Voitures électriques recharge

L'Opel Ampera, un modèle de voiture à prolongateur d’autonomie (©GM Company).

Définition et catégories

Le terme « voiture électrique » recouvre actuellement plusieurs concepts qui ont en commun de recourir à un moteur électrique pour tout ou partie de leur propulsion. Ils se différencient par leur autonomie et leur taux de rejet de CO2. Trois concepts sont déjà proposés au marché :

  • les voitures hybrides rechargeables (PHEV pour Plug-in Hybrid Electric Vehicle). Elles sont propulsées sur route par un moteur thermique, auquel elles substituent, pour la circulation en ville, un moteur électrique. Celui-ci est alimenté par des batteries rechargeables en route par l’alternateur couplé au moteur thermique et/ou à l’arrêt sur le secteur ;
  • les voitures à prolongateur d’autonomie (EREV pour Extended Range Electric Vehicle). La propulsion du véhicule se fait par un moteur électrique alimenté par des batteries de grande capacité maintenues chargées par un petit bloc alternateur - moteur thermique. Celui-ci, grâce à un régime stabilisé autour de sa vitesse de rotation optimale (1500 t/mn), permet des consommations sur route inférieures à 2 litres d’essence (ou diesel) aux 100 km et de grandes autonomies ;
  • les voitures tout-électrique (BEV pour Battery Electric Vehicle) à batterie et moteur électrique. Leur batterie à grande capacité doit être rechargée à l’arrêt sur prise fixe. Leur autonomie encore limitée les destine à un usage urbain.

Les PHEV, EREV et BEV sont limitées par le poids des batteries rechargeables disponibles qui ne peuvent pas stocker plus de 150 Wh/kg (lithium-ion) et ont des durées de vie limitées (< 2 000 cycles).

Chaque système présente des avantages et des limites. Ils se développent en parallèle tout comme l’essence et le diesel cohabitent à l’heure actuelle.

D’autres concepts sont amenés à se développer, notamment les piles à hydrogène si elles atteignent une maturité technique et économique suffisante avec un essor de la distribution d’hydrogène dans les stations-service.

Fonctionnement technique

Un véhicule terrestre autonome doit associer à sa motorisation l’emport de l’énergie nécessaire à celle-ci.

Pour les voitures électriques, il convient de distinguer deux dimensions pour bien comprendre le potentiel et les limites de chaque système sur le marché :

  • la fonction moteur, maîtrisée et efficace ;
  • la fonction stockage, pas encore totalement maîtrisée, ni totalement efficace.

Comparaison des capacités d’un véhicule thermique et d’un véhicule électrique

Dans les véhicules thermiques, les moteurs actuels les plus performants ont des rendements énergétiques qui ne dépassent pas 20%. Dans un plein de 60 litres d’essence, l’énergie de 12 litres va être transmise aux roues et 48 litres seront dissipés en chaleur. Par contre la densité énergétique massique de l’essence ou du diesel est très importante, de l’ordre de 12 kWh/kg, permettant aux voitures actuelles de disposer d’autonomies considérables, proches de 1 000 km pour 60 litres (50 kg de diesel) couramment stockées dans leurs réservoirs.

Dans les voitures électriques, la problématique est l’inverse. Le moteur électrique a un rendement énergétique proche de 80%, presque 4 fois celui d’un moteur thermique (ce rendement n'inclut toutefois pas celui de la production d'électricité en amont, l'électricité étant un vecteur et non une source d'énergie). Par contre, les meilleures batteries actuelles stockent difficilement plus de 120 Wh/kg, près de 100 fois moins que les hydrocarbures.

Au global, l’énergie électrique stockable dans 1 250 kg de batteries serait nécessaire pour parcourir la même distance qu’avec 50 kg d’essence (60 litres), soit environ 1 000 km. D’où les solutions PHEV et EREV en attendant des progrès considérables des batteries.

Contexte

Malgré les obstacles technologiques aujourd’hui rencontrés, un développement croissant des voitures électriques est à prévoir car il répond aux 3 défis majeurs du 21e siècle.

