Véhicules alternatifs : Quels scénarios pour le futur?

Table des matières du blog www.8-e.fr

Energie

Bâtiment

Véhicules

Profil

Sujets connexes au présent message

1 . Besoins actuels du transport routier en énergie primaire

2 . Modélisation du véhicule-type et validation

3 . Architecture et 4 . Energie des véhicules alternatifs

Résumé

La transformation du parc routier actuel en véhicules alternatifs, à hydrogène, batterie ou caténaire, tous basés sur l’énergie électrique, aboutirait à un énorme besoin supplémentaire. Or les évolutions  prévisibles relatives à l’énergie, sont pour la plupart défavorables :

• Raréfaction des hydrocarbures fossiles et restrictions d’émissions de CO₂, donc substituts à trouver pour les carburants, le chauffage et la production électrothermique.
• Stagnation probable de l’énergie hydraulique, et faible développement des énergies éoliennes et photovoltaïque du fait de leur intermittence.
• Améliorations de l’efficacité énergétique  des véhicules, et du bâtiment (isolation et apports thermiques solaires).
• Probable introduction de tarifs variables et de réseaux intelligents pour gérer les pointes de consommation

Dans ce contexte, l’abandon de l’énergie électronucléaire poserait des problèmes difficilement surmontables. Un EPR produit autant que 4 000 éoliennes de 2 MW ou que les 4 départements 75, 92, 93, 94 entièrement recouverts de panneaux solaires, dont les productions sont par surcroît intermittentes !

• La création de stations de stations de recharge est  simple dans les parkings préexistants (habitation, entreprise, urbain, commerciaux) mais assez onéreuse sur les autoroutes (puissance élevée pour limiter de très grandes surfaces de recharge).
• La production d’hydrogène serait plutôt décentralisée dans chaque station qui pourrait assurer la production selon la demande et le prix (variable) de l’électricité grâce à un stock aval.
• D’éventuelles caténaires constitueraient un investissement lourd, mais bien inférieur au génie civil d’une autoroute, et éviterait les stations de recharge.
• La perception de la TICPE assujettie à la TVA, qui est la contrepartie des infrastructures de transport et non un impôt écologique, amènerait quelques complications, notamment pour les stations de recharge privatives.
• L'autonomie est un paramètre critique des véhicules alternatifs, sauf s’ils sont alimentés par caténaires. Sauf progrès imprévisible, les véhicules à batterie resteront urbains, et l’autonomie des véhicules routiers à hydrogène n’excéderait pas 400 Km au prix d’un alourdissement de 200 à 300 Kg.
• Les véhicules conventionnels continueront à s’améliorer à se différencier selon leur usage. Des solutions intermédiaires se développeront avant les véhicules alternatifs, notamment des hybrides série et/ou des véhicules au gaz naturel qui apporte, à masse égale réservoir inclus, 3 fois plus d’énergie que l’hydrogène.
• Dans une évolution aussi complexe et techniquement incertaine, le législateur doit s’abstenir de faire des choix appuyés par des mesures fiscales ou incitatives, et laisser le marché juger de la pertinence des solutions proposées par les acteurs, constructeurs et équipementiers.

5 . Comparaison des architectures

Le tableau ci-dessous reprend et complète les éléments des trois messages précédents pour tenter une synthèse des avantages et inconvénients des six architectures de véhicules alternatifs sans émission locale ni carburants fossiles envisagés précédemment. Toutes sont basés sur l’énergie électrique utilisée soit directement, soit via le vecteur hydrogène produit par électrolyse.

5.1. Infrastructures d’énergie électrique – Situation générale

5.1.1. Selon l’architecture utilisée, le besoin énergétique du parc routier national est donné ci-dessous. Ses ordres de grandeur monstrueux parlant peu, il est préférable de les exprimer de façon plus concrète :

• En 3^ème ligne, en pourcentage d’augmentation de la production électrique nationale actuelle. Selon les cas, elle est susceptible de doubler.
• En dernière ligne, en nombre de réacteurs nucléaires EPR de 1,9 Gw (à construire) utilisés à 80% sur une année complète. 

