Va-t-on assister à une électrification

DEMAIN DES AUTOROUTES ÉLECTRIFIÉES POUR DES VOITURES TOUT ÉLECTRIQUES par Brieuc BOUGNOUX Consultant Enerdata L énergie filaire pourrait équiper les grandes autoroutes françaises permettant ainsi une électrification du transport. Cette technologie serait surtout opérationnelle pour les camions, même si les voitures y trouveraient aussi un avantage. Les camions devront s équiper d un pantographe capable de capter cette nouvelle énergie. L investissement ne semble pas disproportionné par rapport aux bénéfices obtenus. Le transport est souvent décrit comme le secteur le plus difficile à sevrer du pétrole, celui en tout cas où les solutions semblent les moins évidentes. Mais la recherche est actuellement foisonnante. L électrification des autoroutes semble une piste résolument intéressante! Va-t-on assister à une électrification croissante de nos modes de transport? Ce scénario constitue une évolution souhaitable de notre modèle énergie-transport. On connaît déjà le TGV, le tramway ou le métro, fonctionnant tous à l électricité, et qui ont plutôt un avenir prometteur. Le Grenelle de l Environnement a notamment décidé la construction de 2000 km de lignes TGV en France. Qu en est-il du transport individuel, représenté notamment par la voiture, qui reste aujourd hui à l écart de la fée électricité puisque reposant exclusivement sur des carburants pétroliers (essence et diesel)? Malgré les avantages indéniables de ces carburants, le monde de l après pétrole viendra, plus d ailleurs en raison des émissions de CO 2 responsables du réchauffement climatique que de la ressource pétrolière ellemême dont la raréfaction ne devrait pas être encore très sensible avant 2030. Il existe un premier courant de pensée suggérant de basculer massivement le transport individuel vers les transports en commun. Les transports en commun ont en effet la capacité à rouler à l électricité ou à intégrer des technologies plus sophistiquées permettant d atténuer leur impact environnemental (bus à gaz, bus hybride ). C est la façon radicale de régler le problème. Toutefois, cette thèse du basculement massif est loin d être réaliste. Même si la part de marché du transport en commun augmente en France, cet accroissement reste modeste et surtout se fait au prix d efforts financiers de plus en plus importants consentis par les Collectivités, lesquelles sont de plus en plus endettées. Offrant trop d avantages, le transport individuel reste et restera très fortement plébiscité par les Français. Dans beaucoup de situations, le transport individuel est le meilleur pour proposer des déplacements de porte à porte, en des temps relativement courts, et pour un coût finalement acceptable. C est un avantage certain quand un Français sur deux vit dans une maison individuelle et n a pas forcément un arrêt de bus à sa porte. L émiettement des temps de travail et de loisirs est un autre facteur favorable au transport individuel, et cette tendance se poursuivra. Si le basculement massif sera difficile, un autre courant de pensée cherche donc plutôt à rendre le transport individuel plus vertueux sur le plan environnemental. Bien que cette piste ait aussi des écueils, elle pourrait toutefois être plus réaliste à terme. Dans la panoplie des solutions émergentes, le véhicule électrique aura certainement un rôle à jouer, même si ce véhicule a au moins deux défauts: premièrement il n est pas Transports, n 462, juillet-août 2010 1

FIGURE 1: Progrès des batteries en terme de densité et de coût adapté aux longs trajets, deuxièmement il n apporte pas de solutions aux poids lourds. L autoroute électrifiée vient pallier ces carences. Qu en est-il exactement? 