L’électricité propre, nouvel or noir de la voiture - Sfen

L’électricité propre, nouvel or noir de la voiture

Publié le 31 octobre 2017 - Mis à jour le 28 septembre 2021
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Demain la voiture roulera à l’électricité. C’est en tout cas l’ambition de plusieurs pays : Norvège, France, Royaume-Uni, Chine ainsi que de dix Etats américains et de grandes villes comme Paris et Londres. Tous souhaitent arrêter à plus ou moins brève échéance la vente et la circulation de voitures thermiques. Ce virage radical doit permettre de réduire significativement les émissions de CO2 et d’endiguer rapidement la pollution atmosphérique. Cependant, pour être vraiment écologique, le nouveau parc automobile, qui serait électrique et hybride, devra être alimenté par une électricité propre, sans quoi les effets sur l’environnement pourraient être dévastateurs.

Phographie de la situation en 2017

Air irrespirable

La pollution atmosphérique touche toute l’Europe, révèle l’Agence européenne de l’environnement [1]. Selon ses estimations, cette dégradation de la qualité de l’air aurait causé le décès prématuré de 520 400 personnes dans les 41 pays du continent européen, dont 487 600 au sein de l’Union européenne. L’Allemagne est le pays le plus touché avec 81 160 décès. De son côté, la France, en dépit d’une production électrique décarbonée [2], compte 45 840 décès prématurés.

Cependant, les pays en développement font face à des problèmes sanitaires bien plus importants. La Chine est le pays qui paye le plus lourd tribut avec 3 millions de décès prématurés selon l’Organisation mondiale de la santé (OMS). Désormais, il n’est plus rare qu’en Chine et en Inde, le taux de microparticules relevé dans les villes soit huit fois plus élevé que celui recommandé par l’organisation onusienne…

À l’échelle mondiale, une récente étude [3] publiée dans la prestigieuse revue The Lancet évalue à 9 millions le nombre de morts par an dus à la pollution de l’air. Selon les auteurs, la contamination de l’air, de l’eau et des sols tue trois fois plus chaque année que le sida, le paludisme et la tuberculose combinés.

Réchauffement climatique

La réduction rapide des émissions de CO2 s’avère de plus en plus indispensable. Toutefois, les secteurs les plus émetteurs de gaz à effet de serre ne sont pas les mêmes partout. Ainsi, dans la grande majorité des pays, la production d’électricité est le premier secteur d’émissions, totalisant 40 % des émissions globales de CO2 [4]. En Europe, le transport est responsable d’un quart de toutes les émissions de gaz à effet de serre. Cette part est en augmentation depuis 1990.

Au sein de l’Europe, seule une poignée de pays – la France, la Suède et la Norvège – ont réussi à décarboner leur production d’électricité. Pour ces États, l’essentiel de l’effort climatique réside donc dans l’utilisation de leur électricité pour se passer des énergies fossiles dans les transports, principal secteur d’émissions de CO2. Dans l’Hexagone, le transport représente ainsi 40 % des émissions de CO2.

Dieselgate

Dans ce contexte, plusieurs États ont annoncé leur ambition d’arrêter la commercialisation des véhicules thermiques dans les 20 prochaines années. Une détermination qui s’est renforcée avec les révélations autour du dieselgate qui ont jeté un doute sur l’honnêteté des mesures antipollution prises par certains constructeurs. Notons qu’en 2017, les moteurs diesel représentent 70 % des motorisations des véhicules particuliers et plus de 95 % dans les autres segments du transport routier [5].

 


2002


Vers la voiture sans CO2

Les ambitions européennes

Dans son plan climat présenté il y a quelques mois, le Gouvernement français a intégré un volet « mobilité propre ». Nicolas Hulot, ministre de la Transition écologique et solidaire, a ainsi annoncé sa volonté d’interdire

dans l’Hexagone la vente de véhicules thermiques d’ici 2040. Cet été, le Royaume-Uni, qui connaît des pics de pollution à répétition dans ses grandes villes, lui a emboîté le pas. Reste que dans ces deux pays, la

montée en puissance des voitures électriques est balbutiante : en 2017, le parc électrique représente une toute petite part de la flotte nationale. En France, cette part est inférieure à 1 %.

