Les Cahiers du Challenge Bibendum. Roulons électrique! Véhicules hybrides et électriques. Paris

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1 Les Cahiers du Challenge Bibendum Roulons électrique! Véhicules hybrides et électriques Paris

2 Les Cahiers du Challenge Bibendum Les Cahiers du Challenge Bibendum ont été conçus pour stimuler la réflexion et le dialogue entre experts, industriels, décideurs politiques, journalistes et toute autre personne souhaitant prendre part au débat sur l avenir de la mobilité. Ces documents n apprendront rien aux spécialistes, mais ils permettront aux lecteurs intéressés par le sujet d acquérir en quelques pages l essentiel de l information permettant de saisir les enjeux principaux et de contribuer à une réflexion éclairée. Nous sollicitons d ailleurs les contributions individuelles : retrouvez les Cahiers du Challenge Bibendum sur notre site challengebibendum.com et apportez vos commentaires. Nous en tiendrons compte lors de la mise à jour de ces cahiers évolutifs. Patrick Oliva Directeur de la Prospective et du Développement durable Michelin Remerciements Nous souhaitons remercier vivement toutes les personnes qui, par leurs précieux conseils, remarques et précisions, ont contribué à la rédaction de ce cahier, en particulier : Valérie Bouillon-Delporte, Pascal Chevalier, Benoît Dailliez, Hervé Deguine, André Douaud, Antoine Féral, Sylvie Gillet, Gérald Sezille et Pierre Varenne. 2

3 5 idées fausses sur les véhicules hybrides et électriques 1. Prix Les véhicules électriques coûtent cher et ne seront donc pas accessibles au grand public. Faux! Cette perception vient de ce que les véhicules actuellement mis sur le marché sont assez chers parce qu issus de programmes de faible volume. Cependant, hors batterie ou pile à combustible, une voiture électrique est moins chère à fabriquer qu un véhicule thermique (nombre réduit de pièces). Dans le cas d un véhicule électrique à batterie, son coût de revient dépend de la quantité de batteries, qui est une fonction directe de l autonomie recherchée et de la consommation kilométrique. Un prix de marché communément accepté pour une batterie au lithium est de 400 /kwh. Un véhicule consommant 15 kwh/100 km exigerait une batterie de pour chaque centaine de kilomètres d autonomie souhaitée, et le coût d une recharge électrique serait d environ 1,5 à 3 euros selon les pays. Il est donc aisé de voir que le véhicule électrique peut être très économique en coût total d usage, dès lors que l on conçoit des véhicules de faible consommation et d usage relativement intensif, avec une autonomie limitée. Par ailleurs, de nouveaux modèles économiques, basés sur la location plutôt que sur l achat de la batterie, peuvent être très favorables pour l utilisateur. Quant aux piles à combustible, elles sont encore chères, tout comme l hydrogène pour lequel il n existe pas encore d utilisation de très gros volume. Cela évoluera. En ce qui concerne les véhicules hybrides non rechargeables, souvent onéreux aujourd hui, leur prix devrait baisser très fortement dès qu ils seront produits en nombre important, et leur moindre consommation énergétique en ville devrait leur assurer une pleine rentabilité. 2. Autonomie / Infrastructures La faible autonomie des véhicules électriques, la nécessité de temps de charge longs, et l absence d infrastructure, ne permettent pas de les exploiter de façon réaliste dès aujourd hui. Faux! Il est vrai que les véhicules électriques ont en général une autonomie kilométrique nettement plus réduite que les véhicules thermiques traditionnels, mais il est parfaitement possible d avoir une autonomie de 150 km (ce qui dépasse largement la distance moyenne parcourue quotidiennement par un automobiliste), voire plus, et leur avantage est notable pour des rayons d action limités, typiquement pour des usages urbains, ou une utilisation locale à la campagne. Côté recharge, l opération dans des conditions normales 5 heures prend certes plus de temps que de faire le plein d essence avec une voiture thermique, mais ne requiert le plus souvent pas d autre infrastructure qu une prise électrique quasi-standard. Il est possible d effectuer une recharge rapide et partielle comme il est aussi possible d échanger sa batterie vide contre une pleine, comme le démontre le système «BetterPlace», opération qui requiert alors le même temps que celui nécessaire pour effectuer un plein d essence (3 minutes en moyenne). Cela nécessite alors des infrastructures particulières. Les voitures équipées d un «Range Extender» contournent cet éventuel handicap en offrant la possibilité d une autonomie 3