5.1.2. De tels ordres de grandeur posent beaucoup de questions sur l’avenir général de l’énergie. Sans traiter ici ce sujet beaucoup trop vaste et complexe, rappelons les principales évolutions probables en France, positives ou négatives :

• Raréfaction des hydrocarbures fossiles, liquides et gazeux, par épuisement et renchérissement progressif.
• Selon le GIEC, nécessité de réduire les émissions de CO₂ conduisant à des restrictions d’usage de tous les combustibles fossiles carbonés, charbon et lignite en tête.
• En conséquence des précédents, substituts à trouver, non seulement pour carburants routiers, mais aussi pour le chauffage domestique et industriel, et pour la production électrique par centrales à gaz ou à vapeur.
• Croissance de la population,  du parc de logements et de la demande de transport de personnes et de marchandises.
• Possible réduction des biocarburants en concurrence avec l’alimentation humaine qui est en croissance qualitative et quantitative
• Peu de développement significatif de l’énergie hydraulique et de sa variante réversible (STEP), faute de sites équipables. Les moyens de stockage énergétique resteront donc limités et locaux.
• Amélioration de l‘efficacité énergétique dans tous les domaines : chauffage (isolation, pompes à chaleur actuellement méconnues), éclairage (technologies), moteurs (aimants et commutation électronique).
• Apports thermiques solaires directs dans le bâtiment (chauffe-eau en toiture, baies au sud)
• Développement limité des énergies éoliennes et photovoltaïques, malheureusement fatales et plus ou moins prévisibles, contra-cyclique pour le photovoltaïque, qui nécessitent des centrales hydrauliques ou thermiques en veille, prêtes à prendre le relais.
• Développement de la biomasse, du biogaz, pour une part limitée et en partie fatale.
• Les  tarifs variables, selon les principes du « yield management » couramment appliqués notamment aux  transports aériens, s’imposeront : ils incitent à la réduction des pointes de consommation, et évitent l’installation de moyens de production de  pointe, impossibles à amortir.
• Les réseaux intelligents, compléments nécessaires de la tarification variable, pourront contribuer à réguler la consommation en la liant au tarif et à la production. Mais ils ne produiront rien, et l’intérêt de moyens de production électrique décentralisés ne saute pas aux yeux : la variabilité diminue, les coûts baissent et les rendements s’améliorent quand la puissance croît. par mutualisation des moyens de production.

Avant de statuer sur l’évolution de l’énergie électronucléaire, dont les inconvénients et risques sont connus, mais qui demeure la seule marge de manœuvre significative,  les décideurs seraient bien inspirés d’analyser attentivement les évolutions ci-dessus en dépit d’une minorité militante… Une décision positive suppose de trouver des sites, très probablement au bord de la mer, compte tenu de la puissance thermique à évacuer des condenseurs, et de la saturation des fleuves et notamment de la Loire. Quel gouvernement osera relancer le projet de centrale à Plogoff (Sud-Finistère), site naturel idéal ? Quel site pourra éviter de se transformer en ZAD ? Mais les faits sont têtus : un EPR produit autant que 4 000 éoliennes de 2 MW, ou que toute la surface de la ville de Paris et de ses trois départements limitrophes, couverte de panneaux solaires, avec l’avantage énorme d’une production continue.

5.2. Réseau de distribution d’hydrogène

La production centralisée d’hydrogène n’offrirait probablement pas d’effet d’échelle pouvant la justifier en compensant des prix élevés de transport, soit par « hydroducs » haute pression à créer, soit par camions citernes haute pression dont la capacité énergétique, limitée par le poids du réservoir, n’atteindrait que le 1/5 de celle d’un camion de gazole. Il est donc probable que chaque station de recharge disposerait de ses propres moyens de production raccordés au réseau ERDF.

