U N I O N D E S P R O F E S S E U R S D E P H Y S I Q U E E T D E C H I M I E 719 Les voitures électriques

U N I O N D E S P R O F E S S E U R S D E P H Y S I Q U E E T D E C H I M I E 719 Les voitures électriques par 78310 Maurepas michel.meallet@orange.fr RÉSUMÉ Pourquoi se poser des questions sur les voitures électriques? Les transports consomment une quantité importante d hydrocarbures (principalement issus de combustibles fossiles) et rejettent donc une grande quantité de dioxyde de carbone. Pour mettre en place un développement plus durable, il faut trouver une alternative aux modes de transport actuels. Dans les médias, une solution est souvent donnée comme «la solution propre», c est la voiture à moteur électrique, elle fait rêver! Ce document voudrait montrer, en posant le problème, que les choses sont bien plus compliquées. L étude de l ensemble de la chaîne énergétique complète montre que si la voiture électrique peut dans certains cas être l une des solutions, elle n est absolument pas «la solution», elle n est ni plus propre, ni plus économe que les autres, elle peut même être parfois plus «sale»! On examinera rapidement les conséquences des différentes solutions envisagées pour le transport. L ensemble des considérations abordées se situe au niveau des programmes du lycée. L article voudrait aussi montrer que la rigueur d une analyse scientifique est parfaitement adaptée à l analyse d un problème de société ; elle est sans doute, même, indispensable! 1. QUE FAUT-IL À UNE VOITURE POUR ROULER? Pour rouler, toutes les voitures ont besoin d énergie. Il faut vaincre les frottements (sol, air et à l intérieur même de la mécanique), il faut acquérir de l énergie (cinétique à l accélération et d altitude dans les côtes) et cette énergie est en général perdue au cours du freinage et à la descente ; enfin, il faut éclairer la nuit, chauffer l hiver, climatiser en été, etc. En général, l énergie est transférée sous forme de chaleur par la combustion d un carburant (diesel ou essence). Ce procédé comporte deux inconvénients majeurs (en plus de tous les autres dont il faudrait parler) : la combustion rejette du CO 2 (dioxyde de carbone) et elle consomme du pétrole qui s épuise. Cependant, ce mode de propulsion «thermique» a fait ses preuves, il est fiable et d un coût acceptable. Un autre mode de propulsion fait rêver : le moteur électrique ; il est silencieux et il n a besoin «que» d électricité pour fonctionner Mais qui fournit cette électricité? Le secteur pour les trains, métros, tramways et assimilés et les batteries pour le type de voitures Vol. 103 - Juillet / Août / Septembre 2009

720 U N I O N D E S P R O F E S S E U R S D E P H Y S I Q U E E T D E C H I M I E électriques dont nous allons parler ici. La difficulté est que les batteries s épuisent vite, il faut les «recharger» (tous les 150 à 250 km aujourd hui) et la seule source est de nouveau le secteur (1). En conclusion, les voitures électriques doivent faire le plein chez EDF (ou un concurrent!), alors que les voitures thermiques le font chez Total, Shell ou un autre. Pas grave direz-vous, on est indépendant du pétrole et on ne rejette plus de CO 2, que demander de mieux! Voire, ce n est pas si simple! 2. LA CONSOMMATION DES VOITURES Nous allons prendre comme base une voiture moyenne (C3, C4 ou bien Clio, Mégane), car les voitures électriques prêtes à être commercialisées appartiennent majoritairement à cette catégorie Pour un moteur diesel, on a des consommations voisines de cinq à six litres aux cent kilomètres. Converti en kilowattheure (kwh) pour comparer à la traction électrique, cela donne dans les 60 kwh/100 km (2). Une petite voiture électrique se contente d un peu moins de la moitié : 25 kwh/100 km et évidemment plus pour une voiture moyenne. Pour le coût aux cent kilomètres : le diesel coûte entre cinq et six