4 classique grâce à l appoint d un moteur thermique alimenté par un carburant classique. Les véhicules électriques à pile à combustible ne sont pas eux non plus limités en autonomie. 3. Pollution D un point de vue écologique, à cause de filières hautement carbonées (centrales au charbon) de production électrique dans beaucoup de pays, mais aussi à cause des batteries, une voiture électrique polluera finalement plus qu une voiture thermique. De plus, l avenir des véhicules électriques est lié au développement du nucléaire. Faux! Le bilan écologique dit «du puits à la roue» est un moyen de mesurer la «pollution» d une voiture à partir de son bilan énergétique global. Sont pris en compte la fabrication du véhicule, la production d électricité, les émissions lors de l utilisation du véhicule et le cycle de vie des batteries jusqu à la filière de retraitement. Ces éléments de comparaison objectifs montrent que le potentiel écologique de la voiture électrique est intrinsèquement bien supérieur à celui du véhicule thermique, mais qu il dépend aujourd hui de la filière énergétique en amont des batteries. Le recours à l énergie nucléaire n est absolument pas une nécessité, même si le nucléaire peut aider à diminuer la signature CO 2 des véhicules électriques. Ce qui est essentiel est que les véhicules électriques soient conçus pour consommer aussi peu que possible (typiquement, une consommation inférieure ou égal à 15 kwh/100 km). Les véhicules électriques offrent de plus un véritable avantage en matière de santé publique lorsqu ils sont utilisés en milieu urbain. 4. Sécurité Danger d emballement thermique des batteries, danger des hautes tensions utilisées, danger de l hydrogène : la mobilité électrique augmente le niveau des risques pour l usager, en particulier en cas d accident. Faux! Les électrochimistes savent maintenant éliminer les phénomènes d instabilité de structure qui ont existé avec certaines chimies d électrodes et d électrolique dans les batteries au lithium. Par ailleurs, les technologies actuelles de production de batterie, de gestion des systèmes électriques et d isolation des composants électriques offrent un niveau de sécurité respectant les normes de sécurité internationales les plus sévères. Les batteries équipées de coupe-circuit et de dispositifs de contrôle (température, taux de charge) offrent un degré de sécurité élevé. Parce que nous y sommes habitués, nous avons tendance à minimiser les risques liés aux réservoirs à essence des voitures. D ailleurs, les batteries électriques ne créent pas de champ magnétique capable d attirer la foudre et il n y a pas de risque d électrocution par temps de pluie. Quant à la conception même des véhicules électriques, elle peut permettre des architectures plus sûres que beaucoup de véhicules actuels en cas d accident. 5. Performance et statut Lourdes et peu performantes, les voitures électriques sont en plus pénalisées par l encombrement stérique des batteries : l avenir des véhicules électriques ne dépassera pas les touts petits véhicules urbains. Faux! Les performances des voitures électriques dépendent des choix technologiques. Les batteries, contrôleurs électroniques et thermiques peuvent être calibrés pour la performance, comme le prouve la Porsche 911 GT3 R Hybrid qui a remporté le World Motorsport Expo Award Le couple d un moteur électrique à bas régime ainsi que son rendement énergétique ouvrent de beaux jours aux électrons face au pétrole sur le plan de la performance pure. La motorisation électrique ou hybride offre une gamme complète de voitures adaptées aux besoins des utilisateurs et à leurs usages. La consommation des 4

5 batteries est d ailleurs un élément pris en compte dès la conception de ces véhicules pour optimiser leur poids. Poids qui est avantagé par le nombre réduit de pièces mécaniques nécessaires aux véhicules 100 % électriques ; ce qu on oublie régulièrement dans nos premiers jugements! Par ailleurs, la motorisation électrique permet de repenser l architecture des véhicules de manière révolutionnaire. Il est par exemple possible de mettre les moteurs directement dans les roues et donc de libérer entièrement l espace sous le capot. Les batteries peuvent être réparties dans le véhicule, sur le sol ou entre les sièges dans des endroits non exploités jusqu à présent. Les voitures électriques peuvent donc être non seulement plus logeables, mais aussi plus fonctionnelles et plus pratiques que leurs homologues thermiques. Électrifier un véhicule ne consiste pas seulement à remplacer un moteur thermique et un réservoir par un moteur électrique et des batteries comme on le pense souvent. C est aussi une opportunité de repenser entièrement les architectures autour des besoins des utilisateurs, de leur confort et de leur sécurité. Place à l imagination dans le design! 5

6 Sommaire 5 idées fausses sur les véhicules hybrides et électriques 03 Introduction 07 Chapitre 1 : Les fondamentaux de l électrification des véhicules Les blocs fonctionnels de l électrification Différents niveaux et/ou modes d électrification Des performances liées au choix des batteries 17 Chapitre 2 : Quels choix industriels majeurs? Adaptation de l outil industriel aux nouvelles architectures et technologies Adaptation des infrastructures privées et publiques Adaptation de la filière énergétique en amont 21 Chapitre 3 : En quoi le choix de l électrique est-il un élément en faveur de la mobilité durable? 1. L électrique à la hauteur du défi énergétique de demain Synergie entre véhicules électriques et nouveaux besoins d urbanisme 26 Chapitre 4 : Le bilan économique quelques réflexions Les différentes focalisations des principaux acteurs Les paramètres des nouveaux modèles économiques 29 5 idées clés à retenir 31 6