Pour chaque station,  une optimisation sera à réaliser entre :

• La puissance d’électrolyse installée
• La capacité de stockage
• Le prix (variable) de l’énergie électrique

On peut ainsi envisager trois tendances, entre lesquelles le marché tranchera :

• à un extrême, une production tirée par la demande, donc avec très peu de stock, mais nécessitant une puissance d’électrolyse capable de suivre les pointes de consommation, et nécessitant l’énergie électrique au moment voulu, sans tenir compte de sa disponibilité, ni de son coût,
• au milieu, une production continue, donc de puissance optimisée, avec stockage aval permettant de filtrer les pointes de consommation,
• à l’autre extrême, une production poussée par l’offre d’énergie électrique en heures creuses, au meilleur coût énergétique, mais requérant une puissance d’électrolyse supérieure, puisque discontinue, et un stockage aval plus important qui doit faire face à la fois aux fluctuations de l’offre et à celles de la demande.

5.3. Infrastructure de recharge des batteries et caténaires

Elle est très simple dans les pavillons individuels, plus complexe, mais aisément soluble, dans les immeubles locatifs ou en copropriété, parkings d’entreprises, et parkings urbains ou commerciaux, car toutes ces aires de stationnement préexistent, et seule une ligne basique 2,5 mm² alimentant une prise standard 16 A (3 Kw) est à créer pour chaque emplacement de parking intérieur ou extérieur. La recharge peut s’effectuer pendant le temps de stationnement, et donc être relativement lente. Elle peut, si nécessaire, être facturée par de nombreux moyens automatisés, avec ou sans marge du distributeur sur le coût de l’énergie selon les cas. Ce n’est pas nouveau : les scandinaves ont coutume de connecter leurs véhicules conventionnels stationnant à l’extérieur en hiver, aux fins de préchauffage matinal.

Elle est beaucoup plus onéreuse s’il est nécessaire de créer les surfaces correspondantes, par exemple sur autoroutes, où elles devront être capables d’accueillir TOUS les véhicules qui se présentent et qui ne disposeront pas de marge d’autonomie résiduelle, sous peine de les voir tomber en « panne sèche » sur l’autoroute en provoquant des ralentissements désastreux. Afin de réduire le temps de recharge qui rallonge le voyage et augmente les surfaces dédiées, les postes de recharge seront beaucoup plus puissants, de l’ordre de 20 à 30 KW. L’équilibre économique d’unités dimensionnées en surface et en puissance pour les pointes de trafic, mais le plus souvent largement sous-utilisées, risque d’être problématique, et de conduire à des tarifs très supérieurs à ceux d’ERDF, d’autant qu’elles devront rester disponibles aux heures de pointe électrique.

La création sur autoroute ou voie rapide d’une ou deux voies dans chaque sens munies de caténaires, nécessiterait un investissement important, mais manifestement très inférieur à celui du foncier et du génie civil d’une autoroute. La meilleure efficacité énergétique (trains de véhicules + rendement) compenserait plus ou moins la vitesse plus élevée. Pour un trajet long, la puissance installée serait donc du même ordre de grandeur que celle nécessaire à l’ensemble des stations de recharge sur ce même trajet. Les moyens de production (centrales, lignes HT, transformateurs et distribution seraient donc comparables. Seules les caténaires proprement dites constitueraient un supplément, mais elles permettraient de réduire la taille des batteries et de supprimer les aires de recharge. Nous manquons d’éléments pour conclure sur un éventuel équilibre.

5.4. Fiscalité

Rappelons que la TICPE assujettie à la TVA n’est en rien un impôt écologique, mais, depuis toujours, la contrepartie du coût pour la collectivité des infrastructures routières et des services attachés. Il n’y a donc aucune raison pour que les véhicules alternatifs en soient exemptés. L’Etat ne peut d’ailleurs pas se passer d’une telle ressource.

