Résumé
Contrairement à un préjugé courant, l’énergie électrique est loin d’être compétitive si on la compare, hors
taxes et subventions, et coût de batterie inclus, à celle des carburants.
Sur la base du brut à 108 $/baril, le
prix du Kwh thermique issu du gazole hors TVA et TICPE est de 0,063 €. Il croît
avec le prix du brut sans lui être proportionnel car ce prix intègre un terme
fixe d’environ ¼ correspondant au raffinage, traitements et transports.
Malgré la variété des contrats
proposés par ERDF aux particuliers, le prix moyen du Kwh électrique pour l’usager ressort pratiquement à 0,12 €HT qui
intègre une part d’abonnement de 0,02 €HT. Les réseaux dédiés à la recharge des
véhicules seront plus onéreux, car ils comporteront inévitablement un montant
élevé d’amortissement de leur création. L’usage de caténaires sur autoroute,
pas du tout en vogue, présente des avantages spectaculaires en contrepartie
d’une infrastructure lourde et d’une utilisation contraignante.
Les batteries lithium-ion ont un coût
élevé et une durée de vie limitée. Le coût d’utilisation d’un véhicule
électrique est donc la somme de deux termes, ici ramené au KWh :
- Le coût de l’énergie électrique,
évalué à 0,12 €/Kwh
- Le coût de la batterie divisé par le
nombre de cycles avant remplacement, ou le coût de location de batterie divisé par le nombre mensuel de recharges
Actuellement, le second terme est
largement prépondérant, et le reste même si l’on double le nombre cycles tout
en divisant le prix de la batterie prix par deux. Ceci est le principal frein
au développement des véhicules électriques. Les prix élevés de location des
batteries en sont la conséquence.
La technologie LMP (Bolloré) est
performante, mais nécessite un maintien de la batterie à une température élevée
qui se traduit par une dissipation thermique faible, mais permanente, fournie par le réseau,
inacceptable pour le grand public, mais appropriée pour des Autolib'.
La comparaison thermique / électrique
pour un véhicule doit s’effectuer après prise en compte des rendements.
- Sur autoroute, la vitesse est
constante, les forces aérodynamiques
sont prépondérantes et les forces de roulement sont significatives. La
puissance relativement élevée autorise un rendement correct des diesels. Ordre
de grandeur des rendements
- Electrique : 80%
(batterie) x 90% (moteur) = 72%
- Thermique : 36%
pour un moteur diesel moderne.
- En fonctionnement urbain, très complexe, les forces
aérodynamiques sont négligeables, les forces de roulement significatives, mais
la principale utilisation des moteurs est la création d’énergie cinétique. Or celle-ci finit par revenir à zéro soit par
action des freins (dissipation
thermique), soit par récupération partielle par le moteur électrique vers la
batterie, soit par ralentissement naturel du véhicule (transformation en
énergie de roulement). Dans cette utilisation urbaine, les
rendements se dégradent un peu pour le moteur électrique (de 90% à 77%)
et beaucoup pour le diesel (de 36% à 15%).
Dans l’état actuel des prix et des
technologies, la comparaison HT est toujours en faveur du gazole. Des hypothèses
de forte augmentation du brut accompagnée d’une moindre augmentation de
l’électricité avec un doublement de la durée de vie des batteries et une baisse
de moitié de leur prix amène la compétitivité de l’énergie électrique en ville,
mais le gazole reste le plus compétitif sur autoroute, sauf à y installer des caténaires qu'il ne faut peut-être pas être éliminer trop vite.
Une sortie du nucléaire entraînant
une hausse de prix supplémentaire de 56% sur l’électricité, rendrait presque
impossible son utilisation dans les véhicules. Les écologistes devront
choisir leur doctrine!
Bases de comparaison : le prix hors taxes
Image « 20 Minutes »
Il est communément admis que l’énergie électrique utilisée
pour la propulsion des véhicules revient beaucoup moins cher que les carburants
conventionnels. Une analyse plus fine montre que ce lieu commun s’appuie sur des
chiffres biaisés, et cache une réalité complexe, le plus souvent opposée !
