par Maxime Lalonde-Filion

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1 ANALYSE DES IMPACTS ÉNERGÉTIQUES ET ENVIRONNEMENTAUX ASSOCIÉS À L'IMPLANTATION MASSIVE DES VÉHICULES HYBRIDES ÉLECTRIQUES RECHARGÉS PAR LE RÉSEAU (PLUG-IN HYBRID ELECTRIC VEHICLE : PHEV) AUX ÉTATS-UNIS ET AU CANADA. par Maxime Lalonde-Filion Essai présenté au Centre Universitaire de Formation en Environnement en vue de l obtention du grade de maître en environnement (M.Env.) CENTRE UNIVERSITAIRE DE FORMATION EN ENVIRONNEMENT UNIVERSITÉ DE SHERBROOKE Sherbrooke, Québec, Canada, octobre 2009

2 IDENTIFICATION SIGNALÉTIQUE ANALYSE DES IMPACTS ÉNERGÉTIQUES ET ENVIRONNEMENTAUX ASSOCIÉS À L'IMPLANTATION MASSIVE DES AUTOMOBILES HYBRIDES ÉLECTRIQUES RECHARGÉS PAR LE RÉSEAU (PLUG-IN HYBRID ELECTRIC VEHICLE : PHEV) AUX ÉTATS-UNIS ET AU CANADA. Maxime Lalonde-Filion Essai effectué en vue de l obtention du grade de maître en environnement (M.Env.) Sous la supervision de Guy Olivier Université de Sherbrooke octobre 2009 Mots clés : PHEV, plug-in hybrid electric vehicle, hybride électrique rechargeable, hybride électrique branchable, voiture électrique, automobile électrique, impacts énergétiques, impacts environnementaux Cet essai vise à analyser les impacts énergétiques et environnementaux de l implantation à grande échelle des voitures hybrides électriques rechargeables par le réseau (PHEV). Une mise en contexte de la situation énergétique et environnementale actuelle est présentée et elle est suivie d un bref historique sur l évolution de l automobile électrique et de la PHEV. Ensuite, une présentation technique de la PHEV est exposée préalablement au modèle d analyse. Grâce à celui-ci, une évaluation des impacts énergétiques et environnementaux est effectuée. De plus, quelques recommandations pour améliorer la situation du modèle sont apportées. Une conclusion complète le travail.

3 SOMMAIRE En ce début de 21 e siècle, le monde de l automobile est à l aube de connaître de grands bouleversements technologiques devenus inévitables. En raison du réchauffement de la planète causé par des émissions trop élevées de gaz à effet de serre de sources anthropiques, un changement s est avéré être une priorité pour les constructeurs automobiles. En ce sens, cet essai tente d analyser les impacts énergétiques et environnementaux de l implantation à grande échelle des hybrides électriques rechargeables par le réseau (PHEV) en Amérique du Nord. La PHEV tire ses origines de deux types de voitures technologiquement différentes que sont la voiture à moteur à essence et l automobile électrique. Contrairement à la croyance populaire, la première arrivée sur le marché est la voiture électrique. À la fin des années 1800, elle était présente sur les routes en plus grand nombre que la voiture à essence. Par contre, au début du 20 e siècle, cette dernière a repris le dessus grâce à son faible coût d achat et à ses meilleures performances dues à son moteur thermique. Par conséquent, l automobile électrique fut presque reléguée aux oubliettes. Malgré tout, son développement s est tout de même poursuivi sporadiquement jusqu aux années 80. Suite à la crise pétrolière de la fin des années 70, la technologie électrique a refait surface. Depuis, malgré des avancées technologiques importantes, la voiture électrique n a jamais réussi à s imposer sur le marché. L implantation d une voiture complètement électrique à fort potentiel de vente pour justifier le démarrage de la production à grande échelle est devenue un projet à très long terme pour la plupart des compagnies. Ainsi, les grands producteurs automobiles ont décidé de se tourner vers la technologie hybride, plus spécifiquement vers les PHEV. Ces dernières ont l avantage de pouvoir assurer des déplacements 100 % électrique à condition que la distance quotidienne à parcourir ne soit pas trop élevée. Elles peuvent disposer d une autonomie aussi élevée que celles des voitures à essence grâce à un moteur à essence d appoint. Il s agit donc de la technologie sur laquelle misent les constructeurs à court terme. Un modèle d analyse théorique a été créé afin de pouvoir évaluer les impacts énergétiques et environnementaux de l implantation de la PHEV. Dans celui-ci, il a tout d abord fallu déterminer le nombre de PHEV en circulation, les caractéristiques de la voiture choisie et donc, sa consommation électrique pour une recharge. Ainsi, 8 % du nombre total de véhicules actuellement sur les routes d Amérique du Nord seront présumés être des PHEV. i