euros ; le moteur électrique, lui, entre deux et quatre euros suivant l abonnement souscrit. Avantage très net à l électrique 3. L AUTONOMIE Avec un plein, on fait largement plus de mille kilomètres avec une voiture roulant au diesel. L autonomie d une voiture électrique est au maximum de deux cent cinquante kilomètres, si on roule de jour, sans faire fonctionner le chauffage ou la climatisation! Le temps pour faire un plein est également en faveur du diesel : deux ou trois minutes, mais quelques heures (très souvent cinq) pour recharger les batteries d une voiture électrique. Avantage très net au diesel Les deux cent cinquante kilomètres d autonomie sont même rédhibitoires pour une voiture familiale, et les départs en vacances (3)! (1) Nous parlerons à la fin, des voitures dites hybrides (des constructeurs en proposent à la vente dès aujourd hui ; elles n ont pas besoin de recharger leurs batteries). (2) La combustion de 1 L de gazole dégage en moyenne (cela dépend du type de carburant) un peu plus de 10 kwh d énergie sous forme de chaleur. (3) On propose une astuce : faire un «échange» de batterie dans un garage c est possible, mais l investissement à grande échelle sera très important. Les recherches menées permettent d espérer une autonomie plus importante d ici à dix ans. Les voitures électriques Le Bup n o 916

U N I O N D E S P R O F E S S E U R S D E P H Y S I Q U E E T D E C H I M I E 721 4. LA «VRAIE» CONSOMMATION D UNE VOITURE ÉLECTRIQUE La voiture électrique «cache» son jeu! Pour l utilisateur, elle semble plus sobre, mais en fait il n en est rien. En effet, il faut produire l électricité. Le plus souvent, c est fait dans une «centrale» thermique : nucléaire pour 85 % en France et 15 % dans le Monde ; classique (fuel, charbon, gaz) pour 7 % en France et 70 % dans le Monde. Or le rendement de toutes ces centrales est de l ordre d un tiers, c est-à-dire que pour avoir 1 kwh électrique, il a fallu fournir 3 kwh de chaleur Il faut aussi tenir compte des pertes en ligne (7 % en France). Cela veut dire que notre voiture électrique, pour cent kilomètres, ne consomme pas 25 kwh mais plus de 75 kwh! Avantage au diesel 5. LES REJETS DE CO 2 Tout dépend du pays : en France, leader mondial en pourcentage d électricité nucléaire, le rejet de CO 2 est bien moindre pour une voiture électrique. Mais lorsque l électricité est produite par une centrale thermique classique, le rejet de CO 2 est supérieur pour une voiture électrique. De plus, dans la majorité des pays, les centrales thermiques fonctionnent au charbon (40 % sur les 70 % cités plus haut) et là, le bilan CO 2 est encore plus catastrophique, car le charbon rejette beaucoup plus de CO 2 que le fuel ou le gaz. Dans la situation actuelle, on pourrait en France, pour limiter les rejets de CO 2, privilégier la voiture électrique. Mais on sait que l industrie automobile est mondialisée et nous aurions sans doute bien du mal à exporter nos modèles, même en Europe : comme la dépendance vis-à-vis des centrales thermiques classiques reste très forte, le bilan carbone au niveau mondial, comme nous le verrons plus loin (4), serait catastrophique. Il ne faut pas oublier que les pays signataires de Kyoto se sont engagés à réduire leurs émissions de CO 2 (en tout cas, à les ramener 5 % en dessous du niveau de 1990). Toutes ces considérations exposées dans les paragraphes précédents sont fondées sur la situation actuelle et pourront être modifiées dans le futur, mais sûrement pas à court terme et sans doute assez peu, à moyen terme. Elles conduisent le plus souvent à donner pour aujourd hui l avantage au diesel Il reste, pour mieux cerner le problème, à faire un bilan quantitatif. (4) Voir au paragraphe 7 les quantités de dégagés dans les différents cas. CO 2 Vol. 103 - Juillet / Août / Septembre 2009