La lutte contre le changement climatique

La majorité de la communauté scientifique mondiale, au travers des travaux du GIEC, soutient que la production de CO2 due à l'homme est la cause principale d’une augmentation de la température moyenne du globe menaçant la stabilité du climat. Plus de la moitié de la consommation mondiale de pétrole est destinée en 2013 (en particulier au transport routier) et l'AIE estime que cette demande devrait encore augmenter de 25% d'ici à 2030(1).

En phase d'usage, une voiture électrique, selon qu’elle est de type PHEV, EREV ou BEV émet de 100 à quelques g de CO2/km, soit beaucoup moins que les véhicules thermiques qui émettent en moyenne de 100 à 200 g/km. Cependant, ce gain environnemental global dépend étroitement des émissions elles-mêmes générées pour produire et stocker l’électricité qui leur est fournie.

Dans les pays recourant peu aux énergies fossiles dans leur mix énergétique, ce gain peut être très important. Ainsi, en France où la production d’électricité est « décarbonée » à près de 92%, un facteur de réduction considérable peut être atteint.

Mais aujourd’hui, la plupart des pays produisent leur électricité à partir d’énergie fossile, principalement de charbon, utilisée pour produire 40% de l’électricité mondiale avec un rendement de conversion moyen de seulement 30%. Dans ces conditions, le gain environnemental du véhicule électrique est alors faible.

Précisons par ailleurs que la fabrication des véhicules électriques engendre elle aussi des émissions de gaz à effet de serre, notamment lors de la constitution des batteries.

La raréfaction des énergies fossiles conventionnelles

Près de 97% des transports routiers consomment du pétrole ou du gaz.

L’AIE prévoit dans son scénario de croissance médian que l’augmentation de consommation de pétrole à l’horizon 2035 serait de 18%. Elle serait fortement imputable au secteur des transports dans les pays émergents car leur croissance y stimule la demande de mobilité individuelle et de transport des marchandises.

Ceci illustre bien l’importance de réduire la consommation des véhicules, d’autant que l’AIE prévoit également sur la période un doublement du prix du baril lié à la raréfaction des ressources conventionnelles et à l’obligation d’y substituer progressivement du pétrole non conventionnel plus cher à extraire.

La voiture électrique dont l’électricité ne proviendrait pas de centrales thermiques à combustible fossile permettrait de réduire la consommation de pétrole et de le réserver pour les applications pour lesquelles il est plus difficilement substituable : transport aérien, matériaux plastiques, engrais.

La pollution atmosphérique

L’augmentation continue des populations urbaines et de l’utilisation de véhicules thermiques consécutive s’accompagnent d’une pollution croissante de l’atmosphère des villes, en particulier dans les pays émergents. On y constate une recrudescence d’affections pulmonaires liées aux oxydes d’azote (NOx) et particules de carbone (gazole). Le développement des voitures électriques en zone urbaine permettra une réduction de cette pollution « thermique ».

Enjeux par rapport à l'énergie

Pour un développement à grande échelle, les voitures électriques doivent offrir un mix performance technique/environnementale/autonomie/coût au moins aussi attractif que les voitures thermiques actuelles.

La performance

Au vu des qualités intrinsèques des moteurs électriques (taille, couple maximal disponible au démarrage, etc.), les performances dynamiques des véhicules électriques sont meilleures que celles des voitures équivalentes thermiques, et ce dans un silence quasi-absolu.

L’autonomie

Il s’agit du point faible des véhicules électriques. La solution la plus adaptée actuellement est celle des véhicules à prolongateur d’autonomie dont la batterie (autonomie électrique de 60 km) lui permet de couvrir 80% des trajets journaliers sans pétrole ou sans hydrogène. Pour les longues distances, le groupe moteur thermique permet de maintenir cette batterie chargée avec une faible consommation de carburant.

Il est en effet plus facile d’optimiser le rendement d’un groupe moteur thermique dès lors qu’on lui épargne de fournir instantanément de l’énergie sur des régimes transitoires étendus. Les constructeurs automobiles conçoivent donc des moteurs thermoélectriques qui permettent aux EREV d’atteindre l’autonomie des voitures actuelles et une consommation de 2 litres aux 100 km sur de longues distances, conjointement avec un mode de fonctionnement urbain tout électrique.

Le coût

Le coût trop élevé des batteries performantes est actuellement un frein au développement des véhicules électriques à grande échelle.

