Voiture électrique

Article en cours de création

Contexte général

Introduction

Les problématiques liées à notre consommation en énergie sont de plus en plus récurrentes. Nos transports et déplacements quotidiens ne font pas exception. Dans un souci de faire face à la diminution des réserves de pétrole prévues dans les prochaines décennies et aussi à la pollution que le carburant génère au travers son utilisation , les chercheurs et industriels se penchent de plus près sur de nouvelles alternatives au véhicule diesel classique. Des études ont permis de mettre en évidence que la proportion dans laquelle les transports étaient impliqués dans notre utilisation de l’énergie n’était pas des moindres : en France le pétrole et le gaz représentent à eux seuls 68% de l’énergie finale consommée, les transports utilisant près du tiers de cette énergie (51Mtep de l’énergie finale pour 16 Mtep utile, l’écart étant dû au rendement des moteurs).

Malgré les bonnes volontés il sera difficile de nous défaire de notre dépendance à l’énergie pétrolière dans les prochaines années. Néanmoins il nous est d’ors et déjà possible d’agir en vue de réduire et minimiser l’impact de nos déplacements et particulièrement sur de courtes distances. A cet effet, l’implantation des véhicules électriques sur le marché est intéressante. Comme nous le démontrerons tout au long de ce rapport, les VE (véhicules électriques) sont beaucoup plus propres que les diesels durant leur utilisation, même si cette phase à elle seule ne suffit pas à justifier d’un bilan carbone complet. Il s’agit également dans ce cas de prendre en compte les phases de fabrication et recyclage des batteries….et aussi du moyen employé pour les phases de recharges.

Nous verrons donc dans l’étude comment pallier à ce problème au travers des applications photovoltaïques intégrées. En combinant ces deux énergies , il nous est possible de faire face aux enjeux auxquels nous sommes confrontés et d’ouvrir la voix aux innovations et améliorations des véhicules électriques pour les années à venir de manière à faire de ceux-ci une alternative solide et définitive au véhicule diesel classique.

Un nouveau défi dans lequel l’Europe s’est déjà lancée : ainsi l’Allemagne se fixe pour objectif d’atteindre un million de véhicules électriques sur son marché d’ici 2020. Le constructeur français Renault envisage quant à lui et à la même échéance de faire des véhicules électriques 10% de ses ventes.

Présentation du véhicule électrique

Description

Le véhicule électrique est constitué d’une batterie pour stocker l'énergie (2), d’un moteur à courant continu (4) avec un système de contrôle (3) et un chargeur de batteries (1). La fiche de raccordement, à l’image d’une prise de courant classique permet de recharger les batteries via le réseau électrique. Les batteries débitent l’énergie nécessaire au fonctionnement du (ou des) moteur qui sont reliés aux roues motrices. L’interface électronique (de type hacheur voir onduleur dans certains cas) permet d’assurer les fonctions de contrôle, gestion et régulation de la puissance mise en jeu.

Bilan comparatif d’un véhicule électrique avec un classique diesel :

TABLEAU COMPARATIF

La configuration d’un véhicule électrique peut différer en trois catégories. Ainsi on distingue les « tout électrique » des « hybrides » ou encore des « hybrides rechargeables ». Par hybride on entend une assistance électrique des moteurs à essence. En somme il ne s’agit pas d’un véhicule 100% électrique mais qui combine à la fois les deux énergies afin de réduire sa consommation. Ce dernier type de moteur représente à l’heure actuelle le meilleur compromis en matière d’efficacité et écologie en raison de la problématique des batteries.

Bilan Carbone

L’un des avantages majeurs du véhicule électrique est qu’il ne produit aucune source de CO2 lors de son utilisation contrairement à un diesel classique. Néanmoins même si cette phase se veut très satisfaisante d’un point de vue écologique, il s’agit également de prendre en compte d’autres facteurs pour dresser son bilan carbone dont essentiellement la phase de fabrication et recyclage des batteries, et aussi le type d’énergie utilisé pour leur recharge. De ce fait le bilan carbone d’un véhicule peut différer en fonction de la technologie utilisée mais aussi d’une région à une autre (politique énergétique).