722 U N I O N D E S P R O F E S S E U R S D E P H Y S I Q U E E T D E C H I M I E 6. QUELQUES CHIFFRES : CONSOMMATION D ÉNERGIE FINALE EN FRANCE EN 2007 EN Mtep (5) En 2007, en France, les différents «vendeurs» d énergie ont fourni à l industrie et aux particuliers 162 Mtep d énergie. Vous trouverez dans le tableau 1 un résumé (6). Consommation finale Charbon Pétrole Gaz En Mtep 7 71 35 En % 4 44 22 Cette énergie a été consommée dans différents secteurs définis traditionnellement par : l industrie et la sidérurgie ; le résidentiel-tertiaire : habitations, bureaux et administrations ; l agriculture ; les transports en général. Électricité thermique * 37 23 Énergies renouvelables ** 12 7 Total 162 100 * Comprend l électricité d origine thermique (nucléaire et classique) et la géothermie. ** Comprend l hydraulique, le bois énergie (à eux deux, ils font la quasi-totalité) et les énergies renouvelables traditionnelles (solaires et éolien). Tableau 1 La répartition est donné dans le tableau 2. Les points importants sont : Les transports constituent avec 52 Mtep, le deuxième poste de consommation, le seul qui continue à progresser, Consommation finale Sidérurgie, industrie Résidentiel tertiaire Agriculture Transports En Mtep 37 70 3 52 En % 23 43 2 32 alors que les autres Total 162 100 stagnent ou régressent (le transport routier Tableau 2 représente 45 Mtep, le rail ne représente que 2 Mtep et l aérien 5 Mtep environ). Les voitures particulières représentent un peu plus de la moitié, soit 25 Mtep. La production d électricité, toutes origines confondues, est de l ordre de 45 Mtep. Les transports tirent leur énergie en gros à 80 % des énergies fossiles. Pour notre étude, on voit que le transport routier «demande» 45 Mtep d énergie en (5) Mtep = million de tonnes équivalent pétrole, unité choisie pour comparer les énergies entre elles. (6) Les données sont tirées des tableaux du ministère des Finances et de l Industrie. Les voitures électriques Le Bup n o 916

U N I O N D E S P R O F E S S E U R S D E P H Y S I Q U E E T D E C H I M I E 723 gasoil ou essence. La propulsion électrique des mêmes véhicules ne demanderait «que» 20 Mtep d électricité au secteur (cf. paragraphe 2). Or la production totale d électricité (thermique plus le reste) se situe aux environs de 45 Mtep. Autrement dit pour satisfaire les transports avec des véhicules électriques, on aurait besoin de la moitié des centrales en fonctionnement. Celles-ci ne sont pas loin de fonctionner à plein (le taux de charge est de l ordre de 80 à 85 %). Comme il est impossible de se priver de la moitié des centrales en fonctionnement, il faut entreprendre la construction à marche forcée de nouvelles centrales La construction en France du premier EPR (European pressurized reactor) débute avec difficulté, le deuxième est dans les limbes, il en faudrait une vingtaine Si on souhaite développer massivement les voitures électriques, il faudra, soit réduire drastiquement la consommation électrique dans les autres domaines, soit développer des centrales en grand nombre 7. COMPARAISON ENTRE LES DIFFÉRENTS CHOIX POSSIBLES ET LEURS CONSÉQUENCES Le bilan de cette étude semble défavorable à la voiture électrique. N est-il pas manichéen? Dans l hypothèse d un transport inchangé, si on ne veut pas développer massivement les centrales nucléaires, la seule alternative est la production d électricité par les énergies renouvelables. Peuvent-elles convenir? Pour tenter de montrer les termes de l alternative, posons le problème de la façon concrète suivante : nous voulons faire parcourir cent kilomètres par jour à notre voiture de référence Si c est le modèle diesel, il lui faut 60 kwh sous forme de gazole (6 L). Le fonctionnement rejettera 15 kg de CO 2 dans l atmosphère. Si c est le modèle électrique, il lui faut 25 kwh sous forme d électricité. Celle-ci peut être produite par exemple par : une centrale type EPR qui ne rejettera pratiquement pas de CO 2 dans l atmosphère ; mais c est un dispositif très complexe et il produit des «déchets» radioactifs. Une centrale EPR permettrait «d alimenter» en moyenne la recharge de 1,2 million de voitures identiques à la nôtre, soit environ 4 % du parc national une centrale au fuel, dont la combustion (7,5 L) devra fournir 75 kwh de chaleur ; Vol. 103 - Juillet / Août / Septembre 2009