7 Introduction «Propre, sûre et connectée» : ces trois mots définissent sans ambiguïté la mobilité routière de demain. Pour y arriver, usagers, constructeurs, équipementiers, hommes politiques, citoyens du monde entier sont en passe d intégrer l existence de différentes solutions de transport en fonction des types de trajet à effectuer : cours et longs courriers, solutions intermodales... Les véhicules à motorisation électrique vont prendre toute leur place dans cette nouvelle offre de mobilité où aucune option n est exclusive des autres. De nombreux défis restent toutefois à relever, tels que la mise en place de nouveaux modèles économiques, l adaptation des infrastructures et la rénovation de l outil industriel. Cette révolution qui démarre s avère indispensable pour répondre aux défis climatiques et énergétiques. Dans le même temps, de nouvelles catégories d usagers de la route sont apparues. Des consommateurs avides d accéder à une mobilité meilleur marché et plus pratique, dans les pays émergents et ailleurs, doivent être satisfaits par l offre industrielle. Aujourd hui, deux facteurs se conjuguent pour justifier la mutation énergétique du transport. D une part, le développement rapide de certains pays émergents (Chine, Inde) et leurs besoins d accès à la mobilité entraînent une augmentation constante du nombre de véhicules, et surtout du besoin en pétrole. De 800 millions de véhicules selon certaines estimations en 2010, le parc mondial pourrait atteindre 2 à 3 milliards en 2050, pour une population humaine supérieure à 9 milliards d hommes. La production de pétrole ne pourra pas suivre cette évolution : de 85 millions de barils par jour en 2010, il faudrait passer très au-delà de 100 millions de barils d ici à Un tel niveau de production est impossible à atteindre car, d une part, la production est globalement constante depuis vingt ans, et, d autre part, le pétrole aisément accessible se raréfie. Il nous faut donc oublier un mode de vie induit par un pétrole bon marché dont la production progressait au rythme des besoins. La dépendance quasi exclusive du transport routier vis-à-vis du pétrole est une fragilité économique et stratégique qui doit être corrigée. Parallèlement, le contexte écologique rend prioritaire la réduction des gaz à effet de serre, et donc la combustion de carburants fossiles. D autre part, le contexte écologique rend prioritaire la réduction des gaz à effet de serre (GES). Les principaux gaz à effet de serre existent naturellement dans l atmosphère (vapeur d eau, dioxyde de carbone, méthane, protoxyde d azote, ozone). À ceux-ci s ajoutent les gaz à effet de serre issus des activités humaines, incluant, outre les principaux gaz déjà cités, des gaz fluorés comme les CFC ou les fréons. La réduction des GES devient un objectif prioritaire afin de lutter contre le réchauffement climatique. Enfin, déjà majoritaire aujourd hui, le style de vie urbain pourrait impliquer 70 % de la population mondiale d ici La réduction de la pollution urbaine, l accès du plus grand nombre à des moyens de transport sûrs et rapides, et la baisse du coût des transports sont des priorités dont la criticité ira crescendo. L électrification des véhicules : une suite logique? L idée de l électrification des véhicules automobiles n est pas nouvelle et remonte à la première moitié du XIX e siècle (1835, Anderson), profitant de multiples inventions dans le domaine : première pile (1800, Volta), premiers moteurs électriques (1823, Sturgeon), 7

8 premiers accumulateurs rechargeables (1881, Faure) et exploitant le rendement énergétique formidable des moteurs électriques. Après un début prometteur durant les premières années du XX e siècle, la motorisation électrique a été supplantée par la motorisation thermique ; la baisse du coût du litre de carburant, l autonomie qu il procure, la praticité d usage avec l essor des infrastructures (routes et stations-service) ont eu raison de la fée électricité pour laquelle les batteries au plomb de l époque étaient à la fois lourdes et chères, sans offrir d autonomie réelle. Le pétrole n est plus le garant d un transport routier bon marché. Tout concourt à rendre son prix de plus en plus volatil, dans une dynamique haussière. Aujourd hui l énergie électrique présente de nombreux atouts tant environnementaux qu économiques. Elle peut aider à s affranchir de la dépendance exclusive au pétrole, sous réserve toutefois que l énergie primaire qui sert à la produire permette des émissions faibles de GES. Ce n est pas toujours le cas, notamment aujourd hui, dans des pays où l électricité est principalement produite à partir du charbon (Australie, Afrique du Sud, Chine, Inde). Quant à l électricité d origine nucléaire, elle est très faiblement carbonée mais soulève d autres dilemmes environnementaux. Pénétration de l électrique : une mutation déjà en marche? Depuis le début des années 1990, le véhicule électrique a tenté de reconquérir son marché (c est le cas en France entre 1995 et 2003, avec la plus grande expérience mondiale), ce type de motorisation ayant déjà investi le secteur industriel (chariots élévateurs, par exemple). Sans succès. Mais une autre voie qui ne réclame pas de transformation radicale des habitudes des usagers, ni des outils industriels, ni des infrastructures, se développe de manière encourageante : l hybridation. Tenant compte de la baisse des prix et de la facilité 8

9 d utilisation, l arrivée des batteries au lithium va-t-elle convaincre les usagers encore sceptiques? Ces technologies d hybridation offrent des possibilités d usage parfaitement adaptées à une autre utilisation urbaine de l automobile. En ville, la conduite saccadée et à basse vitesse profite du rendement élevé (de l ordre de 90 %) du moteur électrique. Sur autoroute, le moteur thermique atteint son rendement maximal et l on profite de la grande autonomie qu offre le carburant liquide. L hybridation thermique-électrique prend alors tout son sens. Depuis 1997, avec le lancement de la Toyota Prius, le véhicule hybride a acquis ses «lettres de noblesse» commerciale et industrielle. Sous les marques Toyota et Lexus, le groupe Toyota a vendu 2,5 millions de modèles hybrides. D autres constructeurs ont suivi. Même si le taux de pénétration de ces véhicules hybrides comparé à l ensemble de la gamme reste encore faible, nul doute que l élan est donné. 9