Bilan carbone du véhicule électrique détaillé sur la zone européenne :

La France est l’un des pays dont le mix énergétique est le moins polluant. L’énergie nucléaire étant encore le fer de lance de la production d’électricité, il en résulte que le bilan carbone des véhicules électriques se trouve très satisfaisant…et donc encourageant pour favoriser leur intégration d’un point de vue environnemental.

La France, terrain favorable à l’intégration du véhicule électrique

Nous faisions mention précédemment d’un des inconvénients lié au véhicule électrique, son prix d’achat qui demeure encore supérieur à celui d’un véhicule classique. Un paramètre important à prendre en considération si l’on veut faciliter son intégration sur le marché. A cet effet l’Etat français s’est d’ors et déjà lancé dans différentes actions afin de faciliter la tâche aux constructeurs automobiles pour assurer la compétitivité des prix entre les véhicules électriques et classiques diesel.

FIGURE

Comme le démontre la figure ci-dessus, des mesures fiscales (la taxe carbone par exemple) peuvent être prises en vue de jouer sur la différence de prix entre les véhicules électriques et thermiques. Cette politique de « bonus / malus » se veut clairement incitatrice à l’usage des véhicules propres (TVA réduite, exonération des frais d’immatriculation ou des vignettes automobiles). Aussi des subventions de 5 000€ sont attribuées pour l’achat d’un véhicule produisant moins de 60g de CO2 / km.

Par ailleurs à cela l’Etat français s’est engagé dans le développement des véhicules électriques. Des fonds importants ont été débloqués afin de favoriser leur intégration sur le marché automobile dans les temps à venir. Ainsi ce n’est pas moins de 750 millions d’euros de prévus pour la poursuite du développement des véhicules à faible émissions de CO2. On peut citer également la part consacrée au programme de recherche et d’innovation dans les transports terrestres « PREDIT » (regroupant les différentes technologies et outils pour les politiques publiques) à hauteur de 250 millions d’euros. D’autres organismes ont également consacré une partie de leur fond pour le véhicule électrique, comme l’ADEME avec une contribution de 80 millions d’euros.

Cette dynamique s’inscrit dans le cadre du plan du gouvernement pour le développement des véhicules électriques hybrides et rechargeables (1er octobre 2009) dont les objectifs fixés portent le nombre de VE sur le marché français à deux millions d’ici 2020 en France. Le déploiement des infrastructures de recharges sera nécessaire pour intégrer les nouveaux véhicules. Dès lors on estime leur nombre à 4 millions pour les points privés et 400 000 pour les points public d’ici 2020.

Axes d’innovation future

Les innovations futures seront axées essentiellement sur l’amélioration de la performance des batteries (point que nous traiterons plus en détails dans la prochaine partie du rapport) en vu d’augmenter leur autonomie, ainsi que la réduction de leur temps de recharge. Des études portent également sur l’exploitation de ces dernières en fin d’activité automobile pour des applications photovoltaïques domestiques, car étant encore en mesure à ce moment là de stocker 80 Wh/kg. A titre d’exemple, les batteries de la Nissan Leaf (ci-dessous) présentent une autonomie de 160 km (soit un peu plus que la moyenne), et peuvent être rechargées à 80% en 30 minutes. L’amélioration de ces performances repose essentiellement sur la technologie utilisée (le lithium-ion étant un constituant prometteur en matière de performances)

PHOTO LEAF NISSAN

Caractéristiques de la LEAF Nissan (actuellement sur le marché) : 5 Places batterie Li-ion Rechargeable en huit heures sur du 220 V autonomie de 160 km moteur de 80 kW Vitesse max de 140 km/h Arrière du toit recouvert de cellules photovoltaïques Prix : 30 000€

Néanmoins un autre problème se pose, l’intégration des véhicules sur le marché va nécessiter une adaptation du réseau électrique afin de palier à l’appel de puissance important que généreront les phases de recharges. On parle d’ors et déjà de « structure intelligente de réseaux » ou encore « smart grid », d’infrastructures de recharges photovoltaïques comme les « solar tree » et autres « ombrillères photovoltaïques » qui feront l’objet d’un développement particulier dans les prochains chapitres.