724 U N I O N D E S P R O F E S S E U R S D E P H Y S I Q U E E T D E C H I M I E elle rejettera 21,5 kg de CO 2 dans l atmosphère ; une centrale au charbon, dont la combustion (9 kg) devra fournir 75 kwh de chaleur ; elle rejettera 33 kg de CO 2 dans l atmosphère ; des cellules photovoltaïques : sous nos latitudes, il faut en moyenne (dans l espace et dans le temps) une surface de panneaux voisine de 55 m 2 orientés au Sud. Il faut en plus, une série de batteries qui se chargent le jour pour recharger notre voiture la nuit ; si on accepte «d échanger» du courant avec EDF (qui est obligé de le racheter aujourd hui), on peut se passer des batteries! une éolienne de 80 m de haut, d une puissance de 1 MW fonctionnant en continu pourrait «alimenter» en moyenne la recharge de deux cents voitures identiques à la nôtre (7). Dernières constatations : la totalité de la production actuelle d électricité d origine éolienne en France permettrait «d alimenter» en moyenne la recharge de quatre cent quarante mille voitures identiques à la nôtre, soit 1,4 % du parc national la totalité de la production actuelle d électricité d origine photovoltaïque en France permettrait «d alimenter» en moyenne la recharge de huit cents voitures identiques à la nôtre, soit 0,003 % du parc national On voit donc le chemin à parcourir pour faire rouler des voitures électriques sans rejeter plus de CO dans l atmosphère que les voitures actuelles (8) 2! Mais, on voit aussi, que rien n est impossible : implanter des éoliennes et des panneaux photovoltaïques en nombre suffisant n est sans doute pas plus fou ou compliqué que de construire des EPR à la chaîne ou bien que de travailler pour la production future de la fusion avec ITER (International thermonuclear experimental reactor). La voiture électrique n est donc pas «indigne», mais elle n est pas la panacée, comme elle est trop souvent présentée. Comme pour toutes les questions liées à l énergie, l énergie la moins chère et la moins polluante est celle que l on ne consomme pas. (7) Pour ne pas alourdir le texte, les calculs ne figurent pas dans le corps de l article. Ils sont assez simples et peuvent être faits à partir des données des constructeurs de cellules photovoltaïques ou d éoliennes disponibles sur le net. (8) La Directive européenne relative à la promotion de l utilisation de l énergie produite à partir de sources renouvelables est sur les fonts baptismaux et devrait être adoptée cette année. Aux termes de cette Directive, la France sera tenue de porter la part des énergies renouvelables (encore dites «ENR») à 23 % de sa consommation brute d énergie totale d ici à 2020 (comparés à 10,3 % en 2005), soit une augmentation de production de l ordre de 20 Mtep pour ces énergies! Note de février 2009 Les pourcentages cités plus haut augmenteront donc certainement! Les voitures électriques Le Bup n o 916