Le surcoût à l’achat peut être partiellement compensé par les économies à l’usage du véhicule (maintenance ou carburant), l’électricité étant moins chère que l’essence ou le diesel. Des bonus à l’achat devraient être renforcés en France dans le cadre de la loi de programmation de la transition énergétique.

Notons que le prix élevé de l’essence ou du diesel est généré par un niveau de taxe important. L’électricité moins taxée offrira moins de rentrées financières aux États à un moment où nombre d’entre eux souffrent de difficultés budgétaires. Ceci pose clairement la question d’un risque d’un renchérissement fiscal de l’électricité destinée au transport, avec toutes ses conséquences sur l’économie de la voiture électrique.

Acteurs majeurs

La plupart des constructeurs automobiles mondiaux se sont lancés sur le marché.

Citons entre autres :

  • type PHEV : Toyota commercialise la PRIUS et Peugeot la 3008 hybride. L’autonomie thermique du véhicule peut atteindre les 1 000 km, mais celle du moteur électrique reste faible, de l’ordre de 10 km ;
  • type EREV : Chevrolet a lancé la Volt, vendue en Europe en tant qu’Opel Ampera. L’autonomie électrique atteint 60 km. Le prolongateur thermique d’autonomie permet de l’étendre à 500 km ;
  • type BEV : Bolloré a mis en service la Blue Car, retenue pour les Autolib' de Paris, d’une autonomie de 250 km en ville.

Le service de voitures électriques Autolib' a été lancé en décembre 2011 à Paris (© flickr - Tous droits réservés par autolib').

Le service de voitures électriques Autolib' a été lancé en décembre 2011 à Paris. (©Autolib')

D’autres constructeurs européens commercialisent leurs modèles électriques. Renault a choisi le type BEV. Volkswagen a présenté plusieurs solutions EREV dont l'Audi A1 e-tron, la « citadine électrique ».

Le marché des véhicules électriques reste embryonnaire. D'après l’AIE, les voitures électriques pourraient représenter près de 7% des ventes en 2020, soit près de 7 millions de voitures.

Zone de présence ou d'application

Face à la pollution atmosphérique des villes et à l’autonomie limitée offerte par les batteries actuelles, les premières voitures électriques sans prolongateur d’autonomie ont des utilisations urbaines (Autolib', bus, etc.). Les réglementations d’accès aux villes et la mise en place de stations de recharge vont à cet égard jouer un rôle majeur dans leur développement.

Passé et présent

Contrairement aux idées reçues, la production de voitures électriques n’est pas un sujet nouveau. La première voiture ayant roulé à 100 km/h en 1899, la « Jamais contente », était électrique.

Mais Henri Ford, peu après 1910, commença à produire à grande échelle sa Ford T, qui permettait d’atteindre 70 km/h et ne coûtait que 550 $ quand les voitures électriques coûtaient 4 fois plus cher.

Pendant un siècle, les voitures électriques n’ont jamais réussi à combler leur retard par rapport aux voitures thermiques pour offrir une autonomie suffisante à un prix raisonnable.

Les développements prometteurs des batteries ces 10 dernières années dans un contexte de changement climatique, de renchérissement du pétrole et de pollution atmosphérique urbaine stimulent le développement de la voiture électrique.

Futur

L’autonomie du véhicule tout électrique augmentera avec la réduction des coûts et de la masse des batteries.

Les véhicules thermiques représenteront toujours la très grande majorité des ventes au cours des 20 prochaines années.

Le véhicule électrique à batteries (BEV) est encore trop cher pour une autonomie limitée. Il nécessite des investissements significatifs dans le développement d’une infrastructure de rechargement électrique. Le projet de loi de programmation de la transition énergétique en France prévoit le déploiement de 7 millions de bornes de recharge électriques sur le territoire d'ici à 2030 (contre 10 000 à l'été 2014).

Le véhicule électrique à prolongateur d’autonomie (EREV) à moteur thermique est le meilleur compromis à l'heure actuelle. Il couple les avantages de la voiture thermique (autonomie, infrastructure existante, coût comparable) et de la voiture tout électrique en ville (sobriété énergétique et pollution atmosphérique limitées).

dernière modification le
Sources / Notes

(1) World Energy Outlook 2013, AIE