La charge du Véhicule électrique

PHOTOS

Différentes technologies de batteries

Les batteries représentent la pièce maîtresse de la composition d’un véhicule électrique. L’aspect éco-environnemental ainsi que l’autonomie d’utilisation des véhicules en dépendent. Aussi leurs performances peuvent varier de manières plus ou moins importantes en fonction de la technologie qui leur sont associées. Les recherches et études de ces deux dernières décennies ont finalement pu aboutir à une solution technologique intéressante et prometteuse quant à l’amélioration des performances des véhicules électriques : les batteries au lithium.

TABLEAU COMPARATIF

Le tableau ci-dessus établit le comparatif entre les différentes technologies de batteries au travers leurs critères de performances. A noter que les matériaux comme le plomb et le cadmium ne sont plus utilisés pour la fabrication de batteries à usage automobile en raison de leur toxicité et poids relativement lourd (plomb).

Le lithium est quant à lui actuellement très prisé en raison des avantages qu’il confère : densité énergétique plus importante que les autres, un temps de recharge moins important et un faible risque de pollution. D’autant plus que ce matériau peut être couplé avec d’autres composants chimiques et donner ainsi naissance à des technologies plus performantes. Le but de ces accouplements est de pouvoir développer un maximum de puissance tout en voyant le poids de la batterie réduit (et donc une diminution de la consommation par la même occasion).

GRAPH TECH BATTERIES

Avantages et inconvénients du Lithium et ses variantes :

TABLEAU COMPARATIF

Les ressources en Lithium, entre crainte et espoir

Les ressources de lithium dont on dispose à l’heure actuelle suffiront-elles à couvrir nos besoins dans les années avenirs ? La question se pose déjà au vu de la demande sans cesse croissante du marché informatique et téléphonique, mais aussi automobile pour les années à venir. Plusieurs spécialistes se sont prononcés sur la question , les plus optimistes d’entre eux affirment que «oui » , cela sera tout à fait possible au vu des 11 millions de tonnes (chiffres donnés par le gouvernement américain en 2006) présentent (dont la grande majorité se trouve en Amérique du sud couvrant à elle seule 70% des réserves mondiales) , sans compter également les possibilités d’extraction du métal par la mer…ce qui suffirait à alimenter les différents marchés pendant encore des centaines d’années.

Mais une dernière étude menée par le cabinet français Meridian International Research expose un tout autre constat qui se veut quant à lui plus alarmant : Les réserves ne seraient en fait que de 4 millions de tonnes, qui une fois purifiées pour être exploitables dans la fabrication des batteries ne seraient plus que de … 234 000 tonnes. Selon le cabinet on peut s’attendre à une pénurie d’ici 2015 ! Les constructeurs automobiles et batteries se veulent rassurants malgré tout, garantissant de leur côté de quoi pouvoir assurer une production de « milliards de véhicules ».

L’augmentation du prix du lithium passant de 350 à 3000 dollars la tonne entre 2003 et aujourd’hui (ce qui équivaut entre 3 et 6 dollars pour les 2 kilos que contient une batterie pour véhicule électrique) pousse les constructeurs à prendre des précautions. Ainsi plusieurs groupes se sont associés comme par exemple Toyota comme Mitsubishi Motors (partenaire de Peugeot PSA). Le même groupe envisage d’acheter ses propres sites de production de lithium en Bolivie pour se placer stratégiquement face aux prochaines contraintes économiques.

