGURE 5 - VARIABLES PRISES EN COMPTE ET METHODE DE CALCUL 6

8 LES DIFFERENTS SCENARIOS Compte tenu de l importance des tarifs d électricité, nous avons pris en compte différents types de tarifs afin de comparer les effets sur la rentabilité du projet. Tout d abord, le scenario 1 tiendra compte d un tarif constant. Le prix de l électricité va augmenter dans les années à venir à cause de la volonté d introduction d énergies renouvelables dans le mix électrique. Les évolutions futures des tarifs sont obtenues sur le site d EDF. La voiture électrique en elle- même ne sera à l origine d aucune économie puisqu elle sera chargée et déchargée au même tarif. Le deuxième scenario tiendra compte d une différence de prix entre le jour (7h à 22h) et la nuit. La voiture électrique permettra alors des économies d énergie. Quant au troisième, nous avons pensé à l introduction d une incitation de l Etat Français à diminuer la demande d électricité en heure de pointe. En effet, le projet d énergies renouvelables encourage à optimiser la capacité du parc français. Ainsi, entre 18h et 21h, le prix de l électricité sera particulièrement élevé, soit trente pourcents plus cher que pour un tarif classique HP/HC. Un capable de produire de l électricité lors de cette période représentera des gains plus intéressants. Finalement, de plus en plus d entreprises proposent des places de parking munies d une borne de recharge. Dans un quatrième scenario, nous considèrerons donc que l usager recharge sa voiture au travail durant la journée, et la décharge le soir pour la production d électricité domestique. Nous démarrerons l étude en 2013, année zéro. Nous avons pris un taux d actualisation de 4%, relativement faible car les investissements ne sont pas très risqués et que le service est adressé à un particulier. Nous supposons que le particulier a assez d argent pour acheter la voiture et l ordinateur central de domotique, mais qu il doit emprunter sur 4 ans pour l achat des panneaux photovoltaïques. RESULTATS COMPARAISON ECONOMIES / DEPENSES Les courbes de dépenses et d économies sont données en annexe pour trois des quatre scenarios. Nous expliquerons en détail seulement le scenario 2, comportant pour rappel un prix variable pour l électricité (heure creuse / heure pleine). Grâce au système V2H, l utilisateur n aura pas besoin d investir dans une nouvelle voiture thermique (rappelons en effet que le client hésite à prendre une ). Ces économies sont prépondérantes comme le montre la figure suivante. Pour des facilités de lecture, le graphique d après montre les autres économies. Le permet de gagner de l argent grâce aux tarifs, les panneaux photovoltaïques fournissent de l énergie solaire en période de pointe grâce au système de stockage d énergie (les pertes ont été prises en compte dans la production d énergie unitaire des panneaux photovoltaïques), et le système intelligent pour la maison permet de ne pas gaspiller d énergie. 7

9 Economies réalisées (euros) VT Smart grid Economies réalisées sans prendre en compte le VT (euros) Smart grid FIGURE 6 - ECONOMIES REALISEES GRACE AU SYSTEME V2H Les dépenses quant à elles sont explicitées en figure 7. L investissement dans la domotique pour l intelligence de la maison est réalisé pendant la première année, tout comme l achat du véhicule électrique. Les panneaux photovoltaïques sont acquis grâce à un prêt de la banque sur 4 ans. Le reste des dépenses est assumé entièrement par le véhicule électrique, avec l achat de l électricité, et les coûts d assurance et d entretien Dépenses (euros) Domo3que FIGURE 7 - DEPENSES ANNUELLES POUR LE SYSTEME V2H 8

10 La structure des recettes et des coûts est similaire pour les autres scenarios, même si le scenario 1 (prix de l électricité constant) ne permet pas d économie grâce au et si le scenario 4 (véhicule rechargé au travail) permet une économie d électricité beaucoup plus importante grâce au. RENTABILITE DU PROJET La figure 8 représente la différence des coûts et des recettes actualisées dans le cas du scenario Payback (euros) FIGURE 8 - PAYBACK POUR LE SCENARIO 2 La structure des paybacks pour tous les scenarios est la même : le projet permet des gains à partir de 2017, soit 4 ans après le début, ce qui est logique car c est cette année que le crédit pour les panneaux photovoltaïques est remboursé. De plus, l investissement est relativement faible, aux alentours de 3000 euros, par rapport aux coûts de rénovation, ce qui potentiellement va intéresser l acheteur. Mais ce payback nous donne peu d information sur la rentabilité du projet. Pour cela, nous allons comparer les VAN, comme le montre le tableau suivant : Scenario VAN (euros) FIGURE 9 - VAN SELON LES SCENARIOS Les projets rentables sont les projets avec un tarif incrémental instauré par EDF, faisant payer très cher l électricité en heure de pointe du soir, et lorsque l usager de recharge pas sa voiture à la maison mais au travail (avec tarif HP/HC). Par contre, si le client choisi un tarif constant ou HP/HC, sans recharge au travail, il ne rentabilisera jamais ses investissements. Il faut cependant noter que les VAN 2 et 3 sont très proches de zéro, et que donc une variation d une variable peut faire basculer la balance. Nous pouvons de plus remarquer que les deux premiers projets ont un TRI élevé (respectivement 60 et 20%), ce qui nous permet de conclure que ces configurations ne sont pas intéressantes. En remarque, pour le scenario 4, des panneaux photovoltaïques ont été installés au travail. En considérant que 10 m² de suffisent à recharger un véhicule électrique, l entreprise aura un investissement important. Mais en étudiant seulement le bilan usager, on ne prend pas en compte le coût de l investissement pour les. 9