A contrario, la Norvège est en passe de réussir son pari. Parti au début des années 1990, le pays nordique est devenu aujourd’hui l’État où la pénétration de voitures électriques est la plus élevée au monde : plus de 100 000 véhicules pour 5,2 millions d’habitants. Forte de ce succès, la Norvège ambitionne d’arrêter la commercialisation de voitures thermiques d’ici 2025.

L’impulsion chinoise

Le passage à la voiture électrique et hybride pourrait connaître une accélération avec les déclarations de la Chine. Le plus gros marché de voitures au monde souhaite interdire la production et la commercialisation de voitures à carburants fossiles. Le calendrier est encore à l’étude mais la Chine a déjà exigé des constructeurs automobiles chinois et étrangers que les véhicules hybrides ou électriques y représentent 10 % de leurs ventes en 2019 (puis 12 % en 2020). Compte tenu du dynamisme du marché chinois, l’empire du Milieu est en capacité de contraindre l’ensemble de l’industrie automobile à s’engager pour le développement de la voiture électrique et hybride.


Avec 1,5 million de véhicules électrique en 2025, la demande pour cet usage est estimée à 4 TWh par EDF, soit 1 % de la consommation électrique totale de la France


Les voitures électriques sont-elles forcément bonnes pour l’environnement ?

Oui…

À la différence de leurs cousines thermiques, les voitures électriques et hybrides se marient plutôt bien avec les impératifs de réduction de gaz à effet de serre et de pollution atmosphérique. Sur la route, elles n’émettent pas de CO2 et significativement moins de particules fines que les voitures essence et/ou diesel. Les voitures électriques sont également bien moins bruyantes que leurs cousines thermiques.

Tous les signataires de l’accord de Paris de 2015 (COP21) doivent d’ailleurs proposer des objectifs nationaux pour la protection du climat, y compris – explicitement pour la première fois – pour le secteur des transports. Par ailleurs, le GIEC – qui recommande d’atteindre 80 % de production d’électricité bas carbone en 2050 – intègre une électrification de la mobilité à ces scénarios permettant de contenir le réchauffement global de la surface terrestre à 2 °C.

Cette électrification reste cependant conditionnée à la nécessité de produire une électricité à partir d’énergies propres, c’est-à-dire sans CO2 et sans polluants atmosphériques (SOX, NOX, etc.) qu’elles soient renouvelables ou nucléaire.

… Mais

Mettre une pile à combustible, un moteur à hydrogène ou un moteur électrique [6] sous le capot des prochaines automobiles participera à respirer un air plus pur mais pourrait également conduire à déplacer la pollution…

Une voiture électrique qui roule dans un pays où l’électricité n’émet pas de CO2 (France, Suède, Norvège) est plus écologique qu’une voiture à essence. De même, l’empreinte environnementale de la fabrication d’un véhicule électrique – dont l’opération requiert plus d’électricité qu’une voiture thermique (il faut autant d’énergie pour produire la batterie que pour le reste de la voiture) – émettra moins de CO2 dans ces trois pays.

A contrario, le bilan carbone d’une voiture électrique alimentée par du charbon ne serait meilleur que si la voiture restait alimentée par du diesel. C’est le cas en Allemagne. Ce qui a fait dire en mars dernier à sa chancelière, Angela Merkel : « Pour la protection du climat, les voitures diesel restent aujourd’hui aussi bonnes qu’elles l’étaient hier et avant-hier [7]. » En effet, d’un point de vue environnemental, le mix électrique allemand est très carboné – 500 grammes de CO2/kWh, comparable à celui des États-Unis –, le bilan en CO2 du véhicule électrique n’y est donc pas meilleur que celui de son équivalent thermique. La fabrication de batteries étant très consommatrice en énergie, le pays aurait encore plus de mal à tenir ses engagements si elles étaient fabriquées sur place.