2 I. LES TROIS PRINCIPALES ALTERNATIVES À LA VOITURE À ESSENCE: LE VÉHICULE ÉLECTRIQUE, LE VÉHICULE À HYDROGÈNE, LES BIOCARBURANTS Aujourd hui, il existe en gros trois candidats au remplacement de la voiture thermique à essence: le véhicule électrique, le véhicule à hydrogène et le véhicule utilisant des biocarburants. Une littérature abondante décrit ces technologies avec leurs forces et faiblesses respectives. Pour résumer très rapidement, disons que la voiture actuelle avec son moteur thermique a encore de beaux jours devant elle, et que ces motorisations alternatives ne devraient pas avoir un impact fort avant 20 ou 30 ans au mieux. Avec un bémol pour le véhicule électrique qui pourrait prendre une part de marché significative plus tôt. Aujourd hui, le véhicule électrique suscite indiscutablement de l intérêt de la part des constructeurs automobiles. Des lancements commerciaux sont annoncés, certes ils ne sont pas tout à fait nouveaux (Peugeot avait par exemple lancé au milieu des années 1990 une 106 electric), mais ils sonnent aujourd hui plus crédibles. De fait, les atouts du véhicule électrique sont nombreux et se sont renforcés ces dernières années: la difficulté de stocker suffisamment d énergie dans les batteries cristallise encore la plupart des critiques sur le véhicule électrique, qui plus est dans une voiture où l espace est réduit. Mais sur ce point, les choses progressent, contrairement à ce que l on entend parfois. Ainsi, les nouvelles batteries au lithium-ion ont des performances au moins deux fois meilleures que l ancienne Source: rapport Syrota génération de batterie au nickel-cadmium. Aujourd hui, une voiture électrique a besoin d environ 100 kg de batterie lithium-ion pour parcourir 100 km, quand hier, il en fallait le double (voir figure 1). Bien sûr les progrès devraient se poursuivre; Source: Enerdata le moteur électrique est très performant puisque son rendement dépasse les 90%, quand celui du moteur thermique tourne autour de 25%. C est cette forte différence de rendement qui explique que certains ingénieurs, au démarrage de l industrie automobile, avaient préféré le moteur électrique au moteur thermique. Rappelons que la première voiture à battre le record de vitesse des 100 km/h a été une voiture électrique (la jamais contente), le 1 er mai 1899. Bien sûr, c est en raison du carburant utilisé, le pétrole, que le véhicule thermique a finalement pris le dessus. Le carburant liquide dérivé du pétrole est en effet le seul à être si dense, si facile à stocker, si rapide à libérer son énergie, et si bon marché. Aujourd hui, c est ce fameux carburant qui est sur le banc des accusés puisqu étant fossile, il est responsable du réchauffement climatique en libérant lors de sa combustion le fameux CO 2 ; indubitablement, l électricité est une énergie d avenir. Tous les exercices de prospective montrent que la part de l électricité dans le bouquet énergétique va croître; le mouvement a d ailleurs déjà commencé. Aujourd hui, le nucléaire et l hydraulique sont deux technologies permettant de produire massivement de l énergie électrique sans émission de CO 2. Ces deux technologies ont évidemment un grand avenir. Demain, les énergies renouvelables comme l éolien et le solaire auront vocation à devenir des énergies de masse à leur tour, en se substituant progressivement aux pétrole, gaz et charbon, et là encore l énergie produite est de l électricité (voir figure 2,). FIGURE 2: Part de l électricité dans la consommation d énergie finale Transports, n 462, juillet-août 2010

L existence d un parc de véhicules électriques pourrait améliorer significativement le fonctionnement de notre réseau électrique, dont RTE en France a la responsabilité, et dont on entend parler lors des vagues de froid. Ce point est plus technique, mais non moins important. En effet, un parc de véhicules électriques permettrait de mieux répartir, au cours d une journée type, notre consommation d électricité, c est-à-dire le fait que nous consommons beaucoup à certaines heures de la journée, et peu à d autres. Cette différence est pénalisante; elle nous oblige notamment à construire des centrales électriques qui fonctionnent uniquement deux ou trois heures par jour, ce qui est loin d être optimal d un point de vue économique. En plus, ces centrales de pointe utilisent des énergies carbonées comme le gaz qui pénalisent notre bilan CO 2. En rechargeant les véhicules électriques la nuit, le réseau pourrait trouver ce fameux débouché qu il cherche. Par ailleurs, certains experts espèrent également que le système pourrait fonctionner dans les deux sens. Ainsi, les batteries des véhicules prendraient le courant quand il est disponible sur le réseau (notamment la nuit) et en rendraient