La recharge de la batterie

Le temps de recharge des batteries est un enjeu majeur de la recherche scientifique et technologique, de celui-ci découle les performances du véhicule électrique comme son autonomie. Il nous aura fallu pas moins de deux décennies pour comprendre et maîtriser la technologie lithium-ion grâce à laquelle les performances des batteries ont pu évoluer. Néanmoins malgré ces avancées le temps de rechargement demeure encore une problématique à résoudre. Il faut compter entre 6 à 8 heures pour recharger entièrement son véhicule et l’autonomie moyenne à l’heure actuelle étant de 150 km environ.

Le fonctionnement d’une batterie Li-ion repose sur le même principe qu’une batterie classique. Il s’agit d’un stockage électrochimique (énergie stockée sous forme chimique et restituée sous forme électrique), la batterie est composée de deux électrodes (une anode en graphite et une cathode à base de composé de lithium) et d'un électrolyte (une substance conductrice qui contient des ions mobiles) séparant les deux qui permet la réaction chimique qui produit le courant. Les réactions sont réversibles et c’est ce qui va permettre le rechargement de la batterie. Cette configuration est à l’origine du temps particulièrement long du rechargement ainsi que de la diminution de la durée de vie des batteries.

Schéma de principe du fonctionnement des batteries au lithium

SCHEMA

Les électrodes sont arrangées sous forme de nombreuses couches fines, et les ions lithium se déplacent de l'anode en graphite vers la cathode en lithium lors du chargement, et dans le sens inverse lors du déchargement

Perspectives

La batterie 3D

En modifiant les composants principaux de la batterie (anode, cathode, électrolyte) il est possible d’améliorer ses performances. C’est ce qu’une équipe de scientifique américain a réussi à faire en remplaçant l’anode graphite de la configuration classique par des nano-fils composés de cuivre et d’antimoine de largeur 50 000 fois inférieure à celle d’un cheveu mais disposant d’une importante surface cumulée permettant ainsi de recevoir deux fois plus d’ions lithium que la même quantité de graphite. Ces fils sont disposés dans la batterie suivant une structure tridimensionnelle (d’où le nom « batterie 3D ») enrobé d’une couche électrolyte et entourée de la cathode au lithium.

Cette nouvelle configuration offre une meilleure stabilité chimique et résiste mieux à la chaleur. Une batterie de ce type pourrait être rechargée intégralement en 12 minutes (en 2 heures dans le cadre d’une application pour un véhicule électrique). Les résultats des travaux de cette équipe américaine ont été publie au mois de mars dernier lors du meeting national de l’American Chemical Society. Leur commercialisation est prévue dans pour les deux prochaines années.

D’autres recherches ont conclu à des records encore plus prometteurs, comme celui de la firme japonaise Toshiba qui propose une batterie pouvant être rechargée en 5 minutes ! Bien entendu il est à noter que ces records ne peuvent être atteints qu’à partir d’infrastructures adaptées permettant de débiter des puissances et courants importants.

Les recharges rapides via le réseau électrique

STATION DE RECHARGE

Via des infrastructures de charges adaptées et débitant des puissances et courants relativement élevés il est possible de recharger son véhicule à 80% de sa capacité en 30 minutes.

On dénombre actuellement 4 solutions de rechargement rapide pour les véhicules électriques :

• En courant-continu 43kW (mode 4) avec une prise standard IEC type 2
• Recharge avec une prise forte puissance 23 kW avec une prise standard IEC type 2
• Echange de batterie dans une station service de type Better Place
• Utilisation d’hydrogène comme source d’énergie dans une pile à combustible (PAC)

Note : cette dernière solution ne sera pas adoptée en France principalement en raison de sa production d’électricité dé-carbonisée et de son savoir faire électrotechnique , on lui préférera les solutions de recharges / remplacements des batteries.

