Electriques, hybrides ou à hydrogène?

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1 Electriques, hybrides ou à hydrogène? Mercredi 20 avril 2011, de 9h30 à 10h45 Dans un contexte français où un fort accent est mis sur le véhicule électrique et ses défis, il est important d'envisager l'ensemble des solutions possibles, comme de justifier les choix de développement déjà effectués ces dernières années. Quelles sont les technologies crédibles pour quels usages et quels types de véhicules? Quels sont les choix qui ont été faits en France? Chez nos voisins? Et pourquoi? Quelles perspectives d'évolution à court et moyen termes? Intervenants : POLE VEHICULE DU FUTUR : Philippe CHICAN, R&D Programs Manager Philippe Chican est directeur des programmes de recherche du pôle véhicules du futur, qui est l un des 71 pôles de compétitivité en France. Présent en Alsace Franche Comté, le pôle travaille sur la problématique de la mobilité innovante en ville, et s intéresse donc aux chaînes de traction électriques et hybrides. 1. Données de base Quand on considère les différentes chaînes de traction, on s aperçoit que les rendements sont extrêmement différents. L on a ainsi un rendement moyen de 18% pour les moteurs thermiques à essence, 22% pour le diesel, 30% pour les véhicules hybrides, et 90% pour les véhicules électriques. Ceux-ci connaissent une faible déperdition, liée au mouvement, mais sont caractérisés par la forte efficacité de leur chaîne de traction. Les émissions de CO2 par véhicule sont l un des paramètres guidant le plus les acteurs vers l évolution des technologies en place. L essence génère, en moyenne, 200g de CO2 par kilomètre. Pour le véhicule électrique, il faut prendre en compte la matière utilisée pour la production de l électricité. En effet, la méthode de production d électricité peut avoir une empreinte écologique très importante, notamment si ce sont les énergies fossiles qui sont employées. La Chine par exemple investit énormément dans le véhicule électrique, visant l indépendance énergétique. La France a une électricité à 80% d origine nucléaire, et le véhicule électrique français est par voie de conséquence très peu émetteur de CO2. 2. Architecture des chaines de traction 2.1. Le HV 1

2 Le véhicule hybride a la possibilité de fonctionner en électrique (moteur et batterie) et en thermique (moteur thermique et réservoir de carburant). Le système assure le passage de l électrique au thermique, et vice versa. A basse vitesse, l électrique est utilisé, ensuite, passé un seuil de plusieurs kilomètres / heure, le moteur thermique prend le relai. La gestion est électronique et transparente. Les batteries peuvent se recharger en utilisant l énergie du moteur thermique, ou alors en récupérant une partie de l énergie cinétique déployée pendant le freinage Le PHV L alimentation du véhicule se fait directement via le réseau. L on peut mettre en place une charge lente le soir, et augmenter l autonomie électrique afin de pouvoir faire plusieurs dizaines de kilomètres en électrique pur, ou rouler à une vitesse plus importante L EV La chaîne de traction est ici purement électrique. Le moteur électrique est alimenté par le réseau, qui fournir une électricité d origine nucléaire ou renouvelable. L autonomie du véhicule est fonction de la capacité des batteries employées FCHV Les piles à combustibles peuvent être envisagées de deux manières : elles peuvent ou bien fournir directement l électricité au moteur à partir d un réservoir d hydrogène, ou bien la pile à combustible alimente les batteries, qui alimentent à leur tour le moteur électrique. Il existe également un dispositif permettant de recharger les batteries pendant que le véhicule roule. L objectif est de dépasser la barrière des 120 kilomètres d autonomie. 3. Les axes de progrès La technologie clé est celle des batteries. Il s agit ici d améliorer la puissance spécifique et de réduire le prix afin de les rendre plus accessibles. Améliorer la compacité des moteurs fait également partie des objectifs prioritaires, car l architecture actuelle n est pas optimisée pour la traction avec un rendement suffisamment intéressant. Les pistes de progrès sont importantes en la matière. 2

3 Les piles à combustible ont aujourd hui entre 1500 et 2000 heures d autonomie. Avec 2000 heures d autonomie, l on peut parcourir kilomètres. Réduire les prix et augmenter la longévité sont les deux enjeux des piles à combustibles. L on peut également travailler sur le stockage de l hydrogène pour améliorer la compacité (par un travail sur l augmentation de la pression). L hydrogène est soumis à une réglementation stricte, et les véhicules équipés de piles à combustible ne sont pas encore autorisés à circuler en France, sauf dans les rares cas d une homologation à titre isolé. Enfin, rappelons que les auxiliaires du véhicule sont aussi consommateurs d électricité. Ils participent au confort du véhicule, et les utilisateurs n ont pas envie de rogner dessus. Le downsizing est la réduction de leur taille, et de facto de leur consommation propre, afin d améliorer le rendement énergétique. La climatisation et le chauffage sont deux exemples des auxiliaires à prendre en compte. 4. Les batteries Les performances attendues du véhicule pur électrique diffèrent des performances attendues de l hybride. Aujourd hui, nous avons des batteries capables de supporter 1000 cycles de charges et décharges pour véhicules électriques. De plus, il existe un marché de seconde vie pour les batteries, permettant un recyclage dans le secteur du stockage d EnR par exemple. Les véhicules hybrides doivent pouvoir délivrer, à un moment donné, une puissance importante, la cyclabilité quant à elle est un moindre problème car les batteries ne sont pas utilisées en permanence. Il existe une diversité importante de batteries, correspondant à autant de technologies différentes. Par exemple, les batteries Plomb Acide sont des batteries de démarrage délivrant une bonne capacité d énergie immédiatement, mais la quantité d énergie disponible qu elles peuvent contenir par kilogramme est relativement réduite. De fait, elles prennent beaucoup de place. Les batteries Li-ion, quant à elles, sont les batteries les plus intéressantes sur le marché. Ce sont ces batteries qui auront la majeure partie du marché dans les années à venir, d autant plus que de sérieuses améliorations au niveau des composants et de l électrochimie sont envisageables. D après des études réalisées au Japon, il va falloir multiplier par trois la densité énergétique, et augmenter d environ 100% la densité de puissance massique en W par Kg. 5. Les smart grid Les smart grid constituent un autre moyen de faire avancer le taux de pénétration des véhicules électriques et hybrides. 3