Il est relativement simple d’assujettir les stations de charge dédiées et les caténaires à la TICPE et de l’intégrer dans le paiement. On peut le faire également chaque fois que le distributeur (parking urbain, commercial ou d’entreprise) qui facture est distinct de l’utilisateur. Mais ça devient très compliqué pour une copropriété ou un pavillon individuel, où il suffirait de changer de prise pour échapper à la taxe. Un compteur scellé sur les véhicules, avec relevé en ligne ? Bon courage !

La production d’hydrogène par électrolyse, tout comme la production de gazole par distillation du pétrole dans une raffinerie, devrait également être soumise à la TICPE. Toutefois, les stations d’électrolyse seront beaucoup plus nombreuses, en fait probablement une par station-service, ce qui risque de compliquer sérieusement le travail des Douanes chargées de collecter cet impôt, actuellement versé par les raffineries. Ajoutons que, contrairement au gazole non routier détaxé, dit « GNR » qui est rose, il ne sera pas possible de colorer en rose l’hydrogène destiné à des applications non routières : difficile d’éviter les fraudes !

Mais ne désespérons pas : le Législateur a largement démontré sa créativité en matière de nouvelles taxes, pas nécessairement très simples !

5.5. Autonomie

C’est le paramètre le plus critique des véhicules alternatifs : comment se passer des 12 KWh/Kg des hydrocarbures qui sont en plus liquides à température et pression ambiantes ?

L’hydrogène comprimé à haute pression requiert des réservoirs lourds en encombrants, en forme de cylindre à calottes hémisphériques, bien loin de la docilité des réservoirs actuels non pressurisés qui peuvent utiliser les espaces perdus ou de formes bizarres. Nous avons analysé ce problème dans notre message sur le stockage stationnaire de l’hydrogène, et admis une puissance spécifique, réservoir allongé inclus, de 0,7 KWh/Kg. Ce chiffre correspond à de l’acier dur sous contrainte effective de 760 GP, très élevée, avec une marge de sécurité réduite. Les composites, aramide/époxy et carbone/époxy,  peuvent augmenter la marge de sécurité, peut-être réduire un peu la masse, mais à un prix beaucoup plus élevé, qui semble peu compatible avec l’automobile. Leurs prix baisseront ils, et de combien ? L’avenir le dira ! Une  percée technologique majeure est peu probable dans ces techniques largement à maturité. Les volumes sont aussi en cause, avec des coffres fortement réduits.

Stockage d'énergie à bord :

• Dans le véhicule-type actuel, 50 Kg (59 litres) de gazole passant à zéro, soit une masse moyenne de 25 Kg, assurent 1 000 Km d’autonomie. 
• Dans la version la plus plausible du véhicule alternatif avec pile à combustible et batterie tampon, un réservoir de 140 kg assure 200 Km d’autonomie : c’est peu pour un véhicule routier. Si on double l’autonomie à 400 Km, acceptable, on arrive à 280 Kg : c’est lourd, et reste-t-il un coffre ? Les chiffres communiqués par GM à propos de leur parc de 30 Opel HydroGen4 semblent conformes à la première version. Peu enthousiasmant ! 
• Dans la version à batterie seule du véhicule alternatif, 280 Kg de batteries assurent seulement 200 Km d’autonomie selon le trajet-type : c’est lourd et cher. Si on revient à l’autonomie moitié,  soit 100 Km, on allège les batteries à 140 Kg : c’est un véhicule urbain qui peut avoir un sens. Ajoutons que les batteries au lithium étant une technologie récente, la probabilité d’un progrès majeur y est plus élevée que pour les réservoirs pressurisés.
• Un véhicule hybride batterie-caténaires permettait tout à la fois :
• Une autonomie urbaine identique à la version « moitié » précédente,
• Une recharge en temps masqué au stationnement et en circulation sous caténaire
• Une autonomie illimitée et une vitesse élevée sur les voies équipées
• Ces avantages évidents persuaderont-ils l’utilisateur d’adopter les disgracieux trolleys ? On pourrait imaginer que ce trolley ne soit qu’une option usine, ou même une option après-vente (prévue par le concepteur), permettant de convertir des véhicules électriques existants.