10 Chapitre 1 Les fondamentaux de l électrification des véhicules Un véhicule électrique se définit comme un véhicule dont le moteur principal est électrique. Un véhicule est dit hybride s il existe, autour d un moteur thermique principal, une contribution électrique à la traction. Deux possibilités d alimentation énergétique d un moteur électrique sont envisageables aujourd hui dans un véhicule routier : l alimentation par un stockage électrique (batterie, éventuellement supercondensateur) ou l alimentation par un générateur électrique (pile à combustible ou groupe électrogène). La pile à combustible (alimentée en oxygène et en hydrogène le plus souvent), objet de nombreuses études, reste encore d un coût assez élevé. Sa fiabilité et sa longévité doivent encore progresser pour satisfaire aux attentes d un usage massif. 1. Les blocs fonctionnels de l électrification Trois blocs fonctionnels sont au cœur d une chaîne de traction électrique : un moteur, un contrôleur électronique, et une source électrique. a) Les moteurs Différentes technologies de moteurs électriques sont disponibles. Mais la préférence va aujourd hui aux moteurs à courant alternatif (par opposition au courant continu délivré par les batteries ou les piles à combustible) triphasés (par opposition au monophasé des installations domestiques usuelles) sans collecteur (moteurs dits «brushless» pour limiter l usure par frottement) pilotés par des contrôleurs électroniques de forte puissance. L atout principal d un moteur électrique est son rendement, c est-à-dire la quantité d énergie restituée en énergie mécanique à partir de l énergie d alimentation : - rendement de 90 % et plus pour un moteur électrique ; - rendement de 10 % (conditions urbaines) à 35 % pour un moteur à essence ; - rendement de 15 à 40 % pour un moteur diesel. Les autres atouts sont la simplicité (seul le rotor est en mouvement), une extraordinaire longévité, et un fonctionnement silencieux, sans émission de gaz ou de particules fines. Enfin, les moteurs électriques sont réversibles et peuvent donc se transformer à la demande en générateurs de courant. C est cette propriété qui est utilisée au freinage pour récupérer de l énergie. b) Les contrôleurs électroniques Les contrôleurs électroniques assurent le pilotage des moteurs. 10

11 Le couplage entre l électrique et le thermique des véhicules hybrides nécessite un dispositif de contrôle de puissance et de contrôle thermique très évolué. Ainsi, les onduleurs électroniques pilotés par calculateur transforment du courant continu en courant alternatif en ajustant la puissance en fonction de la vitesse. Ces modules électroniques nécessitent un refroidissement par air ou par eau. Le système de refroidissement est relié à la batterie, ce qui peut influer sur l autonomie du véhicule. De nouvelles solutions technologiques, comme des échangeurs thermiques, devraient rapidement éliminer cet inconvénient. c) Les sources électriques Les batteries Systèmes de stockage et générateurs ont leurs atouts respectifs. Ce sont les stockages les plus connus, rechargeables. Une batterie est un ensemble d accumulateurs électrochimiques reliés entre eux (encore appelés éléments ou cellules de la batterie) qui constituent une source de courant continu de la capacité et de la tension désirées. Il existe des programmes de recherche pluridisciplinaires autour des batteries. Pour une capacité énergétique identique, une batterie est beaucoup plus lourde qu un réservoir de carburant. La capacité de stockage énergétique embarquée est limitée et restreint l autonomie du véhicule. La batterie souffre également de sa durée de charge (5 à 10h dans les conditions optimales), d une longévité inférieure à celle des moteurs, et de son coût encore élevé. Outre sa mise au point technologique (performances et sécurité), il faut aussi relever le défi de son industrialisation à grande échelle et de la gestion de son cycle de vie jusqu à son recyclage. Enfin, la récupération de l énergie au freinage exige que la batterie ne soit jamais complètement chargée, ce qui réduit notablement sa performance. Pour atténuer cet inconvénient, on peut utiliser des stockages temporaires d énergie cinétique. Les générateurs Dans la pile à combustible, oxygène et hydrogène réagissent sur des électrodes (en présence d un catalyseur, le plus souvent du platine) pour produire de l énergie électrique, avec de l eau pour seul rejet. Le plus souvent, à l instar des moteurs thermiques, la pile à combustible utilise tout simplement l oxygène de l air comme comburant pour cette «combustion». Quant au combustible hydrogène, il peut provenir d un réservoir ou être produit à bord du véhicule par reformage d hydrocarbures. Une pile à combustible H 2 /O 2 n émet pas de CO 2 par elle-même, mais le bilan émissif global du véhicule dépend de celui de la production de l hydrogène. Quant aux groupes électrogènes, la plupart sont constitués d un moteur thermique qui actionne un alternateur. Ils nécessitent la présence d un réservoir de carburant à énergie fossile. 2. Différents niveaux et/ou modes d électrification Le graphe ci-dessous distingue cinq niveaux progressifs d hybridation et deux natures de véhicule à chaîne de traction «tout électrique». Pour mieux situer ces différentes options 11

12 quant à leurs implications pour l utilisateur, nous différencierons les véhicules qui peuvent être reliés à un réseau de distribution d énergie électrique de ceux qui ne le peuvent pas. Une solution électrique pour chaque usage Source : Roland Berger Strategy Consultants, a) Les véhicules électriques ou hybrides non rechargeables sur secteur Dans les quatre types de véhicules suivants, l usager continue à alimenter uniquement son véhicule en carburant avec, à la clé, une promesse de réduction de sa consommation et de la pollution. Micro-hybrides (véhicule de série pionnier dans cette technologie : Citroën C3-2004) Popularisé en France par le lancement de la Citroën C3 «Stop & Start», la microhybridation constitue le premier niveau de fonctionnalité «hybride». Elle permet un arrêt du moteur lorsque le véhicule s immobilise et un redémarrage automatique quand le conducteur sollicite de nouveau la pédale d accélérateur. L économie de consommation en cycle urbain peut aller jusqu à 15 %. La micro-hybridation n implique pas de batterie spécifique. Un alterno-démarreur tient lieu de moteur électrique pour l assistance au redémarrage du moteur thermique. Mild hybrides (véhicule de série pionnier dans cette technologie : Honda Insight ) Le niveau supérieur d électrification est dénommé «mild hybride» (ou hybride doux) avec deux fonctionnalités supplémentaires que sont le freinage récupératif (Kinetic Energy Recovery System, KERS) et l assistance à l accélération (appelée «boost»). Au freinage, l énergie cinétique n est plus seulement dissipée en chaleur : le moteur électrique fonctionne comme un générateur et renvoie une partie de l énergie vers les accumulateurs (batteries ou super-capacités), qui sont alors rechargés. Par ailleurs, le rendement à bas régime du moteur thermique étant faible, le moteur électrique vient en renfort lors de l accélération. 12