une partie aux heures de pointe, lorsque le réseau est en tension. En dépit des progrès réalisés, la faible autonomie du véhicule électrique reste son principal point faible. Les promoteurs de cette technologie répondent qu il n est pas nécessaire de disposer dans un véhicule d une réserve d énergie permettant de rouler 800 km alors qu environ 90% des déplacements quotidiens ne dépassent pas 40 km! Même si elle est juste, cette réponse ignore le fait que nous aimons avoir un véhicule unique capable de tout faire, de la circulation urbaine comme de la grande route. C est pourquoi aujourd hui les ingénieurs travaillent à des solutions permettant d augmenter l autonomie du véhicule électrique. Quelles sont-elles? II. LES SOLUTIONS POUR AUGMENTER L AUTONOMIE DES VÉHICULES ÉLECTRIQUES Aujourd hui, il existe quatre solutions permettant d augmenter sensiblement l autonomie du véhicule électrique, ou plutôt trois + une. Les trois premières solutions apportent en effet une réponse à la seule voiture individuelle, alors que la quatrième solution intéresse surtout les poids lourds. La solution consistant simplement à augmenter le nombre de batteries au sein du véhicule n est pas discutée car elle n est pas compétitive en raison du coût des batteries. Ces quatre solutions sont les suivantes. A Le changement du pack batterie dans les stations-service C est le modèle imaginé par Renault-Nissan pour Israël dans son projet «Better place». Plutôt que d appartenir au propriétaire de la voiture, les batteries sont louées pour environ 100 par mois (qui intègrent a priori la fourniture d énergie). Le contrat de location prévoit de pouvoir changer le pack batterie dans une station-service en cas de besoin. Le changement d un pack batterie prend moins de cinq minutes, soit à peu près autant que le remplissage de son réservoir d essence. Cette solution est très intéressante; elle nécessite toutefois une bonne couverture géographique des stations-service proposant ce service, ce qui est plus facile à réaliser dans un pays de taille modeste comme Israël qu en France. B La recharge rapide des batteries Certaines technologies sont actuellement développées pour permettre une recharge rapide des batteries. Au lieu de prendre plusieurs heures, il pourrait être possible de recharger partiellement ses batteries en une vingtaine de minutes, le temps d un arrêt sur autoroute. Toutefois, la charge rapide détériore les performances des batteries, aussi il est déconseillé d y recourir trop souvent. Mais cette solution pourrait justement s accommoder avec le fait que les déplacements longs sont précisément rares. C Le range extender Le range extender est un générateur d appoint produisant de l électricité et utilisé uniquement lors des longs déplacements, ainsi les batteries sont rechargées en continu. Le range extender peut être logé sous le capot, dans le coffre de la voiture, ou même être tiré comme une petite remorque (voir photo). Le range extender utilise une énergie liquide ou gazeuse plus dense que l électricité. Il peut être typiquement un groupe électrogène s il fonctionne à partir de biocarburants, ou une pile à combustible s il utilise de l hydrogène. Dans cette configuration, l autonomie de la voiture électrique pourrait passer de 200 km à 500 km environ. Plutôt que d équiper d un range extender toutes les voitures en série, ce dernier pourrait être loué en cas de besoin pour mieux amortir son coût. D L électrification des autoroutes Ce concept n intéresse que les poids lourds, pour les voitures individuelles, l équation économique apparaît introuvable, sinon très difficile. L impact des poids lourds n est pas négligeable, ils représentent en France 25% environ de l énergie consommée dans le transport routier. Transports, n 462, juillet-août 2010 3