5.6. Conclusion…oh combien provisoire !

Compte tenu des sérieux inconvénients et du prix des véhicules alternatifs, il faudra que le prix des carburants augmente de façon colossale, ou que les restrictions d’émissions deviennent drastiques, pour que ces véhicules  puissent devenir compétitifs sans subvention massive (telle que le bonus écolo) ou biais fiscal majeur (TICPE et TVA par exemple).

Encore faudrait-t-il que l’infrastructure électrique le permette, ce qui impose pratiquement le développement de l’électronucléaire, très controversé. A défaut, on aboutira à faire rouler des véhicules « zéro émission » avec l’électricité produite par des centrales au charbon ou au lignite : l’Allemagne est en bonne voie sur la route de l’absurdité!

Face à ces difficultés majeures, il est probable que les véhicules basés sur les carburants fossiles n’ont pas dit leur dernier mot. La réduction des cylindrées, l’optimisation du point de fonctionnement par l’hybridation, une segmentation accrue du marché des VP par type d’utilisation, l’allègement et la récupération d’énergie cinétique des véhicules urbains, la réduction de la section des véhicules routiers, la conduite automatisée de trains de véhicules très proches les uns des autres pour réduire leur traînée, etc. peuvent encore réduire largement les consommations au prix d’inconvénients mineurs par rapport à ceux des véhicules alternatifs, et à moindre coût d’investissement et d’utilisation.

L’utilisation transitoire du gaz naturel comprimé, plus pérenne que le pétrole, comme carburant, est envisageable selon des architectures proches de l’hydrogène (moteur thermique ou pile à combustible avec reformage), avec le double avantage d’une énergie spécifique 3 fois supérieure due à sa masse volumique 8 fois supérieure, et d’un prix actuellement beaucoup plus bas.

Les hybrides rechargeables, parallèles, puis série (prolongateur), pourraient évoluer simultanément.

Des avancées technologiques majeures sont possibles dans tous les domaines, mais surtout, l’addition dans la culture automobile de la conception, des méthodes de production, de l’analyse de la valeur, de la production d’équipements en grande série, peut encore changer la donne, sans que l’on puisse deviner si ce sera au profit ou au détriment des véhicules alternatifs.

Il est essentiel que la pertinence des innovations technologiques soit jugée par le marché, et non par le Législateur. L’expérience a montré que ses décisions techniques ont presque toujours été erronées. Les choix relatifs à l’énergie et à son application aux transports routiers sont trop complexes et importants pour être laissés à des politiques !

Architecture et énergie des véhicules alternatifs

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Energie

Bâtiment

Véhicules

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Sujets connexes au présent message

Besoins actuels du transport routier en énergie primaire

Modélisation du véhicule-type et validation

Quels scénarios pour le futur ? 

Résumé

Nous prenons en compte 6 architectures alternatives, strictement dépourvues d’émissions locales, ayant une autonomie de l’ordre de 200 Km selon l’utilisation-type :

1. Réservoir d’hydrogène électrolytique alimentant un moteur thermique
2. Réservoir d’hydrogène électrolytique alimentant un moteur électrique via une pile à combustible
3. Comme ci-dessus avec petite batterie tampon (12 KWh) filtrant les besoins variables en énergie finale
4. Grosse batterie (48 KWh) et moteur électrique
5. Moyenne batterie (24 KWh) et moteur électrique, avec trolley pour caténaires sur autoroute
6. Trolley sur caténaires uniquement, pour réseau entièrement électrifié (théorique !)

Similitudes et différences avec le véhicule-type diesel

• Outre leur architecture, la masse (réservoir haute pression et/ou batterie), la présence ou non d’une récupération d’énergie cinétique, l’alimentation des auxiliaires.
• L’utilisation-type est inchangée.
• Les rendements varient fortement, la filière hydrogène étant pénalisée par le rendement cumulé de l’électrolyse et de la pile à combustible qui n’excède pas 37%, encore aggravé si un moteur thermique est utilisé. Les architectures à batteries ont un bon rendement, encore amélioré par l’utilisation de trolleys sur caténaires.
• Les énergies primaires, ici électriques, traduisent ces différences de rendements.