U N I O N D E S P R O F E S S E U R S D E P H Y S I Q U E E T D E C H I M I E 725 Le premier travail est donc de développer des moyens de transports plus économes, des structures économiques exigeant moins de transport, des habitudes de vie dans les quelles nous nous transportons moins ou différemment (transports en commun, par exemple)! Mais c est une autre histoire. Sur le plan strictement énergétique, on constate, encore une fois que la solution réside sans doute dans un «mix» énergétique, conjuguant toutes les propositions allant de l énergie nucléaire aux énergies renouvelables incluant un plan volontariste d économies d énergie en tout genre. Le choix de société consiste à placer le curseur d un côté ou de l autre! Quelle quantité de nucléaire, quelle quantité d éolien est-on près à accepter? Cet article n aborde la question que sur le plan scientifique en fonction de l état actuel des techniques relatives aux voitures (moteurs, batteries (9), etc.) et à la production d électricité. Il ne traite absolument pas du coût des installations à réaliser dans les solutions évoquées. Il ne soulève pas la question posée par la construction massive de centrales nucléaires. Il n aborde pas, non plus, les raisons qui poussent le gouvernement actuel à faire une telle promotion de la voiture électrique et certains industriels à suivre (à moins qu ils ne précèdent ) allègrement. Il faudrait aborder aussi la question de la voiture à hydrogène ; c est une alternative plus lointaine (10). Le tout nécessiterait d autres articles. Une dernière remarque : dans le créneau de voitures pris en exemple, que propose le marché actuel? Les deux solutions présentes et les mieux adaptées sont : les petits moteurs diesel (40 à 70 kw) ; les voitures hybrides comme la Prius équipée d un moteur thermique essence de 55 kw et d un moteur électrique de puissance semblable. Elles sont très comparables au niveau consommation et rejet de CO 2. La première est plus rustique, moins chère et convient mieux dans des configurations plus rudes. Elle est encore susceptible d améliorations. Son inconvénient, elle ne constitue pas une rupture technologique, mais une simple évolution dans le bon sens pour le court terme. Pour les petits moteurs, l essence a la cote et le diesel semble plus performant pour les puissances moyennes. La seconde est plus sophistiquée, plus chère et plus urbaine. Elle a le grand mérite de constituer une transition vers les solutions du futur. L industrie française a mis du temps à la considérer à sa juste valeur. En guise de conclusion, voici l avis d un spécialiste des questions d énergie et parti- (9) Les coûts énergétique et financier de la réalisation d un accumulateur mériteraient d être signalés, de même que les matériaux à mettre au point, ainsi que leur durée de vie. (10) L hydrogène peut être utilisé très efficacement pour un moteur électrique avec une pile à combustible à hydrogène. Ce dispositif sera sans doute au point d ici à dix ou vingt ans. Par contre la production d hydrogène non polluante risque d être très longue à voir le jour. Vol. 103 - Juillet / Août / Septembre 2009

726 U N I O N D E S P R O F E S S E U R S D E P H Y S I Q U E E T D E C H I M I E culièrement des énergies renouvelables : D un point de vue stratégique, presque toutes les solutions envisageables à terme pour remplacer les énergies fossiles passent par l électricité (solaire et autres renouvelables, fission, fusion). Le point faible de ce vecteur est le stockage ; la facilité de l assurer avec le pétrole a conduit à négliger l effort technologique sur ce sujet tout au long du XX e siècle. Il va être très difficile de remplacer rapidement le pétrole dans les transports, mais il faut amorcer la transition avec dans l ordre au moins pour une production de masse : le véhicule hybride simple, puis l hybride rechargeable puis, pour plus tard, le véhicule électrique. Dans tous les cas, la maîtrise de la demande (réduction des besoins de mobilité, transfert modal vers le collectif et performance des modules) reste bien la priorité. On retrouve bien les contradictions qu il faudra gérer entre l indépendance vis-à-vis du pétrole et la diminution des rejets de gaz à effet de serre! Le travail immédiat et pendant longtemps doit concerner les économies. Professeur CPGE retraité Militant associatif pour le développement durable Maurepas (Yvelines) Les voitures électriques Le Bup n o 916