Le transport de marchandises reposant sur les camions présente beaucoup d avantages: il est sans rupture de charge, il est rapide, et son coût est raisonnable L idée est donc de conserver ce système, mais de faire rouler les camions non plus au diesel, mais à l électricité. L électrification des principaux axes autoroutiers permettrait d alimenter les poids lourds en électricité. Cette technologie nécessite d installer, en outre, dans le poids lourd un pantographe qui capte l énergie filaire (comme le fait le TGV), et un transformateur. En dehors des axes autoroutiers, les poids lourds doivent bien sûr avoir une source de propulsion alternative, ce qui semble possible en imaginant une double motorisation. L hybridation des camions pourrait être faite de deux façons. Soit, on pourrait imaginer un camion utilisant l énergie filaire sur autoroute et des biocarburants sur route en le dotant donc d un moteur thermique, en plus de son moteur électrique. Soit, le camion utiliserait l énergie filaire sur autoroute et une énergie hydrogène se convertissant en électricité par le biais d une pile à combustible. Ces deux concepts de camion sont potentiellement intéressants. Le camion à hydrogène peut paraître séduisant dans la mesure où il embarque un seul moteur sous son capot, et non deux comme dans l autre cas, mais en même temps la technologie hydrogène reste relativement complexe, ce qui peut justifier le choix d une double motorisation. III. L ÉLECTRIFICATION DES AUTOROUTES POURRAIT SE JUSTIFIER AUSSI POUR LES VOITURES INDIVIDUELLES Les voitures électriques devraient être assez largement utilisées en ville. Bien sûr, elles doivent se préparer à être également opérationnelles pour des trajets plus longs. Les trois technologies présentées précédemment sont potentiellement toutes intéressantes (changement de pack batterie, recharge rapide des batteries, range extender). Il revient aux industriels et aux pouvoirs publics de les évaluer. Dans deux des trois technologies envisagées (changement de pack batterie et recharge rapide), il devient nécessaire de construire une ligne électrique haute tension le long des autoroutes. Cette ligne alimentera en courant les stations-service qui proposeront, non plus de l essence, mais de l électricité. Aujourd hui, l approvisionnement de ces stations se fait par camions citernes. Si l on veut substituer en équivalent énergie les camions citernes par de l électricité, il est impératif d avoir du «gros fil électrique». Cette infrastructure de transport électrique le long des autoroutes reste, aujourd hui, largement à construire. Les possibilités de rechargement en électricité sur autoroute pourraient d ailleurs ne pas se limiter aux seules stations-service, mais aussi aux aires d autoroutes. Avoir par exemple la possibilité de recharger tous les 20 kilomètres ses batteries pourrait éviter de nombreuses pannes sèches, et serait de nature à rassurer les conducteurs de voitures électriques. La construction d une ligne électrique haute tension sur tout le parcours de l autoroute apparaît donc, dans ce schéma, une nécessité. Les voitures individuelles tireront bénéfice, elles aussi, de cette infrastructure. IV. LES QUESTIONS SOULEVÉES PAR L ÉLECTRIFICATION DES AUTOROUTES Source : Jacques SCHAEFER 4 La technologie caténaire est-elle fiable? Le réseau TGV a connu plusieurs pannes au cours du dernier épisode hivernal. Toutefois, la vitesse du TGV est sans commune mesure avec celle des camions sur autoroute, et c est précisément la vitesse qui est à la source de la majorité des problèmes techniques rencontrés par le TGV. Avec une vitesse plus raisonnable, la technologie caténaire est fiable et connue des ingénieurs depuis plus d un siècle. Pensons aux tramways qui équi- Transports, n 462, juillet-août 2010

paient au début du 20 ème siècle de nombreuses villes européennes. Quel est le coût de l installation des caténaires sur les autoroutes? À titre de comparaison, l électrification des lignes ferroviaires coûte environ 1 M par km. Un des derniers projets réalisés fut notamment l électrification du tronçon entre Tours et Vierzon qui a coûté 107 M pour 123 km. Dans la mesure où les autoroutes sont déjà construites, le coût consiste juste à ajouter une caténaire aérienne. L électrification serait progressive avec, dans un premier temps, l équipement des axes majeurs. Cet investissement doit être comparé avec des solutions alternatives. À titre d exemple, viser un accroissement substantiel du transport ferroviaire apparaît autrement plus coûteux puisque la construction d une ligne TGV vaut au moins 15 M par kilomètre, sans parler du problème des gares