 
Les matières premières seront-elles suffisantes pour fabriquer les batteries ?
UBS a récemment chiffré que si toutes les voitures en circulation (1 milliar de voitures) étaient électriques, la production du lithium devrait augmenter de 2 980 % et celle du cobalt de 1 980 %. Ce métal est (comme son nom ne l’indique pas) un des principaux composants des batteries lithium-ion, indispensables aux véhicules électriques.
La Banque mondiale confirme les chiffres de la banque suisse puisqu’elle prévoit que la transition énergétique pourrait entraîner une augmentation de la demande de métaux de plus de 1 000 % [8].
La question de la disponibilité des matières premières rares nécessaires à la production des batteries pose de nombreuses questions. Certains métaux sont concentrés dans certains États au lieu d’être répartis équitablement sur la planète. L’approvisionnement du cobalt est ainsi considéré comme « critique » en raison de la forte concentration de sa production en République démocratique du Congo (65 % de la production mondiale).
 

Quelle énergie pour alimenter les voitures ?

Production et pilotage de la demande avec un parc automobile « petit »

Le marché de la voiture électrique est en croissance mais le rythme actuel de renouvellement de la flotte ne nécessite pas de développer de nouveaux moyens de production d’électricité. EDF anticipe 1,5 million de véhicules électriques en 2025, et entre 13 et 15 millions à l’horizon 2040, contre 115 000 aujourd’hui. Avec 1,5 million de véhicules, la demande en 2025 pour cet usage est estimée à 4 TWh par l’électricien, soit 1 % de la consommation électrique totale de la France. En 2030, elle pourrait atteindre 10 TWh et entre 35 et 40 TWh en 2040. L’heure n’est pas à l’inquiétude. Dans son bilan prévisionnel 2016 (à l’heure où cet article est écrit, le rapport 2017 n’a pas encore été publié), RTE calcule que si un parc d’un million de véhicules électriques se rechargeait simultanément, la demande supplémentaire varierait entre 0,6 GW et 0,9 GW selon les saisons [9].

L’opérateur de transport d’électricité établit toutefois trois profils de charge dont la prévalence conditionnera l’impact sur le réseau et la production électrique des véhicules électriques : « charge naturelle », « signal tarifaire » et « Battery Management System (BMS) ». Dans le premier cas, les véhicules sont rechargés en fonction du besoin, sans contrainte ou incitation. Dans le deuxième, les véhicules sont rechargés pendant les heures creuses à la réception d’un signal tarifaire par simple incitation tarifaire. C’est notamment sur cette option que travaille le constructeur Renault, qui a dévoilé mi-octobre son application ZE Smart Charge. Lancée aux Pays-Bas, elle permettra aux utilisateurs de VE de se rémunérer en rechargeant leur batterie pendant les heures creuses au moyen d’une application. Enfin, le dernier mode de charge, le « BMS », serait le moins impactant pour le réseau car la batterie serait sollicitée selon les besoins du réseau.

Pour l’Observatoire de l’industrie électrique [10], l’enjeu est d’optimiser la production actuelle pour inciter la recharge intelligente et pilotée. Ainsi, les experts réfléchissent aux services systèmes que pourrait rendre la voiture électrique en faisant du vehicule to grid. L’idée serait que les véhicules contribuent à la stabilité du système électrique en rechargeant les batteries depuis le réseau lorsque la demande générale d’électricité est faible. À plus long terme, cela pourrait également permettre aux véhicules électriques de restituer de l’énergie électrique provenant de leurs batteries vers le réseau lorsque la demande générale d’électricité est élevée. Cette modernisation passe notamment par le développement des réseaux intelligents (smart grids). Ces technologies permettraient de gagner en réactivité et en flexibilité pour piloter les réseaux de distribution et réguler les bornes de recharge, afin de toujours assurer l’adéquation entre l’offre et la demande d’électricité, et cela, en temps réel.