Ces solutions vont bien évidemment impliquer de nouvelles contraintes sur le réseau qui devra être adapté en conséquence. Ce point fera l’objet d’un développement à part dans les parties suivantes du rapport au cours duquel nous verrons également en quoi les applications photovoltaïques permettront de palier aux difficultés liées aux recharges des véhicules électriques.

Aspects économiques

Impact des coûts de production à la vente

Les batteries constituent presque la moitié du coût du véhicule…et le prix n’est pas prévu de baisser. En effet les composants (cuivre, lithium, aluminium) coûtent eux aussi très chers et le peu de main d’oeuvre qui intervient dans le processus de fabrication n’offre à priori pas vraiment de prétexte pour délocaliser dans des pays où la production serait moins onéreuse. La recherche et maîtrise des nouvelles technologies est une nécessité pour espérer une réduction des coûts dans les années avenirs.

Les enjeux économiques liés à la batterie pour les véhicules électriques reposent principalement sur le coût de production de la batterie et la durée de vie de celle-ci. Aujourd’hui on estime le coût de production pour un ensemble de 100 000 systèmes de 24kWh à 300€ / kWh d’après les chiffres publiés dans le grenelle de l’environnement. Ces chiffres ne sont pas une menace à proprement parler pour l’économie véhicule électrique si on n’oublie pas de considérer sa rentabilité au travers sa durée de vie...En effet la rentabilité d’un VE se caractérise au travers les économies de carburant et de maintenance, et devient donc possible à partir du moment où un kilométrage minimum est quotidiennement effectué et si les batteries jouissent d’une durée de vie minimum.

La valeur résiduelle de la batterie électrique

La valeur résiduelle caractérise l’utilisation qu’il est possible de faire de la batterie après son s application automobile. Car même si celle-ci n’est plus en mesure d’assurer l’autonomie nécessaire aux véhicules, elle reste néanmoins encore exploitable pour d’autres applications. Ce paramètre est important puisqu’il déterminera le coût de la location pour le conducteur de ses batteries. La valeur résiduelle de la batterie correspond au gain obtenu par son utilisation, moins les coûts de recyclage et de conditionnement.

Nous vous invitons à consulter en annexe de ce rapport le coût de revient d’un véhicule électrique en fonction des différentes configurations d’achat possibles (achat complet du véhicule / location des batteries) et des taxes / aides entrant en compte dans l’économie du véhicule électrique.

Aspect énergétique

La fourniture de l’énergie

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La fourniture de l’énergie est l’un des points clé de l’intégration du véhicule électrique. En effet, la hausse en besoin énergétique généré n’est pas sans conséquence :

• Pour un foyer moyen, un véhicule électrique qui parcourrait de 15 000 à 20 000 km par an engendrerait une consommation d’environ 2 MWh par an, soit une hausse d’environ 50 % de sa consommation d’électricité.

• Pour le système électrique national, il s’agit d’un surcroît de consommation d’environ 2 TWh par an et par million de véhicules (cela représente environ 1 % du total soutiré sur les seuls réseaux de distribution en basse tension (BT) en France, et environ 0,4 % de la production française d’électricité).

• Pour les fournisseurs d’énergie électrique, c’est un marché supplémentaire, par transfert « de la pompe à essence à la prise ». (sources Renault, présentation du forum du 12 octobre 2010 à la CRE)

Le véhicule électrique est déjà opérationnel mais les modalités de ce nouveau marché n’ont pas encore été déterminées. L’article 57 de la loi du 12 juillet 2010 prévoit que les opérateurs d’infrastructures publiques de recharge puissent revendre l’énergie électrique. Elle prévoit aussi que les points de recharge situés dans les copropriétés puissent venir en décompte de la consommation des parties communes.