Pour permettre la conversion de l’ensemble du parc, la production électrique nationale devrait être accrue d’environ 140% pour des véhicules thermiques à hydrogène, de 80% pour des véhicules à PàC et batterie, et de 30% pour des véhicules à caténaire et batterie

Ce message traite des sujets en bleu dans le synoptique ci-dessous :

De nombreux articles et communiqués de presse mettent en relief les progrès indéniables réalisés en matière d’architectures automobiles alternatives exemptes d’énergie fossile, sans émission locale, basées sur les batteries, notamment lithium-ion, ou sur l’hydrogène. Beaucoup d’entre eux sont néanmoins à prendre en compte avec prudence, étant motivés par la recherche de crédits publics et/ou d’apports en capital. Très peu cherchent  à faire une synthèse, qui est l’objet du présent message.

Nous comparerons 6 architectures envisageables :

3.1. Véhicule avec réservoir d’hydrogène comprimé obtenu par électrolyse (faute de quoi il devrait être considéré comme fossile) alimentant un moteur thermique et sa chaîne cinématique conventionnelle. Ce véhicule est très proche d’un véhicule actuel à GPL, sauf en ce que l’hydrogène ne peut être stocké sous forme liquide, ce qui amène à utiliser un réservoir sous haute pression pour parvenir à une masse suffisante de ce gaz très léger. Cette architecture, qui ne recourt pas à des technologies sophistiquées, souffre du rendement médiocre des moteurs thermiques conventionnels, selon le principe de Carnot-Clausius.

3.2. Véhicules avec le même réservoir d’hydrogène qu’en en 3.1. ci-dessus, mais disposant d’une pile à combustible convertissant l’hydrogène en énergie  électrique qui alimente un ou plusieurs moteurs électriques. La pile à combustible doit ici être dimensionnée pour la puissance maximum, mais sera utilisée à une puissance très variable. Cette architecture ne permet pas la récupération d’énergie cinétique au ralentissement, car, dans l’état actuel de la technologie, une pile à combustible ne peut pas se transformer en électrolyseur.

3.3. Véhicule à pile à combustible analogue au 3.2. ci-dessus, mais comportant en plus une batterie qui permet de fournir un supplément d’énergie électrique en accélération, en côte ou ou en vitesse de pointe, et de récupérer l’énergie cinétique au ralentissement. Elle réduit la variabilité du débit de la pile à combustible, et permet de la dimensionner pour la seule vitesse de croisière maximum.

3.4. Véhicule électrique à batteries et moteur électrique, genre GM Ampera ou Renault Zoé, sans prolongateur, faute de quoi il ne serait pas à zéro émission locale.

Les architectures suivantes utilisent des caténaires. Cette méthode rustique, très répandue en ferroviaire qui a l’avantage d’utiliser les rails métalliques comme conducteur neutre, n’a été utilisée sur le route que pour des trolleybus. Des tramways les ont souvent remplacés, non pas en raison de leur alimentation électrique mono-fil, mais simplement parce que l’on privilégie les transports en commun en site propre, qui, dès lors, peuvent disposer de rails. Ses avantages ont été décrits dans un message de notre blog. Elle nécessiterait la pose de caténaires électriques, par exemple sur la file de gauche des autoroutes, et pratiquement, la mise en place du pilotage automatique de chacun des véhicules composant le « train ».

3.5. Véhicules à batterie comportant en plus une paire de perches (trolley) frottant sur les conducteurs de la caténaire bifilaire. Un tel véhicule est autonome partout dans les limites de sa batterie, et dispose en plus d’une autonomie illimitée sur les autoroutes ou trajets munis de caténaires. Leur recharge peut être effectuée non seulement dans une station de charge publique ou privée de véhicules électriques, mais aussi, en temps masqué, pendant les trajets sur voie électrifiée. Une telle architecture peut se justifier dès l’équipement électrique des premiers tronçons d’autoroutes, sans nécessiter une couverture généralisée, pour des véhicules dont l’itinéraire est répétitif.