La TICPE, ex TIPP fort ancienne, s’appliquant aux carburants, n’a
jamais cessé d’être
la contrepartie de
la mise à disposition par l’Etat des infrastructures et services utilisés
par les transports routiers. Elle n’a jamais été un impôt écologique, qui ne
pourrait qu’être qu’une
taxe carbone
applicable à
tous les combustibles
fossiles, quel qu’en soit l’objet, déjà envisagée, mais jamais décidée. Il n’y
a donc aucune raison pour que les véhicules hybrides rechargeables ou
électriques soient dispensés d’une taxe équivalente à la TICPE, puisqu‘ils ont
recours aux mêmes infrastructures et services.
Les taux de TVA varient selon les énergies :
- Les
carburants supportent le taux de 20% qui s’applique également sur la TICPE
ainsi considéré comme une « valeur ajoutée », et aussi sur les
consommations électriques.
- Curieusement, les abonnements restent soumis au taux
réduit de 5,5%, pas même porté à 7,0%.
L’énergie électrique supporte actuellement deux taxes :
- La CSPE (contribution au Service Public de l’Electricité)
destinée à compenser les pertes d’ERDF dans
la vente, au prix tarif, des énergies vertes (éolienne et photovoltaïque) achetées
à un prix préférentiel fixé par les Pouvoirs Publics.
- La TCFE (Taxe sur le Consommation Finale d’Electricité), qui
est un impôt local.
- Une CSSE (?) (Contribution au Service Social de
l’Electricité) destinée à financer les réductions de prix des abonnés jugés
défavorisés, apparaîtra en application de la loi Brottes votée en
2013, dont on attend (peut-être pour longtemps !) les décrets
d’application.
Il va de soi que ces distorsion d’origine politique n’ont de
sens ni technique, ni économique à long terme, et que seule,
la comparaison hors-taxes (TVA, TICPE et autres) est pertinente. Nous y procédons ci-dessous.
Filière thermique
L’énergie des carburants
Rappelons que le pouvoir
calorifique, ou enthalpie de combustion, de l’essence et du gazole par
unité de masse est la seule unité pertinente à l’exclusion du volume
utilisé pour des raisons pratiques de comptage. Il est égal à 44,8 Mj/Kg, soit 12,4 Kwh/Kg
La distillation du
pétrole brut donne de nombreux produits, dont l’essence et le gazole, dans
des proportions qui dépendent de l’origine du brut. La distillation a un coût
qu’il est impossible d’attribuer à un de ses produits plutôt qu’à un autre.
Dans ces conditions, l’essence et le gazole ont, en sortie de distillation, le
même coût au Kg. Les traitements complémentaires, les échanges et transports
dus aux particularités de marchés nationaux, peuvent altérer cette symétrie,
mais de façon relativement faible et peu significative. Le marché peut
évidemment différencier les prix indépendamment des coûts, selon l’offre et la
demande
Aussi, pour simplifier nos comparaisons, nous ne traiterons
ci-dessous que du gazole, en sachant que l’essence n’a pas de différence
significative.
L’énergie thermique peut se transformer en énergie mécanique
dans un moteur thermique soumis au principe de Carnot-Clausius, c’est-à-dire
avec un rendement, mauvais dans l’absolu,
qui varie entre 15% et 43% suivant les
conditions
d’utilisation d’un moteur diesel moderne.
Nous baserons les comparaisons sur un rendement utile du
moteur thermique de 36% sur autoroute, car cette utilisation correspond
à un point de fonctionnement du moteur proche de l’optimum.
Le cas du trafic
urbain, complexe et beaucoup moins favorable, est analysé plus loin.
Le prix des carburants
Le tableau ci-dessous donne la structure des prix actuels
depuis celui du pétrole brut en dollars par baril jusqu’à celui du Kwh thermique en Euros.
Il ne fait aucun doute la demande de pétrole va croître plus
vite que l’offre, et que son prix va inéluctablement monter, ce qui amène à
mettre dans le tableau ci-dessous deux stades d’évolution aboutissant à un
doublement du prix, les autres facteurs étant constants, et les taxes
éliminées.
Le coût du raffinage et du transport n’étant pas prépondérant,
le prix HT du gazole à la pompe ne double pas, mais augmente quand même de 76%.
Bien entendu, nous ne prenons pas le risque d’une prévision de
délai, et nous limitons à analyser les effets de ces situations sur la compétitivité du gazole.