4 C est un sujet qui agite beaucoup les acteurs économiques fournisseurs d énergie, les constructeurs et les logisticiens. Il est envisagé d utiliser le réseau de manière bijective, en se servant des batteries de véhicules comme réservoirs tampons. Si les EnR ont une place de plus en plus importante dans le mix énergétique, il faut trouver des modes efficaces de stockage de l énergie produite. Les véhicules pourraient stocker les éventuels excédents de production, et la restituer au réseau. Pour ce faire, il sera essentiel de développer des solutions sophistiquées de reconnaissance du véhicule et sa connexion au réseau. A fortiori, l adéquation optimale entre les véhicules et le réseau permettra d éviter les ruptures s il y a une abondance de batteries à recharger à un moment donné. De plus, la localisation via un système GSM permettrait de dialoguer en direct avec le véhicule, afin d analyser son niveau de charge, de pouvoir renseigner sur les endroits de recharge les plus proches en cas de besoin 6. Conclusion Il y a un changement de paradigme par rapport à la monoculture du moteur thermique. En fait, les solutions les plus pertinentes sont dédiées à un usage particulier, comme le déplacement en ville par exemple. 7. Questions Pierre Criqui, Agrion Par rapport aux solutions évoquées, outre les gains potentiels sur l impact carbone, y a-t-il des gains à court terme possibles pour les véhicules hybrides? Les véhicules hybrides sont une bonne solution, si toutefois ils sont utilisés de la bonne façon. Toyota a été précurseur sur ce créneau, mais n a toujours pas atteint une véritable rentabilité sur ces produits. Il s agit d une technologie complexe, sophistiquée et couteuse. Cela dit, le bénéfice est immédiat car un véhicule fonctionnant en mode électrique en ville n émet pas de pollution. A contrario, dans un mode de fonctionnement autoroutier, le véhicule électrique perd de son intérêt puisqu il se comporte comme un véhicule à moteur thermique ordinaire. Il faut donc prendre en compte l usage fait du véhicule afin de pouvoir se prononcer sur l intérêt ou non de l hybride. Le problème de l hydrogène est directement lié aux contraintes réglementaires. Il s agit d une technologie extrêmement intéressante, qui commence à émerger au niveau professionnel. La pollution est nulle, car les systèmes à hydrogène ne rejettent que de la vapeur d eau. Cependant, les homologations ne concernent que quelques dizaines de véhicules par an. 4

5 En prenant en considération le développement du marché, peut-on envisager ces solutions pour le transport de marchandises? Pour le transport routier, cela ne semble pas rentable car il faudrait embarquer des tonnes de batteries si l on veut avoir une autonomie suffisante. 15% de l énergie consommée par une ville provient du transport de marchandise, qui génère également 25% des émissions polluantes. La gestion des flux est assez calamiteuse, en règle générale, dans les villes. Sur Paris, l on transporte en moyenne 100 Kg de marchandise dans un 3,5 Tonnes. On peut doubler l autonomie d un véhicule en réduisant son poids, ce qui est tout à fait applicable dans le cas des véhicules de voierie, de service, et de transports jusqu à 3,5 Tonnes. Sur les longues distances, le diesel restera la solution la plus intéressante. Philippe Hervy, Aster Capital : Quel est votre avis sur la recharge par induction? J y suis très favorable. C est une technologie très pertinente, et l on commence à voir émerger des propositions dans ce domaine. Toyota considère à terme que c est une solution qui subsistera, notamment par rapport au confort des utilisateurs. En effet, l utilisateur n a pas besoin de faire une manipulation particulière, il se contente de se positionner à proximité d un endroit de recharge. Quoiqu il en soit, le rendement est légèrement dégradé par ce mode opératoire. On constate une perte énergétique de l ordre de 5%. L un des défis majeurs à relever est le problème de la normalisation, car les constructeurs ne sont pas capables de se mettre d accord sur les mêmes standards. Cela prend du temps, mais va se disséminer petit à petit. Dominique Lecroc, Solvay : Les piles à combustible sont une technologie pertinente si l hydrogène ne génère pas un impact carbone. L hydrogène n existant pas à l état naturel, il faut le fabriquer. L idéal serait alors d avoir comme source d énergie des EnR, mais l industrie n en n est pas encore à ce niveau. 5