En Europe, le transport est responsable d’un quart de toutes les émissions de gaz à effet de serre.


Et si demain le parc automobile était tout électrique ?

Créer de nouveaux moyens de production d’électricité « pilotables » pourrait être nécessaire si l’ensemble de la flotte était électrique et que les Français rechargeaient tous en même temps leur voiture. Selon France Stratégie [11], le think tank du Premier ministre : « Un parc de 30 millions de véhicules électriques se rechargeant en même temps à 19 heures, même lentement à 3 kW, nécessiterait une puissance supplémentaire installée de 90 GW (gigawatts), soit un quasi-doublement de la demande de pointe actuelle. »

Pour rappel, la loi sur la Transition énergétique pour la croissance verte (2015) prévoit d’abaisser la part du nucléaire dans la production d’électricité à 50 %. Un fin connaisseur de ces questions, Jean-Marc Jancovici, président du think-tank The Shift Project prévient : « Si elle devait être appliquée à la lettre, on perdrait une partie de la puissance pilotable, et ça n’aiderait pas à recharger 30 millions de véhicules ! »

Un faux problème ? Le Commissariat général au développement durable rappelle dans son Analyse coûts bénéfices des véhicules électriques que la substitution complète du nucléaire (ou des centrales à gaz ou au charbon) par des moyens de production « électronique de puissance » de type batterie pour la réserve de puissance n’est pas envisageable. En effet, les moyens dits « inertiels » sont nécessaires à la stabilité du réseau.

Et pour conclure

Dans ce contexte, de nouveaux acteurs émergent. Pour se distinguer ils devront avoir plusieurs casquettes et maîtriser à la fois, la production d’électricité, les smart grids et les technologies de l’information, y compris l’intelligence artificielle. Récemment, Renault est entré dans le capital de la start-up hollandaise spécialisée dans la recharge intelligente, Jedlix [12]. Le constructeur français espère à terme utiliser la voiture pour réinjecter l’énergie de la batterie dans le réseau grâce à des dispositifs de charge bidirectionnels. La voiture électrique est donc appelée à changer notre quotidien et à réorganiser, plus ou moins fortement, le marché de l’énergie. Affaire à suivre.


« Qualité de l’air en Europe », rapport 2017, Agence européenne de l’environnement.

En France, la production d’électricité est à 95 % décarbonée.

« Pollution, health, and the planet: time for decisive action », The Lancet, 19 octobre 2017.

AIE 2015.

SOeS

Deux options techniques sont possibles pour le développement des véhicules électriques : les batteries et les piles à combustible. Les travaux effectués au niveau mondial par les différents laboratoires de recherche ont permis de mettre sur le marché des batteries performantes et fiables, ces travaux sont à l’origine de la réalité du véhicule électrique et de son développement. La technologie de la pile à combustible évolue également mais son stade industriel est encore lointain et sa mise en oeuvre comme mode de traction nécessitera le déploiement d’un réseau de stations d’hydrogène actuellement quasiment inexistant.

« Angela Merkel verteidigt Diesel-Autos », Frankfurter Allgemeine Zeitung, 23 mars 2017.

“The Growing Role of Minerals and Metals for A Low-Carbon Future” (2017) – Banque mondiale

Le chiffre 0,6 à 0,9 GW s’entend sans recharge rapide.

Les enjeux de l’intégration des véhicules électriques dans le système électrique, Observatoire de l’industrie électrique (septembre 2017).

« Le véhicule propre au secours du climat », France Stratégie (2016).

Jedlix a développé l’application ZE Smart Charge. Celle-ci vient optimiser la charge des véhicules électriques pour profiter au maximum des énergies renouvelables et des tarifs d’électricité les plus bas.


Par Boris Le Ngoc (SFEN)

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