3.6. Véhicules électriques à caténaire seulement. Toutes les voies publiques ou privées ne pouvant pas être électrifiées à un horizon prévisible, cette solution est considérée à titre purement théorique, comme l’aboutissement extrême de l’architecture précédente. Elle pourrait aussi, comme ce fut le cas de nombreux trolleybus, être hybride avec moteur thermique, mais sortirait alors du cadre de la présente comparaison. Nous avons considéré que cette architecture n’aurait pas la possibilité de récupération d’énergie qui poserait sans doute problème à travers un contact glissant sujet à microcoupures.

4.     Rendement et énergie primaire des véhicules alternatifs

4.1. Paramètres pris en compte pour les véhicules alternatifs

• Supplément de masse, se répercutant sur les énergies de roulement et cinétique, calculé pour assurer une autonomie maximum  (jusqu’à épuisement du réservoir ou de la  batterie) de 200 Km selon l'utilisation-type. (Elle peut être considérée comme 350 Km dans les conditions idéales d’une vitesse constante de 60 Km/h déconnectée des conditions réelles actuelles) 
• Energie spécifique (hydrogène + réservoir) : 0,7 KWh/Kg
• Energie spécifique batterie Li-Ion : 0,18 KWh/Kg
• Hydrogène thermique : 160 KWh, soit 230 Kg
• Hydrogène et PàC : 90 KWh, soit 130 Kg
• Batteries uniquement 48 KWh, soit 280 Kg
• Hydrogène et PàC comme ci-dessus+batterie 12 Kwh : 130  Kg +70 Kg = 200 Kg
• Hybride Batterie 24 KWh + caténaire : 140 Kg
• Caténaire seul : aucun supplément

• Consommation moyenne d’auxiliaires :
• Mécanique (compresseur de climatisation…)  1 KW
• Electrique (éclairage, servomoteurs, désembuage...) 0,7 KW après rendement d’alternateur éventuel, soit 1 KW avant.
• Chauffage d’habitacle électrique : nulle pour moteurs thermiques, 0,5 KW si PàC, 1 KW pour véhicules à batterie sans PàC

A noter que la comparaison avec un véhicule diesel ayant près de 1 000 Km d’autonomie est biaisée, mais cette autonomie conduirait à des véhicules alternatifs aberrants, sauf … le véhicule à caténaire.

4.2. Energie finale des véhicules alternatifs

L’analyse est faite sur l’utilisation-type déjà utilisée pour le véhicule diesel-type. Elle est résumée dans le tableau ci-dessous, qui reprend pour mémoire les chiffres du véhicule-type diesel.

Les énergies finales requises pour les véhicules alternatifs ne sont pas fondamentalement différentes de celle du véhicule thermique conventionnel. On observe cependant :

• Un petit supplément en énergie de roulement, dû au poids de la batterie et/ou du réservoir.
• Pour les véhicules ayant une batterie, et en dépit de leur masse, un avantage important en énergie cinétique,  dû à la récupération de la majeure partie de cette énergie au ralentissement.
• Un très petit avantage en énergie pour les auxiliaires, en dépit du chauffage qui est assuré partiellement (PàC) ou totalement (batterie seule ou caténaire) par effet joule, grâce à la suppression de la consommation au ralenti (sauf hydrogène thermique).