Dans une perspective d’explosion du marché, il sera intéressant de s’intéresser à des questions comme l’emplacement du compteur, le droit de choisir son fournisseur d’électricité en tout lieu, ainsi que sur l’échange d’information, tant sur le prix de l’énergie que le moment et la puissance de la livraison.

L’impact sur la courbe charge nationale

La recharge des véhicules électriques et hybrides rechargeables (VEx) présente un enjeu important pour les dix prochaines années et représentera à terme entre 1 et 3 % de l’énergie distribuée en basse tension en France. On a donc une modification de la courbe charge nationale.

GRAPHE

Source : ERDF, présentation du forum du 12 octobre 2010 à la CRE

On estime que un million de véhicules électriques ou hybrides rechargeables soutirent en recharge lente simultanée entre 3000 et 6000 MW, soit la puissance de 2 à 4 EPR. Ce cas de figure pourrait nécessiter un ajout de moyens de production. Il est nécessaire également de penser à une répartition de la recharge en fonction des heures pleines/ heures creuses. (un véhicule électrique qui parcourrait de 15 000 à 20 000 km par an aura besoin de deux heures de recharge quotidienne, en moyenne, en charge lente). L’avantage en sera double : d’une part, cela permet d’éviter d’avoir à augmenter la puissance souscrite par l’utilisateur et, d’autre part, et cela permet de lisser la demande pour le système électrique.

Dans la suite de ce document, nous traiterons également du concept de smart grid, permettant une optimisation des périodes de charge généré par des sources d’énergie renouvelables et intermittente...

Vers une recharge intelligente

SCHEMA Source : Renault, présentation du forum du 12 octobre 2010 à la CRE

Afin d’optimiser au maximum la charge, il est primordial d’établir un certain nombre d’échanges d’informations entre le véhicule électrique, la borne et le service de facturation. Il est en effet important que le profil de charge soit conforme aux attentes du véhicule et de ses occupants.

Vers une nouvelle mobilité en ville

PHOTO Projet de ville intelligente (Nissan)

En raison de l’autonomie actuelle encore trop limité des véhicules électriques (de l’ordre de 150 km), leur utilisation se tourne vers des trajets courts ou moyennement longs. Le VE a donc toute se place dans une ville intelligente, proposant aux conducteurs des structures adaptées de recharge. Il ne s’agit pas seulement de remplacer les véhicules thermiques, mais aussi de créer une nouvelle mobilité, pourquoi pas orienté sur les concepts de multi modalité ou d’auto partage. Ces concepts sont actuellement à l’étude dans de nombreuses capitales. Paris est sur le point de rendre accessible ses premières Autolibs.

Un transport multi-modal, cela signifie que nous ne serons plus dépendants du même type de transport, mais le développement du véhicule électrique peut se faire de paire avec les transports en commun, éventuellement avec un partage des véhicules comme auto-lib. Une plus grande mobilité pour l’utilisateur, une meilleure gestion du trafic grâce à la multi modalité et peut être la renaissance des transports en commun, ce sont surement les clés d’une intégration réussie du véhicule E en ville. Ce mode de transport, qui évite les contraintes et les coûts liés à la détention en propre d’un véhicule, a d’autant plus d’avenir que les véhicules électriques sont pour le moment peu plébiscités par les particuliers, compte tenu de l’autonomie limitée, du faible nombre de bornes de recharge disponibles et du coût important d’achat du véhicule. Ce mode de transport à partir d’un véhicule non privatif faisant partie d’un parc détenu et géré par une collectivité publique, mais dont l’usage est individuel, est tout à fait innovant et témoigne du fait que le véhicule électrique est un objet à la limite du domaine public et du domaine privé.

Le VE, nécessitera un certain nombre d’aménagements du territoire, notamment la construction d’infrastructures de recharge. Les véhicules et leurs bornes de recharge vont constituer un nouveau réseau qu’il faut parvenir à intégrer dans la ville où se superposent et s’entrecroisent déjà un certain nombre de réseaux (routiers, ferrés, etc.).