Filière électrique
Prix HT d’approvisionnement au réseau domestique ERDF
La situation est complexe en raison de la multiplicité des
tarifs domestiques ERDF, qui en commercialise actuellement trois :
- Le tarif de Base, pour des puissances jusqu’à 15 KVA, avec un prix
unique du Kwh
- Le tarif Jour / Nuit, de 6 à
36 KVA, qui différencie un peu les prix entre les 14 heures de jour et les 10
heures de nuit.
- Le tarif Tempo, de 9 à 36 KVA, qui, en plus, différencie fortement
trois types de jours, dits Bleus (300 jours), Blancs (43 jours) et Rouges (22
jours), la couleur étant connue la veille à 20h pour la journée et la nuit
suivantes, soit un préavis de 10 heures. Le tarif « Jour rouge » est
très dissuasif, dans un facteur 6,5 par rapport au minimum « Nuit
bleue ».
Chacun de ces tarifs comporte :
- Un abonnement, dont le prix est plus que
proportionnel à la puissance souscrite, avec une rupture à 20 KVA pour des
raisons mystérieuses.
- 1, 2 ou 6 niveaux de prix du Kwh.
La logique de l’ensemble ne saute pas aux yeux, mais les
tarifs s’imposent quand même. Deux graphiques résument ces tarifs HT (TVA
5,5%):
Les points ci-dessus représentent les tarifs d’abonnement. Le
trait bleu, le modèle simplifié que nous utiliserons ci-dessous.
- De 3 à 18 KVA, l’abonnement annuel ressort à 13,00 €/KVA
- De 24 à 36 KVA, il atteint 19,50 €/KVA
Les abonnements à partir de 24 KVA étant rares, nous
adopterons pour nos comparaisons le prix de 13,00 €HT/KVA.
Les tarifs HT (TVA 20%) du Kwh sont résumés par le graphique suivant :
Le calcul du prix moyen nécessite de prendre en compte dans le
tableau ci-dessous :
- La pondération des trois
tarifs. Estimée, elle est incertaine, mais leurs moyennes sont peu
différenciées et le rouge Tempo est très dissuasif.
- L’occurrence de chaque
tranche à l’intérieur de chaque tarif, très précise
Nous adopterons évidemment 0,10 €HT/Kwh qui correspond
au trait noir horizontal sur le graphique à colonnes.
Abonnement
Pour en évaluer l’impact, considérons un véhicule électrique utilisé
en milieu urbain parcourant 30 km par jour, et ce, 300 jours par an, soit
9 000 km par an. Son autonomie pratique est de 90 km. Il doit donc
recevoir l’équivalent de 9 000 / 90 = 100 recharges complètes qui
nécessitent 6 heures chacune, soit une durée totale de charge de 600 heures. Selon
ces chiffres, l’impact de l’abonnement sur le prix du Kwh est de :
13,00 €/an / 600 Kwh/an
= 0,02 €/Kwh
Il peut varier notablement selon le taux d’utilisation, comme
pour tout appareil électrique. Mais ses variations affecteront peu le coût
complet du Kwh que nous prendrons en compte :
0,10 €/Kwh (variable) +0,02 €/Kwh
(fixe) = 0,12 €/Kwh (complet)
Réseaux électriques dédiés
On ignore tout du prix de l’énergie électrique dans les réseaux publics dédiés à la recharge des
véhicules électriques dans l’espace public, puisqu’il n’en existe qu’un en
France : le réseau Autolib’ dans lequel l’énergie électrique fait partie
des prestations annexes à la mise à disposition du véhicule, laquelle est facturée
à l’heure en sus d’un petit abonnement. On ne connaît donc pas le coût de la
recharge qui n’est d’ailleurs que très vaguement quantifiée par la jauge de
batterie.
Néanmoins, si demain des réseaux de recharge publics venaient à être
développés pour les véhicules particuliers, le prix de l’énergie y serait
nécessairement beaucoup plus élevé que le prix ERDF à l’abonné, pour trois
raisons :
- Amortissement d’une nouvelle structure très coûteuse
- Longue durée des recharges interdisant une rotation rapide
- Marché captif, notamment sur autoroute
Faute d’autres éléments, la suite de l’étude est donc limitée
aux prix ERDF.