et autres nœuds ferroviaires qu il faudrait à terme doubler et dont le coût est potentiellement explosif. Quelle est la rentabilité financière pour l opérateur de l infrastructure et le transporteur routier? Si l A6 entre Paris et Lyon était électrifiée, le coût de cet investissement pourrait avoisiner les 400 M. L infrastructure pourrait accueillir environ 10.000 poids lourds par jour et par sens. En demandant seulement cinq euros par poids lourd pour l infrastructure, la caténaire serait rentabilisée en dix ans. Sans parler des voitures avec lesquelles il devrait être possible de capter un revenu. À cela, il faut ajouter au sein du poids lourd le coût de l installation d un pantographe et d un transformateur électrique. Ces équipements peuvent être estimés à 30.000 (*), à rapporter aux 150.000 qui représentent approximativement le coût d un poids lourd neuf. Ces investissements doivent être comparés avec les économies réalisées sur le carburant. Sur autoroute, un camion consomme environ 30 litres de diesel aux 100 km, ce qui fait 30 d énergie au cours actuel du pétrole. En traction électrique, un camion consommerait environ 130 kwh pour 100 km, ce qui fait 10 d énergie au cours actuel du kwh (cela pourrait même être moitié moins chère la nuit). Sur la totalité du parcours entre Paris et Lyon, le camion s affranchirait donc de 5 pour l infrastructure électrique plus 40 pour la consommation d électricité, soit 45 au total, à comparer à 120 en traction diesel. La différence de coûts est importante, elle permet de financer assez largement les équipements additionnels à installer au sein des poids lourds (pantographe...). Une taxe sur l électricité pourrait être mise en place pour remplacer tout ou partie de la TIPP dont l État serait privée. Cette première estimation du bilan financier semble donc positive. Y a-t-il une autre technologie d alimentation que la technologie filaire? Oui, c est l alimentation par le sol. Le tramway de Bordeaux l a expérimentée (avec quelques déboires techniques il est vrai). Aujourd hui certains ingénieurs considèrent que cette technologie a de l avenir. Il pourrait être alors possible d alimenter les voitures individuelles, et non les seuls poids lourds. Toutefois, il semble aujourd hui difficile de faire de la prospective à propos de cette technologie. Quelle serait la rentabilité économique d un tel système? Avoir un système de transport utilisant une énergie que l on sait produire n aurait pas le même impact, pour notre économie, qu un système de transport utilisant une énergie importée, en l occurrence du pétrole. Chaque euro importé est un euro perdu pour notre économie. Rappelons que nos importations de pétrole nous coûtent chaque année environ 50 Md ; c est à peu près le déficit de notre balance commerciale. Les modèles économiques montrent qu en substituant une importation par une production nationale, l effet stimulant sur notre économie est significatif. Quelle serait la rentabilité environnementale d un tel système? Un système de transport massivement électrifié apporterait une solution au problème des émissions de CO 2 et du réchauffement climatique. Certes la production d électricité n est pas totalement exempte d émissions de CO 2, même si en France avec le nucléaire, nous n en sommes pas loin. À long terme en tout cas, l électricité sera incontestablement une énergie de plus en plus «décarbonée». Dans le cadre de la lutte contre le réchauffement climatique, il faut identifier les investissements ayant le meilleur ratio coût-efficacité. Les économistes considèrent que 400 la tonne de CO 2 évitée est une limite à ne pas dépasser. En reprenant l exemple de l A6 entre Paris et Lyon, une première estimation montre que l électrification des autoroutes pourrait avoir un ratio coût-efficacité assez nettement en dessous de cette limite Pour aller plus loin: http://www.envintive.com/ : site détaillant le concept de l autoroute électrifiée. http://www.scienceaction.asso.fr/fichiers/urishn-11 2007.pdf une lettre de l Union Régionale des Ingénieurs et Scientifiques de Haute Normandie. (*) On pourra notamment se référer aux travaux de Jacques Schaefer: http://www.envintive.com/ Transports, n 462, juillet-août 2010 5