13 Full hybrides (véhicule de série pionnier dans cette technologie : Toyota Prius ) Plus poussée encore, l électrification des «full hybrides» autorise une propulsion du véhicule par le seul moteur électrique, grâce à un système de découplage du moteur thermique : c est le «mode zéro émission», qui n est actuellement possible que sur quelques kilomètres (environ 2 km) du fait de la faible capacité des batteries utilisées. La Toyota Prius est un hybride «parallèle» : moteur thermique et moteur électrique agissent sur les mêmes roues. Schémas «en parallèle» ou «en série» des hybrides non rechargeables sur secteur Dans les architectures de type «série», la transmission de puissance, du moteur thermique aux roues, se fait en chaîne : le moteur thermique entraîne une génératrice électrique qui recharge la batterie et entraîne le moteur électrique, lequel met les roues en rotation. Batteries et/ou super-condensateurs viennent en soutien à la génératrice. 13

14 Véhicule électrique à pile à combustible (véhicule de série pionnier dans cette technologie : Honda FCX Clarity ) Le véhicule à pile à combustible (Fuel Cell Electric Vehicle, FCEV) utilise de l hydrogène comme combustible pour produire son énergie électrique de manière embarquée et autonome. Batteries et/ou supercondensateurs peuvent venir en soutien à la pile à combustible. L utilisateur doit passer à la station hydrogène pour faire le plein. b) Les véhicules électriques ou hybrides rechargeables sur secteur Les trois types de véhicules suivants permettent à l utilisateur de recharger la batterie sur le réseau. Hybride rechargeable (Plug-in) L hybride rechargeable (Plug-in Hybride Vehicle, PHEV) est un niveau plus poussé d électrification que le «Full Hybride» ; dans lequel le moteur électrique, ainsi que les batteries, sont dimensionnés respectivement en puissance et capacité pour pouvoir rouler en mode électrique pendant plusieurs dizaines de kilomètres. Le moteur thermique, réduit en taille et en puissance («downsizing»), peut entraîner seul le véhicule sur de longues distances, en phases de régime moteur optimisé. La version «plug-in» de la nouvelle Prius sera bientôt commercialisée à grande échelle. Par sa polyvalence et sa capacité à traverser une ville en mode 100 % électrique, elle semble bien adaptée aux nouveaux besoins de certains utilisateurs. Elle marque un pas significatif vers la ville «zéro émission». Des systèmes d augmentation de l autonomie électrique des véhicules «Full Hybrides» sont d ailleurs d ores et déjà en vente pour transformer les véhicules hybrides actuels en plugin. L opération, effectuée par un professionnel, consiste à remplacer la batterie par un ensemble comprenant un chargeur, une batterie de plus grande capacité et d un autre type (lithium-ion au lieu de Ni-MH) et une régulation électronique. Elle augmente notablement l autonomie du véhicule en mode purement électrique (vingt kilomètres au lieu de deux actuellement pour la Prius, par exemple). Le dernier niveau d électrification, que l on peut considérer comme l ultime étape avant le tout électrique, est le véhicule à traction électrique et «range extender» (Extended Range Electric Vehicle, EREV) ou prolongateur d autonomie. Son architecture est celle d un véhicule plug-in dit de «série». Sa particularité tient à la possibilité de recharger les batteries au moyen d un petit moteur thermique utilisé comme générateur électrique embarqué. Ce moteur thermique ne motorise en aucun cas la chaîne de transmission du véhicule et assure simplement, par sa fonction de chargeur de batteries, une extension d autonomie du véhicule. Ce moteur est contrôlé par l électronique embarquée. 14

15 Véhicules rechargeables hybrides Le 100 % électrique rechargeable Il s agit là de la forme la plus épurée de véhicule électrique, avec une architecture «minimaliste» batterie/contrôleur/moteur électrique. La chaîne électrique ne comporte aucun moteur thermique ou générateur auxiliaire d électricité (à l exception de la récupération d énergie cinétique). La batterie est rechargée uniquement en branchant la voiture sur un chargeur externe. Ces modèles existent déjà dans notre quotidien : Nissan Leaf, Mitsubishi I-Miev (et ses déclinaisons PSA) Mais aussi voiturettes de golf et voitures citadines sans permis, qui ont une utilisation circonscrite à leur faible autonomie et à leur temps de recharge. 15

16 c) Nouvelles perspectives architecturales de l électrique La voiture tout électrique permet de penser le véhicule autrement, en particulier pour la ville et les nouveaux besoins auxquels elle va devoir répondre. Ainsi apparaissent des variantes d architecture où la motorisation électrique est répartie dans les roues. En décentralisant certaines fonctions, il est possible de consacrer l espace traditionnel imparti au moteur (sous le capot) au profit des passagers et des bagages, ou pour l amélioration de la sécurité. Sur le modèle de l aéronautique et du ferroviaire, le tout électrique permet de répartir les fonctions de traction, de commande, de stockage aux «quatre coins» du véhicule. Que l on songe par exemple, dans le transport ferroviaire, à la nouvelle Automotrice à Grande Vitesse (AGV), future remplaçante des Trains à Grande Vitesse (TGV) français. Sa motorisation répartie autorise un accroissement de la capacité d emport de 20 % en passagers et une réduction de 30 % de la consommation énergétique. L «Active Wheel» permet de dégager de nouveaux espaces 16