Prix du Kwh mécanique utile d’origine électrique
Le rendement d’un moteur électrique avec son électronique de
commande associée est bon. Sans rentrer dans les détails des différentes
technologies et conditions d’utilisation, nous considérerons un rendement de 90%,
incomparablement supérieur à celui d’un moteur thermique.
Par surcroît :
- Le moteur est réversible,
et les électroniques de commande modernes le sont aussi : il permet (dans la
limite de son couple) de freiner le véhicule en récupérant, sous forme électrique,
l’énergie cinétique résultant du ralentissement du véhicule, au rendement près.
- Il ne consomme rien à l’arrêt.
- L’énergie qu’il consomme est toujours utile, et ne sert qu’à
vaincre les forces de roulement et aérodynamiques. Son rendement est bon
partout. S’il pouvait utiliser directement l’énergie
du réseau, le moteur électrique serait la solution idéale.
Malheureusement, les
automobiles sont…mobiles ! Il faut donc :
- Stocker l’énergie avant le départ
- Ou utiliser des caténaires
Stocker l’énergie dans une batterie chargée avant le départ
et déchargée en cours d’utilisation. C’est l’unique solution actuellement
considérée. Mais ces batteries, malgré leurs progrès impressionnants, ont des
gros défauts. Nous citerons ici uniquement ceux qui impactent le coût :
- Un rendement de l’ordre de 80%
- Un coût élevé
- Une durée de vie limitée par le nombre de cycles
Image Toyota : Batterie Lithium-Ion
Utiliser des caténaires,
comme les trolleybus d’antan. Cette solution est actuellement ignorée,
peut-être à tort. Elle nécessite une infrastructure lourde, introduit des
contraintes d’utilisation, mais présente aussi des avantages considérables :
- Une technologie simple et éprouvée.
- En biphasé 400 volts (basse tension), 1 cheval (756 w) par ampère.
- Autonomie ilimitée et possibilité de rouler à vitesse
élevée,
- Compatibilité avec des véhicules hybrides thermique/caténaire ou batterie/caténaire, ces derniers pouvant être rechargés en temps masqué.
- Réellement propre, contrairement à l’industrie des batteries.
- Possibilité de d’organiser la circulation en « trains virtuels » de véhicules proches les uns des autres en pilotage automatique (dessin ci-dessous).
- Réduction de la consommation par l'amélioration de l’efficacité énergétique (50%?) due à ces trains, et par élimination du rendement
de batterie (80%), soit une éduction totale de l'ordre de 60%.
- Grâce à ces trains, augmentation du débit des autoroutes à génie civil
inchangé.
- Confort et maintien de la liberté des horaires et de l’autonomie
du véhicule individuel qui va de porte à porte sans rupture de charge,
contrairement aux transports en commun.
Dans le tableau de comparaison, nous introduisons
l’amortissement de l’infrastructure par un prix de l’énergie électrique majoré
de 50%.
Ce chiffre est évidemment discutable ! Cette énergie pourrait être
décomptée, ou incluse dans le péage autoroutier.
Technologie LMP : Lithium Métal Polymère
Pour cette technologie, la nécessité de maintenir en
permanence la batterie à une température
donnée (de l’ordre de 70°C) entraîne une déperdition d’énergie thermique faible,
mais permanente. Nous l’avons définie par la durée pendant laquelle la capacité
de la batterie permet de la maintenir en température. Pour une Bluecar
(Autolib’ de Bolloré) une source journalistique donne le chiffre de 72 heures
pour ¾ de charge perdue, extrapolée à 4 jours pour une charge complète. Ceci
correspondrait à :
- 365 / 4 ≈ 90 charges par an dissipées en chaleur.
- Equivalent à 10 watts dissipés en permanence par Kwh de
capacité de batterie. Ce chiffre dépend évidemment de la température
extérieure.
Ces chiffres sont plausibles, mais demanderaient à être
confirmés. Par prudence, nous adopterons 6 jours de maintien, soit 365 / 6 ≈ 60
charges dissipées par an, nettement plus favorable.