4 Cela correspond à environ véhicules aux États-Unis et au Canada. Le véhicule de référence est la Volt de GM. En connaissant le nombre de PHEV sur la route, il est devenu possible de calculer la quantité d électricité nécessaire à la recharge de l ensemble des véhicules. La consommation nécessaire pour assurer une recharge du niveau de l accumulateur de 20 % à 100 % étant connue, la consommation totale peut être calculée pour chaque État américain et province canadienne. Un schéma de recharge a aussi été établi. Le modèle prend comme hypothèse que la recharge des accumulateurs s effectuera durant la nuit sur des prises 120V/15A et qu il faut 14,7 kwh afin de compléter une recharge de 20% à 100% de l accumulateur lithiumion de la Volt. Par après, la capacité de production de chacun de ces territoires a été déterminée. Afin de simplifier l analyse, les importations et exportations d électricité n ont pas été prises en compte puisque nous nous en sommes tenus à la production réelle de chaque État ou province. Ces données ont permis d effectuer la comparaison entre la demande anticipée et la production réelle. Par conséquent, on peut obtenir le pourcentage de la production totale qui sera consommée par les PHEV. Par la suite, une analyse de l impact énergétique a été réalisée. La demande anticipée a été comparée à la marge de manœuvre des régions du North American Electric Reliability Council (NERC), qui englobe l ensemble des États américains et des provinces canadiennes. Malgré que les importations et les exportations n aient pas été prises en compte précédemment, elles sont comptabilisées à l intérieur de ces régions. Cette marge de manœuvre indique donc le pourcentage encore disponible et non utilisé de la production théorique qu il est possible d atteindre dans chacune de ces régions. La demande anticipée représente généralement entre 1 % et 2 % de la production totale d un État ou d une province. La marge de manœuvre la plus faible est de 12.1 % alors que la moyenne estivale est de 16 %. Les réseaux électriques sont donc en mesure d absorber la demande anticipée. Les marges de manœuvre hivernales étant encore plus élevées, nous ne prévoyons aucun problème. Du côté environnemental, les méthodes de production d électricité de chaque État et province et leurs ratios par rapport à la production totale ont été identifiés. Ainsi, en connaissant les émissions de chaque méthode de production, les rejets atmosphériques totaux ont été calculés. Ceci a été effectué pour trois distances journalières différentes, soit 40 miles (65 km), 60 miles (98 km) et 80 miles (128 km). Ces distances correspondent aux ii

5 informations disponibles concernant la consommation de la Volt. Pour chacune de ces distances, les émissions totales de CO 2, de SO 2 et de NO x ont été calculées afin de comparer les deux technologies. Les résultats obtenus correspondent à des émissions de CO 2 plus faibles pour la PHEV, pourvu que le trajet journalier ne dépasse pas 96 km au Canada et 120 km aux États-Unis. Concernant le SO 2, grand responsable des plus acides, et les NO x, polluants primaires de pluies acides et du smog urbain, les émissions de la PHEV sont plus élevées. Cependant, la PHEV présente malgré tout des avantages. Elle permet entre autres de retirer ces polluants des centres-villes des grandes métropoles et de les concentrer aux centrales productrices d électricité. À ces endroits, il est plus facile de prendre des moyens afin de diminuer les émissions. En conclusion, l analyse du modèle a démontré que la production actuelle d électricité aux États-Unis et aux Canada est suffisante pour répondre à la nouvelle demande telle que simulée par le modèle. De plus, la PHEV amène une réduction des émissions de CO 2, ce qui répond à un urgent besoin pour le domaine automobile. Malgré que les émissions de SO 2 et de NO x soient plus élevées, il y a des avantages non négligeables à les concentrer en dehors des centres-villes, notamment parce qu il s ensuit une amélioration de la santé publique induisant une réduction des coûts en soins de santé. iii