Voiture électrique

Le terme « voiture électrique » recouvre 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 sur le marché :

• les voitures 100% électriques à batterie et moteur électrique (« BEV » pour Battery Electric Vehicles). Leurs batteries à grande capacité doivent être rechargées à l’arrêt sur prise fixe.
• les voitures hybrides rechargeables à moteur thermique et électrique et batterie thermique et/ou électrique (« PHEV » en anglais pour Plug-in Hybrid Electric Vehicles). 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 à moteur thermique et batterie thermique (« EREV » pour Extended Range Electric Vehicles). 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.

Le développement des PHEV, EREV et BEV est encore limité entre autres par le coût, le poids et la durée de vie des batteries rechargeables (batteries lithium-ion). Chaque système présente des avantages et des limites. Ils se développent en parallèle, tout comme l’essence et le diesel cohabitent déjà.

Notons que les voitures équipées de piles à combustible sont également souvent qualifiées de véhicules électriques : elles disposent d'une motorisation électrique mais produisent leur électricité à bord à partir de l'hydrogène stocké dans des réservoirs sous pression (leur fonctionnement est présenté dans la fiche pédagogique « Hydrogène dans les transports »).

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.

Principes de fonctionnement

Le principe de fonctionnement d'un véhicule électrique repose principalement sur l'utilisation d'un moteur électrique alimenté par une batterie rechargeable. Contrairement aux moteurs à combustion interne, les moteurs électriques convertissent l'énergie électrique directement en mouvement mécanique sans processus de combustion, ce qui élimine les émissions directes de gaz d'échappement.

L'énergie stockée dans la batterie, souvent une batterie lithium-ion en raison de sa densité énergétique élevée et de sa longévité, est fournie au moteur via un contrôleur qui régule la puissance et la vitesse. Ce contrôleur ajuste la distribution de l'énergie en fonction des commandes de l'utilisateur, telles que l'accélération et le freinage.

Un autre aspect clé du fonctionnement des véhicules électriques est la récupération d'énergie. Les véhicules électriques utilisent un système de freinage régénératif qui convertit l'énergie cinétique générée lors du freinage en énergie électrique, qui est ensuite renvoyée à la batterie. Cela améliore l'efficacité globale du véhicule et prolonge l'autonomie.

Les batteries des véhicules électriques peuvent être rechargées en se branchant à une source d'alimentation externe, comme une borne de recharge domestique ou publique.

Comparaison des capacités des véhicules thermique et électrique

Dans les véhicules thermiques, les moteurs actuels ont des rendements énergétiques qui ne dépassent pas 20% dans des conditions réelles de circulation⁽¹⁾. Dans un plein de 60 litres d’essence, l’énergie de 12 litres va ainsi 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 (de l'ordre de 50 kg de diesel⁽²⁾) couramment stockés 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). En revanche, les batteries des dernières générations de véhicules électriques ne peuvent stocker qu'environ 150 Wh/kg, soit près de 80 fois moins que les hydrocarbures⁽³⁾.

Au global, l’énergie électrique stockable dans 1 000 kg de batteries serait nécessaire pour parcourir la même distance qu’avec 50 kg de gazole (60 litres), soit environ 1 000 km. Des progrès considérables des performances des batteries sont ainsi encore attendus.

Les véhicules électriques fonctionnent de manière plus propre que les véhicules à moteur à combustion interne, tout en offrant une expérience de conduite silencieuse et réactive.

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

La lutte contre le changement climatique

La communauté scientifique mondiale, au travers des travaux du GIEC, a sensibilisé au fait que les émissions de gaz à effet de serre imputables aux activités humaines sont la cause principale d’une augmentation de la température moyenne du globe. L'accord de Paris (conclu à l'issue de la COP21 en décembre 2015) fixe pour objectif de limiter à 2°C au maximum le réchauffement global par rapport aux températures de l'ère préindustrielle. Selon le GIEC, il faudrait réduire les émissions mondiales de gaz à effet de serre de 40% à 70% d’ici à 2050 (par rapport au niveau de 2010) et d'atteindre une économie quasiment neutre en carbone durant la deuxième partie du XXI^e siècle pour espérer atteindre cet objectif.   

Plus de la moitié de la consommation mondiale de pétrole est destinée aux transports (en particulier au transport routier). En phase d'usage, une voiture électrique, selon qu’elle est de type PHEV, EREV ou BEV, émet de quelques grammes de CO₂/km jusqu'à 100 g/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 très « décarbonée » (à environ 90%)un facteur de réduction considérable peut être atteint. Mais aujourd’hui, la plupart des pays produisent encore leur électricité à partir d’énergie fossile, principalement de charbon (source d'énergie utilisée pour produire près de 39% 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 pollution atmosphérique

L’augmentation continue des populations urbaines et de l’utilisation de véhicules thermiques 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 (NO_x) et aux particules de carbone (gazole). Le développement des voitures électriques en zone urbaine permettra une réduction de cette pollution « thermique ».

Selon le rapport « Energy and air pollution » publié en 2016 par l'AIE, le transport routier serait responsable de 58% des émissions mondiales de NO_x et de 73% de celles de particules fines PM 2.5.