L’impact de cette perte sur le coût de l’énergie électrique dépend
essentiellement de la durée d’utilisation des véhicules. Elle est tout à fait
acceptable pour un taxi Autolib’ en libre-service qui est constamment connecté
en dehors de son temps d’utilisation, et pourrait l’être pour les autobus
électriques sur batterie LMP que la RATP envisage.
- Pour un véhicule particulier parcourant 9 000 km/an et ayant
une autonomie pratique de 90 Km, c’est-à-dire nécessitant l’équivalent de 100
recharges complètes par an, le rendement sur l’énergie de charge est de 100 / (100+60) = 62%
- Pour un véhicule professionnel (taxi, livraison…) parcourant
18 000 km/an, soit 200 recharges, ce rendement monte à 200/(200+60) = 77%
Les tableaux de comparaisons sont basés sur un coefficient de 62%. La réduction de ce coefficient est peut-être possible selon
deux axes :
- Réduction de la température de fonctionnement
- Amélioration de l’isolation
A défaut d’information à ce sujet, nous partirons de
l’hypothèse d’un allongement de la durée de maintien de 50% par stade
d’évolution, c’est-à-dire à des rendements de charge portés de 62% à
71%, puis 79%.
Trafic urbain
La comparaison des rendements des véhicules thermiques ou
électriques en trafic urbain nécessite une analyse plus fine de ce trafic, car
les rendements varient du tout au tout selon les phases du cycle. Elle ne peut
donc se faire que pour un cycle déterminé, que l’on doit choisir :
- aussi proche que possible d’une réalité qui est d’ailleurs mal
connue,
- simple, pour mettre en relief les différences de comportement
entre le thermique et l’électrique au cours de ses différentes phases.
Notre exemple est constitué de :
- une accélération de 1,4 m/s² de 0 à 14 m/s (50 km/h)
- une vitesse constante pendant 240 m
- une décélération « naturelle » de 0,2 m/s² pendant
240 m
- un freinage de 2m/s² jusqu’à l’arrêt.
- un arrêt de 1 minute
Au total, 574 m parcourus en 112 secondes (arrêt inclus), soit
une vitesse moyenne de 19 km/h selon le profil du graphe ci-dessous.
Le tableau ci-dessous donne les valeurs et les résultats de calculs.
La partie « Dynamique » est commune aux
deux familles. Les forces aérodynamiques, très minoritaires en dessous de 50
km/h n’y sont pas prises en compte. Elle montre que pour parcourir le cycle, le
moteur (quel qu'il soit) doit fournir 158 Kj pour vaincre
les forces de roulement sur les 574 mètres, et éliminer au freinage final
64 Kj d’énergie cinétique excédentaire, soit sous forme de chaleur perdue dans
les freins, soit sous forme de récupération électrique partielle.
Le moteur thermique assure un bon
rendement (40%) pendant l’accélération qui peut être effectuée au régime
approprié (autour de 2000 t/min) et ce avec un couple suffisamment élevé. Ce
rendement se dégrade fortement (25%) dans la phase de maintien en raison d’un point
de fonctionnement éloigné de l’optimum.
Il n’a pas de sens (0/0) pendant la décélération et le
freinage (accélérateur relevé sur un rapport long) : le roulement ralentit
naturellement le véhicule pendant que le moteur n’est plus alimenté). Il est
nul pendant l’arrêt final, car le moteur, au ralenti, continue à consommer sans
rien produire.
Au total il a consommé 1026 Kj thermiques, soit un rendement
de 15%
Le moteur
électrique est supposé avoir un rendement constant de 90% par rapport à
l’énergie sortant de la batterie. La récupération d’énergie cinétique est
faite à travers une cascade de rendements : 90% pour le moteur agissant en
génératrice, puis 80% pour la batterie, puis à nouveau 90% pour le moteur, soit
80% x 90%² = 65%. Le moteur ne consomme rien en décélération naturelle, ni à
l’arrêt. Au total, il n’a consommé que 205 Kj net après récupération de 65% de
l’énergie cinétique excédentaire, soit un rendement de 77%, cinq fois supérieur à celui du moteur
thermique.
Comparaison des prix thermique / électrique
Le tableau ci-dessus part des prix HT du Kwh thermique ou électrique, leur applique les rendements qui ont été évalués plus haut et débouche sur des prix du Kwh utile, celui qui sert à vaincre les forces de roulement en ville, et aérodynamiques sur autoroute, puis du Kwh complet incluant la quote-part de batterie.