17 De nouveaux degrés de liberté se font jour pour les designers et les architectes grâce aux technologies «by wire» (remplacement de commandes mécaniques par des commandes électriques) et aux motorisations réparties. Dans les limites autorisées par la réglementation et en gardant à l esprit les principes de la physique qui régissent la stabilité d un véhicule automobile, de nouveaux concepts font florès dans les salons spécialisés (Detroit, Paris, Shanghai 2010) et bientôt dans nos villes. L Active Wheel Michelin est une illustration de cette liberté retrouvée pour les concepteurs et plus largement pour les recherches dans le domaine des moteurs-roues, des freins (Mercedes SL, 1999), etc. Un exemple probant est le concept qui équipe depuis 2008 des véhicules démonstrateurs Will (coopération Michelin MIA). 3. Des performances liées au choix des batteries Les batteries sont au cœur des principaux efforts de développement des véhicules électriques. Les attentes sont à la mesure de l enjeu puisque les constructeurs automobiles sont actuellement dépendants des producteurs de batteries (même si elles ne sont pas aussi déterminantes pour les hybrides non rechargeables que pour les véhicules rechargeables). a) Des batteries choisies en fonction de leur utilisation Côté performance, une batterie s analyse entre densité de puissance (capacité à délivrer beaucoup de puissance aux roues par unité de volume/masse) et densité d énergie (capacité de stocker une forte énergie par unité de volume/masse). Pour l utilisateur, il s agit donc d un compromis entre performance, autonomie et coût. Le véhicule hybride non rechargeable réclame essentiellement de la puissance pour les fonctions «stop and start», assistance à l accélération et freinage récupératif. Les véhicules rechargeables réclament une bonne densité d énergie pour assurer le rayon d action du véhicule. Les réglementations draconiennes sur les éléments tératogènes ou cancérigènes (plomb, cadmium ) renforcent l orientation vers les couples au lithium. 17

18 Positionnement des différentes technologies de batteries b) Le compromis entre poids/volume et autonomie Même si l arrivée des technologies au lithium va aider à réduire notablement volume et masse, la masse des batteries restera tout de même élevée. Il faut compter environ 200 kg pour une voiture tout électrique de taille moyenne embarquant 20 kwh. Le poids des batteries pèse sur les performances puisqu il faut de l énergie pour accélérer ou freiner une masse. L énergie cinétique présente un fort impact sur le calibrage de la motorisation. Mais l autonomie des véhicules dépend aussi du nombre d éléments de batteries embarquées, ce qui oriente donc les concepteurs vers des choix technologiques adaptés aux fonctionnalités des véhicules et aux architectures d hybridation. 18

19 c) Le compromis qualité-coût-sécurité Les performances des batteries et leur fiabilité augmentent régulièrement depuis vingt ans. Les contraintes majeures de l automobile tiennent au niveau de qualité demandé et à l exigence de sécurité, bien supérieurs l un et l autre à ceux de la téléphonie mobile ou de l informatique. En effet, la qualité globale d un pack de batteries dépend du moins bon de ses éléments (le maillon faible). Or les batteries comportent environ 40 à 90 cellules en série pour l hybride et jusqu à 200 pour le tout électrique : leur durée de vie maximale actuelle varie entre sept et dix ans, ce qui exige un renouvellement en milieu de vie du véhicule. La qualité «zéro défaut» pèse considérablement sur le coût des batteries. Leur prix est donc un facteur clé de la compétitivité économique des véhicules. L électrification à grande échelle passe donc certainement par le développement de modèles économiques plus axés sur une économie de fonctionnalité intégrant le service aux batteries. Le prix des batteries varie en fonction du volume de la production. Aussi l industrialisation, à plus ou moins grande échelle, dépendra elle-même de la maîtrise du cycle de vie de la batterie et de ses capacités de recyclage. Nous pouvons estimer des prix (en /Wh) de l ordre de : < 0,15 /Wh pour les batteries au Plomb, < 0,2 /Wh pour les batteries Nickel-Cadmium, < 0,6 /Wh pour les batteries Nickel-Métal Hydrures < Les premières batteries Li-ion coûtaient plus de 1 /Wh, (soit plus de pour une batterie de 20 kwh) mais pourraient descendre au-dessous de 0,40 /Wh pour de larges volumes. d) Exigences sur le cycle de vie des batteries Le choix des batteries a des effets sur les architectures de véhicules et oriente les choix technologiques futurs. Il dépend aussi de la maîtrise du cycle de vie global des batteries, lequel inclurait une seconde vie sur des applications autres que le transport, et une filière de récupération des métaux précieux ou dangereux. Il est primordial de fixer un cadre législatif international pour réglementer le cycle de vie des batteries dans sa globalité. La cohérence est nécessaire afin que la gestion de fin de vie des batteries ne soit pas le facteur dégradant du bilan écologique «du puits à la roue». 19