Pour l'indépendance énergétique

L'électrification du parc automobile est bénéfique pour l'indépendance énergétique car elle réduit la dépendance aux importations de pétrole et autres combustibles fossiles, souvent sujets à des fluctuations de prix et à des tensions géopolitiques. En 2022, la France a importé pour environ 58 milliards d'euros de pétrole, soit le coût de construction de plusieurs EPR.

En utilisant l'électricité, qui peut être produite localement, les pays peuvent davantage contrôler leur approvisionnement énergétique et stabiliser leurs coûts.

Toutefois, les batteries peuvent limiter l'indépendance énergétique en raison de la dépendance actuelle aux importations de matières premières cruciales comme le lithium, le cobalt et le nickel, qui sont souvent extraits dans des régions politiquement instables ou à des coûts environnementaux élevés.

Aussi, la fabrication et le recyclage des batteries nécessitent des technologies et des infrastructures spécifiques qui ne sont pas encore suffisamment développées dans tous les pays. Cependant, l'implantation d'usines de batteries en France et en Europe, et le développement de mines de lithium locales contribuent à surmonter ces obstacles. En produisant des batteries localement et en exploitant des ressources minières nationales, l'Europe peut réduire sa dépendance aux importations de matières premières, sécuriser son approvisionnement, et renforcer sa chaîne de valeur industrielle.

Pour un développement à grande échelle, les voitures électriques doivent offrir un mix performances techniques / bilan environnemental / autonomie / coût au moins aussi attractif que les voitures thermiques actuelles.

Une autonomie désormais satisfaisante

Les constructeurs de véhicules 100% électriques annoncent enfin des autonomies de plus en plus importantes : la moyenne est autour de 300 km. Un moteur essence a une autonomie moyenne de 480 km. 

A cette question de l'autonomie se superpose la problématique de recharge des véhicules électriques (durée, infrastructures disponibles, etc.). Les batteries mettent en moyenne 30 à 60 minutes à se recharger à la maison, 15 minutes avec les superchargeurs sur autoroute.

Cela signifie que la voiture électrique est non seulement suffisante pour les trajets du quotidien, mais aussi pour les plus longues distances occasionnelles. Le défi qui se pose désormais est le maillage de bornes électriques partout sur le territoire⁽⁴⁾. On en compte environ 15 000 en France et plus de 200 000 en Europe en 2024.

Jusqu'ici, la solution la plus adaptée actuellement était celle des véhicules à prolongateur d’autonomie dont la batterie 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.

Un coût en baisse à l'achat, économique à l'usage

En 2024, un véhicule électrique coûte en moyenne 60 000 €⁽⁵⁾, mais les moins chers sont autour de 15 000€ (Dacia).

Le coût des batteries performantes est toutefois de moins en moins enlevé, alors qu'il demeurait pendant longtemps un frein au développement des véhicules électriques à grande échelle. C'est pourquoi de nombreux pays ont mis en place des aides. Des bonus à l’achat sont développés, notamment en France et en Europe, pour encourager le développement de la mobilité électrique. L'arrivée de véhicules électriques chinois à bas prix pourrait totalement changer la donne.

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.

Source : Rapport semestriel sur le prix de la recharge publique de février 2024, Avere - Graphique : Selectra

Valable pour un conducteur roulant 15 000 km/an - À jour en avril 2024 - Source : Avere - Graphique : Selectra

Valable pour un conducteur roulant 30 000 km/an - À jour en avril 2024 - Source : Avere - Graphique : Selectra

On estime qu'un plein électrique de 300 km coûte environ 10,50€, contre un équivalent de 39 € pour 300 km en essence et 27€ pour 300 km en diesel. Le prix de l'électricité peut encore être plus faible en faisant son plein pendant les heures creuses et avec une offre d'un fournisseur moins cher⁽⁶⁾.

Sources : Analyse du Journal de l'Automobile, 2023 - Graphique : Selectra

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.

La performance intéressante

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.

Les ventes annuelles de véhicules électriques dans le monde, qui étaient insignifiantes en 2005 avec seulement 1 890 véhicules vendus, ont commencé à croître progressivement pour atteindre 113 100 unités en 2014. Cette croissance a ensuite accéléré de manière spectaculaire, particulièrement après 2015, avec un saut notable en 2020 où les ventes ont atteint 2 millions d'unités, puis 4,6 millions en 2021. Le point culminant de cette tendance est en 2022, avec un total de 7,3 millions de voitures électriques vendues.

En 2023, 18% des voitures vendues dans le monde étaient électriques. La Norvège domine avec un taux de 93%. La Belgique est en avance avec 41%, quand la France s'en sort bien avec 25%. Elle est derrière la Chine (38%) mais devant le Canada (13%) et les USA (10%).

En nombre, c'est la Chine qui domine avec 8,1 millions de véhicules électriques vendus en 2023, loin devant les USA (1,39 million) et l'Allemagne (700 000).

En 2023, sur un total de 76,67 millions de voitures vendues, 13,80 millions étaient électriques, représentant une part croissante du marché global. Bien que les voitures non électriques dominent encore avec 62,87 millions de ventes, la proportion des véhicules électriques a considérablement augmenté, passant de presque insignifiante en 2010 à une part substantielle en 2023.