Il en ressort que
l’énergie électrique des batteries est très loin d’être compétitive, même en
ville malgré la supériorité évidente du moteur électrique dans cette
application. Même l’alimentation par caténaire sur autoroute reste un peu plus
chère que le gazole.
Si l’on avait pris
en compte le coût réel de location de batteries tel que proposé par Renault sur
ses Zoé et Twizy, l’impact de la batterie atteint 2,7 à 10 fois le coût de
l’électricité par charge. Les hypothèses du tableau ci-dessus sont donc
optimistes.
Les scénarios
« Evolution 1 » et « Evolution 2 » se différencient
de l’ « Actuel » par la prise en compte, en deux évolutions
successives :
- D’une division par 2
du prix des batteries
- D’un doublement de
leur durée de vie
- D’un doublement du
prix du pétrole brut, vu ci-dessus,
- D’une augmentation
de 44% de l’électricité, ou de 125% en cas de sortie du nucléaire.
Ces scénarios sont à nouveau optimistes quant à l'évolution des batteries. Ils aboutissent aux
comparaisons suivantes :
Evolution 1 : La baisse
de 29% du prix des batteries composée avec l’augmentation de 41% de leur durée
de vie divise le prix du stockage par 2. Le brut augmente de 41%, et
l’électricité de 20% seulement. Les batteries deviennent compétitives en ville,
sans plus. Elles sont très loin de l’être sur autoroute.
Evolution 2 : La division par 2 du prix des batteries composée
avec le doublement de leur durée de vie divise par 4 le prix du stockage. Le
brut double. L’électricité augmente de 44% seulement. Les batteries s’imposent
pour l’usage urbain, mais demeurent plus chères que le gazole pour les longues
distances qu’elles ne permettent pas de faire sans recharge. Les véhicules
électriques s’imposent en ville, mais y demeurent cantonnés, car les éventuels
caténaires n’apportent pas d’économie significative, sauf à réaliser les trains
virtuels en conduite automatisée qui apportent une forte baisse des forces
aérodynamiques, mais cette amélioration n’est pas liée à la motorisation
électrique.
Evolution 2 avec sortie du nucléaire :
Ce scénario est simultané et identique au précédent sauf en ceci que la France
renonce au nucléaire. Entre des énergies renouvelables coûteuses et fatales et
des énergies fossiles de plus en plus chères, le prix de l’électricité est évalué à 56% au-dessus du précédent. La compétitivité des véhicules électriques en ville
demeure sans être écrasante, et l’usage de l’électricité sur autoroutes
est loin d’être compétitif, même avec des caténaires.
Conclusion sur la comparaison hors taxes
et subventions
Sans étonnement, on
constate que le développement des véhicules électriques dans un marché libre et neutre
reste conditionné par :
- Des progrès
importants des batteries en termes
de coût et de durée de vie pour réduire le « coût de batterie » qui
s’additionne à celui de l’énergie électrique.
- La réduction des pertes thermiques des batteries LMP.
- Le maintien d’un prix de l’électricité raisonnable malgré les
risques de hausse :
- Impact des énergies fossiles sur le marché global
de l’énergie dont les segments sont interdépendants.
- Directives de
l’Union Européenne augmentant la part des énergies
dites « vertes ».
- Normes « Post Fukushima » augmentant le coût du nucléaire
- Risque de sortie totale ou partielle de l’énergie
nucléaire sous la pression d’une opinion publique inquiète.
- A l’inverse,
l’adoption du « yield management » pourrait
déboucher sur une baisse des prix du Kwh en heures creuses, favorable à la
charge des batteries de véhicules.
On peut s’attendre
voir les véhicules se développer dans des applications strictement urbaines, en
particulier professionnelles, mais pas sur les longs trajets, notamment
autoroutiers. Ce manque de polyvalence laisse
présager un bel avenir aux véhicules hybrides, rechargeables ou non, qui améliorent
les rendements et réduisent les coûts et inconvénients des moteurs thermiques
en ville, tout en conservant l’autonomie.
La sortie du
nucléaire est incompatible avec le développement des véhicules électriques,
sauf à accepter une augmentation massive des émissions de CO2.