20 Chapitre 2 Quels choix industriels majeurs? 1. Adaptation de l outil industriel aux nouvelles architectures et technologies L électrification des véhicules pose plusieurs questions et appelle par conséquent différentes réponses. En premier lieu, la question de la continuité industrielle. Comment exploiter l héritage des pays fortement impliqués dans l industrie automobile afin de l adapter à de nouvelles architectures en phase avec les technologies électriques? La majeure partie de l offre actuelle en véhicule électrique consiste en une substitution du moteur thermique par un moteur électrique et une implantation des batteries et de l électronique dans les espaces les moins intrusifs pour l usager. La maîtrise du poids et de nouveaux agencements dans le véhicule (moteur arrière, plancher haut, moteurs plus compacts, moteurs roue ) sont de nouveaux concepts. Ils imposent aux constructeurs de trouver des installations plus flexibles (en rapport avec les cadences de production réduites et l évolution technique qui n est pas encore stabilisée). L électrification peut également constituer une opportunité pour de nouveaux acteurs désireux d entrer sur le marché. On assiste à l émergence de nouveaux partenariats (équipementiers, opérateurs de mobilité). 2. Adaptation des infrastructures privées et publiques L un des facteurs de succès dans la diffusion des véhicules électriques ou hybrides rechargeables sera la capacité des pays à se doter d une infrastructure de branchement pour la recharge. La question d un consensus quant aux normes de matériel à promouvoir et la coordination dans le planning de déploiement de ces nouvelles infrastructures sont primordiales. Déjà des concertations transnationales ont été engagées avec, par exemple, le groupe de travail franco-allemand pour la normalisation, la standardisation puis l expérimentation de solutions techniques. Pour le consommateur, il faudra veiller à assurer une transition rapide, facile et accessible par rapport à son utilisation de l automobile, avant même de passer à d autres modèles de consommation où le véhicule n est plus en propriété exclusive. Ainsi une recharge sur le réseau domestique existant, moyennant d évidentes adaptations (en termes de protection) garantissant la sécurité d utilisation, sera favorable à la mobilité électrique. La France bénéficie déjà d une expérience substantielle sur ce sujet. Plusieurs pays octroient des subventions aux collectivités locales afin de contribuer à l installation d infrastructures de charge sur le domaine public, qu elles soient normales (3 kva) ou rapides (22 et 43 kva). Ces nouveaux équipements impliquent un matériel spécifique, voire une modification du réseau de distribution. Quelques acteurs privés, dont BetterPlace, proposent aussi des solutions d échange rapide des packs de batterie. Une installation pilote est actuellement testée à Tokyo. Israël et le Danemark devraient avoir prochainement des expérimentations à grande échelle. 20

21 Des entreprises pensent également contribuer à l effort collectif en équipant leurs parkings pour inciter leurs collaborateurs à la mobilité électrique. À plus long terme, les réseaux intelligents («smart grids») qui utilisent les technologies de l information pour associer les ressources en électricité disponibles globalement en fonction des demandes locales apporteront également une souplesse supplémentaire aux utilisateurs. Nous le voyons, les solutions sont nombreuses et réalistes pour vaincre les freins psychologiques des consommateurs quant à la possibilité de recharger leur véhicule là où ils en ont besoin. De nouvelles infrastructures 3. Adaptation de la filière énergétique en amont a) Des choix énergétiques géographiques Le développement des véhicules électriques est intrinsèquement dépendant des stratégies énergétiques, et celles-ci ne sont certainement pas universelles. Dans le détail, l impact énergétique de la voiture électrique sera différent pour chaque pays concerné en raison des spécificités de la filière mise en place. Ainsi, la France, qui produit près de 80 % de son énergie électrique grâce au parc de centrales nucléaires, a recours à des centrales thermiques émettrices de CO 2 pour la régulation de la production. Au Danemark, ce sont les énergies renouvelables et notamment éoliennes qui ont la faveur des pouvoirs publics. Cette source d énergie est pourtant très intermittente. Nul doute que ces pays seraient favorables au développement du véhicule 21

22 électrique reposant sur un réseau de charge intelligent. La voiture électrique serait dans ce cas un excellent outil pour valoriser cette électricité verte et renouvelable. En effet, le déploiement de la voiture électrique peut favoriser le développement des énergies renouvelables. Les batteries peuvent avoir une deuxième vie après leur utilisation sur les véhicules, en stockant de l énergie pour de petites éoliennes par exemple ou des installations photovoltaïques. Les batteries permettraient ainsi de remédier au principal défaut des énergies renouvelables : la fluctuation de l approvisionnement dans le temps. Quant aux pays non producteurs de pétrole, la hausse du prix du baril sera pour eux un puissant moteur au changement s ils décident de s orienter vers les énergies renouvelables, de limiter leurs centrales thermiques, et d accéder à davantage d indépendance énergétique. Certains pays ont par ailleurs déjà engagé une révision de leur position sur le nucléaire, jugé peut-être «nécessaire» dans l éventail des compromis économie-écologie réalistes. Les choix d après-fukushima auront une grande importance. b) Impact réel des véhicules à motorisation électrique sur l environnement Est-on sûr que rouler à l électricité soit moins polluant? Il est nécessaire d associer le mode de transport et la filière de production amont de l électricité (du puits à la roue) pour constater un paysage contrasté et accepter différentes réponses selon les zones géographiques et selon les filières. Sur le graphe ci-dessous, pour trois niveaux différents de consommation électrique (10, 15, 25 kwh/100 km), il apparaît que l impact «émission CO 2» (courbes bleues) évolue de façon croissante en fonction de la richesse en carbone des filières de production électrique. À gauche, en Norvège, l électricité étant d origine hydraulique, le bilan carbone est excellent. À droite, en Afrique du Sud, une forte prépondérance des centrales à charbon réduit l intérêt de l électricité. Un bénéfice de la traction électrique ne se manifeste dans les pays à fort mixe d électricité produite à base de charbon que si la consommation énergétique du véhicule est réduite au-dessous de 15, voire 10 kwh/100 km. Les choix technologiques ne peuvent donc être ni uniques ni universels, mais doivent être régionalisés car l impact CO 2 est lui-même très régionalisé pour la filière électrique. c) La nécessité de normes mondiales À l opposé de l idée de régionalisation, celle de standards internationaux doit rapidement faire loi. Seuls garants d une pérennité des investissements à consentir dans les infrastructures publiques (bornes de recharge extérieures), dans les bâtiments privés (parkings par exemple) ou chez les particuliers, ils autoriseront une certaine universalité de la mobilité. Déjà trois classes de puissance de charge se dégagent, en Europe du moins : - 3 kva 16 A monophasé pour la charge lente (à privilégier pour garantir la longévité des batteries) ; - 22 kva 32 A triphasé pour une charge accélérée ; - 43 kva 63 A triphasé pour la charge rapide. Les standards de connecteur ne sont pas encore choisis dans le cas des recharges rapides et accélérées. La charge normale impliquant un large réseau de consommateurs, les standards existant sur les installations domestiques sont repris avec les différences que nous connaissons entre certains pays (États-Unis, Grande-Bretagne, pour ne citer que ces deux 22