11 ETUDES DE SENSIBILITE ü Prix de l électricité Si le prix de l électricité varie de 100%, les VAN varient également. Le tableau en figure 10 résume les différences de VAN pour les différents scenarios. Scenario VAN (euros) Différence (%) FIGURE 10 - INFLUENCE DU PRIX DE L'ELECTRICITE SUR LES VAN La différence est extrêmement grande pour le scenario à prix d électricité incrémental, ce qui est compréhensible puisqu une part élevée des économies est due aux différences de tarifs HP/HC. ü Installation dans une région ensoleillée Au lieu de nous placer à Paris, nous décidons d installer le système à Perpignan, ville à la plus ensoleillée de France. L ensoleillement y est environ 1,23 fois plus élevé. Les subventions régionales sont en plus différentes qu à Paris. Scenario VAN (euros) Différence (%) FIGURE 11 - INFLUENCE DE L'ENSOLEILLEMENT DE LA REGION La première chose à constater est que dans une région ensoleillée, le scenario 2 au tarif classique HP/HC devient intéressant financièrement. Ensuite, les variations sont élevées, la région géographique d implantation du système est donc importante, conclusion qui n est pas propre au V2H. CONCLUSIONS Le service de V2H peut répondre dans certaines configurations aux critères voulus par l utilisateur, avec un investissement non démesuré, et une rentabilité sûre et rapide. Pour cela, nous avons vu qu il faut absolument prendre un tarif d énergie variable, et que l encouragement du gouvernement français à réduire la demande d électricité en heure de pointe en taxant cette électricité, peut- être mis en place dans le futur ne peut qu améliorer la rentabilité du projet. Avec le constat que de plus en plus d entreprises installent des bornes de recharge pour les voitures électriques sur leur parking, nous avons voulu modéliser ce scenario, qui évidemment pourra faire réaliser encore plus d économies à l usager. Nous avons noté que les résultats étaient très sensibles aux variations du prix de l électricité, c est en effet la variable clé dans ce projet. Nous n avons certes pas eu besoin de subvention supplémentaire à celles existantes pour que le projet soit rentable, ce qui est prometteur à l avenir, mais beaucoup de VAN sont proches de zéro. Une subvention de l Etat pourrait rassurer le client. 10

12 Finalement, nous sommes conscientes qu oublier volontairement les coûts dus à la recharge du véhicule électrique dans le cadre du scenario avec possibilité de recharge au travail favorise grandement les résultats. Il faudrait compléter notre étude par un bilan pour l entreprise et la société d électricité également. L obtention de la demande maximale d électricité si une certaine quantité de maisons individuelles étaient munie de cet équipement pourrait convaincre les autorités françaises à encourager le V2H, par d autres subventions, en augmentant par la même occasion la rentabilité du projet. SOURCES Concept 2020, février 2011, Concept MFC 2020 vivre et se déplacer autrement, Vivre et se déplacer autrement, 2011 Eleonora Morganti, Laetitia Dablanc, Janv.2014, Les véhicules électriques pour le transport de fret urbain,transport- Environnement- Circulation TEC, 2014 Daniel Quenard, décembre 2009, Bâtiments à Energie Positive et Véhicules Electriques, Technica La revue des ingenieurs de central lyon, 11-12/ 2009 Daniel Quenard, novembre 2011, Efficacité énergétique des bâtiments :performance, localisation et usages, Les usages de l énergie et efficacité énergétique,11/2011 Daniel Quenard, grenoble.fr/imagesetsciences/energiesdufutur/presentation.html, 2-11/03/ 2004 Daniel Quenard, 17/01/2005, Nanotechnology and nanosciences, knowledge- based multifunctional materials, new production processes and devices, CSTB NMP2005, 2005 ISOR Saint- Gobain, de- l- isolation/reglementation- labels- et- certifications/la- RT decryptee, le 1er juillet, 2014 M. Cosnier; D. Quenard; F. Bougrain, Study of a new concept based on electrical vehicle coupled with solar pv building in 2030, CISBAT- EPFL Lausanne 2013, 4-6/09/2013 Marie Gayrel, Fabien Leurent, 26 mai 2009, Modèle d affaire et point mort du système Liselec, Modèle d affaire Liselec, 05/2009 Marina Robin, CGDD, SOeS, décembre 2010, La motorisation des ménages continue de s accroître au prix d un vieillissement du parc automobile, La Revue Commissariat général au développement durable Service de l observation et des statistiques, 11/2010 Philippe Crist, mars 2012, Electric Vehicles Revisited Costs, Subsidies and Prospects, International Transport Forum at the OECD, Paris, 03/2012 Renault, seine- aval- vehicules- electriques.aspx, 30/06/2014 Technique et Chantier, Les nouveaux usages du stockage électrique, Le Moniteur, 13/06/2014 Tout Placo, de- construction/avant- projet- reglementation- et- financement/reglementation- thermique- dans- le- neuf, le 1er juillet,

13 ANNEXES Scenario 1 Economies réalisées (euros) VT Smart grid Dépenses (euros) Domo3que Payback (euros)

14 Scenario 3 Economies réalisées (euros) VT Smart grid Dépenses (euros) Domo3que Economies réalisées sans tenir compte du VT (euros) Smart grid 20 13

15 Payback (euros) Scenario Economies réalisées (euros) VT Smart grid 2500 Dépenses (euros) Domo3que

16 Economies réalisées sans tenir compte du VT (euros) Smart grid Payback (euros)