Cette augmentation rapide peut être attribuée à une combinaison de facteurs, notamment les avancées technologiques, les politiques gouvernementales favorables, les incitations financières et une prise de conscience croissante des enjeux environnementaux. Ces chiffres soulignent un tournant significatif dans l'industrie automobile.

En Europe, la croissance devrait être de plus de 10% chaque année jusqu'en 2030, et les ventes annuelles atteindre 6 millions de véhicules. En 2024, les recettes prévues sur le marché des véhicules électriques en Europe sont estimées à 182,9 milliards de dollars.

Ces chiffres démontrent une concurrence intense parmi les principaux fabricants de véhicules électriques, avec une nette prédominance des constructeurs chinois et américains sur le marché.

Source : Statista - Graphique : Selectra

Les voitures électriques européennes ont une présence significativement plus forte sur leur marché domestique que sur la scène mondiale.

En France, les ventes en avril 2024 montrent une domination des marques européennes, avec Peugeot (e-208 et e-2008) et Renault (Twingo E-Tech et Mégane E-Tech) occupant les premières places. La Peugeot e-208, par exemple, est le modèle le plus vendu avec 3 185 unités.

Cependant, lorsque l'on examine les ventes mondiales de véhicules électriques pour la même période en 2023, les modèles européens sont presque absents du top 10. Tesla domine largement avec ses Model Y et Model 3, suivies par plusieurs modèles de BYD et GAC provenant de Chine. Aucune des marques européennes qui se vendent bien en France, comme Peugeot ou Renault, n'apparaît dans le classement mondial.

Cela contraste fortement avec la situation des véhicules thermiques, où des marques européennes telles que Renault, Volkswagen, BMW et Mercedes-Benz ont une forte présence mondiale.

Pour remédier à cette situation, les fabricants européens devront renforcer leurs efforts en matière de compétitivité technologique et stratégique à l'international, et peut-être bénéficier d'un soutien accru pour l'exportation de leurs modèles électriques.

En France

Des incitations financières significatives sont mises en place, telles que le bonus écologique, qui offre des subventions pour l'achat de véhicules électriques neufs et d'occasion. En 2024, le bonus peut atteindre jusqu'à 7 000 euros pour un véhicule neuf, en fonction de son prix et des revenus du ménage acheteur.

De plus, le malus écologique impose des taxes supplémentaires sur les véhicules à forte émission de CO2, encourageant les consommateurs à opter pour des véhicules plus propres. La France a également mis en place des zones à faibles émissions (ZFE), où l'accès des véhicules les plus polluants est restreint, favorisant l'adoption de véhicules électriques. Les infrastructures de recharge sont également soutenues par des subventions pour l'installation de bornes de recharge à domicile et sur les lieux de travail, ainsi que par le développement d'un réseau public de recharge rapide. Leur développement à grande échelle nécessite entre autres des investissements significatifs dans des infrastructure de recharge. 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.

En Europe

Au niveau européen, la législation vise à harmoniser les efforts des différents États membres pour atteindre les objectifs climatiques de l'Union Européenne.

L'UE a fixé des objectifs ambitieux pour la réduction des émissions de gaz à effet de serre et la transition vers une mobilité durable. Une législation clé en ce sens est l'interdiction de la vente de nouvelles voitures à moteur thermique (essence et diesel) à partir de 2035. Cette mesure vise à réduire drastiquement les émissions de CO2 provenant des transports, contribuant ainsi à l'objectif de l'UE de devenir climatiquement neutre d'ici 2050.

Le Plan d'Action pour les Infrastructures de Carburants Alternatifs (AFID) encourage les États membres à développer des infrastructures de recharge pour les véhicules électriques et autres carburants alternatifs. Il exige que des points de recharge soient disponibles tous les 60 kilomètres le long des réseaux transeuropéens de transport (RTE-T).

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. À cette époque, les voitures électriques étaient populaires pour leur simplicité d'utilisation et leur absence de vibrations et de bruits par rapport aux véhicules à vapeur ou à combustion interne.

Cependant, l'essor des véhicules électriques fut freiné par l'innovation de Henri Ford qui, peu après 1910, commença à produire à grande échelle sa Ford T. Cette voiture, qui permettait d’atteindre 70 km/h et ne coûtait que 550 $, était beaucoup plus abordable que les voitures électriques, qui coûtaient quatre 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 voitures thermiques ont dominé le marché grâce à des coûts de production plus bas, une autonomie supérieure, et un réseau de ravitaillement en carburant bien établi.

Cependant, les développements prometteurs des batteries au cours des dix dernières années, notamment avec l'amélioration des batteries lithium-ion, ont stimulé le développement de la voiture électrique dans un contexte de changement climatique et de pollution atmosphérique urbaine.

Les politiques gouvernementales, les incitations financières et une prise de conscience environnementale accrue devraient également jouer un rôle crucial dans la résurgence des véhicules électriques, dans le but de faire de cette technologie une partie intégrante de la transition énergétique mondiale.