23 exemples). La Chine, très volontariste dans le domaine électrique, a clairement indiqué que la prochaine décennie sera celle d un effort considérable sur les normes et règlements. Émissions CO 2 de véhicules électriques en fonction de leur consommation énergétique et de l origine de l électricité Comparaison par rapport à des véhicules utilisant des dérivés pétroliers (barre gris foncé au centre) ou de l éthanol de canne à sucre au Brésil (barre gris clair à gauche). Ce schéma fait apparaître des variations considérables dans les émissions de CO 2 par kwh moyen national. 23

24 Chapitre 3 En quoi le choix de l électrique est-il un élément en faveur de la mobilité durable? L électricité apporte d excellentes potentialités de réponse à la nécessité de limiter l impact écologique du transport, dans un contexte où la population croît et ses besoins de mobilité davantage encore. 1. L électrique à la hauteur du défi énergétique de demain L un des enjeux majeurs des années à venir est la nouvelle répartition des ressources énergétiques de la planète, clé majeure du développement économique et du pouvoir. La variété des modes de conversion à l énergie électrique de sources énergétiques primaires fait de l électricité une énergie essentielle. D origine hydraulique, l électricité a déjà transformé la vie de nombreuses régions du monde (Brésil, Égypte ). D origine nucléaire, elle contribue à réduire la dépendance énergétique des États, dans la limite de certains risques environnementaux. L électricité éolienne a d ores et déjà modifié les économies locales de régions jusque-là difficilement servies par les grandes infrastructures. L électricité photovoltaïque reste encore naissante s agissant de volumes de production mais permettrait d exploiter une ressource abondante dans des régions pauvres. Quant aux énergies marines houlomotrices et hydroliennes, elles n en sont qu à leurs balbutiements mais sont prometteuses. Autant de raisons de développer l énergie électrique et de convertir au moins partiellement les moyens de transport à l électricité (comme cela est le cas pour le train, le tramway ou le métro). Le passage aux énergies «propres» permettra un gain significatif en émissions de toutes natures, qui dépassera le gain potentiel obtenu par les seules optimisations en résistance au roulement, en masse, en aérodynamique et en optimisation des moteurs thermiques. L électricité représente la meilleure équation volume transporté/vitesse de déplacement/coût à l usager dans un rayon d action de quelques dizaines de kilomètres. Le retour des tramways dans les centres-villes en est une parfaite illustration. Dès lors, pourquoi ne pas profiter des atouts de cette énergie pour le transport routier? Les avantages seraient nombreux : un rendement d utilisation quasi idéal (> 90 % à la roue) même s il faut garder à l esprit la grande déperdition énergétique dans le transfert par ligne haute tension sur de grandes distances ; une absence totale d émissions nocives (CO, Nox, HC, SO 2 ) mettant à mal nos défenses immunitaires, nos voies respiratoires et notre vue ; une réduction considérable des GES, facteur de stabilité climatique lorsque l électricité est produite sans émission de CO 2. 24

25 Efficacité énergétique «moyenne» selon le type de configuration moteur/énergie La pile a combustible a-t-elle un avenir? Oui, indéniablement, même si la perspective d une société de l hydrogène encore évoquée il y a une dizaine d années a perdu de sa probabilité à proche échéance. Cependant, il faudra toujours être vigilant quant à son intérêt technique, économique et environnemental comparativement aux autres technologies. Sur le plan technique, la pile à combustible présente l avantage incontestable d apporter de l autonomie aux véhicules électriques. D un point de vue économique, la rentabilité de la pile à combustible dépend de l évolution des cours du platine et de l hydrogène. Enfin, d un point de vue environnemental, le développement de la pile à combustible dépendra de l évolution des technologies de production sans carbone, de stockage et de distribution de l hydrogène ainsi que de la disponibilité des catalyseurs. Des solutions duales petites batteries associées à des piles à combustible de puissance moyenne sont de plus en plus étudiées et pourraient déboucher sur des applications intéressantes. 25

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