4.3. Energie primaire des véhicules alternatifs

La détermination de l’énergie primaire requiert l’évaluation préalable des rendements, comme suit :

• Electrolyse : 70%
• Pile à combustible : 53%
• Moteur électrique : 90%
• Récupération d’énergie cinétique sur batterie (uniquement) : 66%

Partant du tableau ci-dessus des énergies finales, on calcule évalue les énergies primaires requises compte tenu des rendements évalués ci-dessus. Par simplification, dans les véhicules hybrides, le rendement de batterie a été pris en compte en produit des autres :

• Uniquement en urbain et périurbain pour les véhicules à batterie-PàC en raison des puissances qui y sont très variables
• Idem mais aussi sur routes supposées non électrifiées pour les véhicules à batterie-caténaire 

Les énergies primaires (ici électriques) requises sont très différentes selon les architectures utilisées :

La famille à hydrogène n’apporte que peu de réduction par rapport à un diesel:

• -23% en PàC seule,
• -13% en PàC avec batterie,
• augmentation de 53% avec moteur thermique.

La famille sans hydrogène apporte une réduction très importante :

• -62% avec batterie seule,
• -66% en hybride caténaires,
• -68% en caténaires uniquement, théorique mais quand même instructif.

Rappelons que ces « réductions » résultent d’une comparaison entre une future énergie électrique (après rendement de Carnot-Clausius en production thermique ou nucléaire), remplaçant l’actuelle énergie thermique du carburant, qui est une véritable énergie primaire. Elles sont donc toutes relatives !

Quelles que soient les incertitudes et les approximations inévitables dans  ce genre d’analyse, la conclusion s’impose :

• La famille à hydrogène est lourdement handicapée par le rendement de l’électrolyse cumulé avec celui de PàC, qui ne dépasse pas 53% x 70% = 37%, en dépit du bon rendement du moteur électrique et d’une éventuelle batterie auxiliaire. Sa version à moteur thermique, qui a l’avantage de la simplicité et de la continuité industrielle, est évidemment encore pire puisqu’elle cumule le rendement d’électrolyse avec celui du  moteur thermique à hydrogène soumis au principe de Carnot-Clausius, et donc inférieur à celui d’une pile à combustible.
•  La famille sans hydrogène bénéficie à plein du bon rendement du moteur électrique, et de celui de la batterie dans la mesure de son utilisation, qui est réduite pour un véhicule à caténaires.

4.4.    Consommation énergétique du parc routier alternatif

Le tableau ci-dessous donne en deuxième ligne le produit du kilométrage annuel du parc, soit 636 milliards de kilomètres,  par la consommation d’énergie électrique primaire des véhicules alternatifs par kilomètre. Cette énergie globale est chiffrée en TWh (trillions de Wh).

Le résultat est percutant :

• pour transformer le parc routier existant en véhicules à hydrogène, il faut disposer d’énergie électrique dans une quantité comparable à l’énergie thermique (523 TWh) des carburants utilisés, malgré le principe de Carnot-Clausius qui pénalise beaucoup ces derniers :
• 153% pour l’architecture à moteur thermique
• 77% à 87%  pour les architectures à pile à combustible 
• Pour transformer le parc routier existant en véhicules purement électriques, le résultat est nettement meilleur :
• 39% pour le véhicule à batteries
• 34% à 32%  pour le véhicule à caténaires, hybride ou non 

Conclusion :

Le rendement cumulé électrolyse + pile à combustible est presque aussi mauvais (70% x 53% = 37%) que le rendement de Carnot- Clausius.

Nous verrons dans le message suivant que ceci ne serait pas sans conséquence sur les infrastructures électriques.

Véhicules hybrides rechargeables

Tabledes matières de ce blog

Parmi les véhicules dits « électriques », cette catégorie est la première à justifier du qualificatif « électrique ». Elle est actuellement peu représentée, bien qu’elle soit constitue une solution envisageable à moyen terme, poussée en première analyse par :

• le renchérissement à prévoir des carburants issus du pétrole
• la nécessité de réduire les émissions de CO2 selon les recommandations du GIEC
• la réduction plus poussée des sources de pollution diverses dans les grandes villes.

Il est recommandé de lire d’abord le message sur les hybrides non connectables, dont l’explication des différentes architectures ne sera pas reprise ci-dessous.

Remarques préalables :

« Hybride » signifie que le véhicule dispose, en plus du moteur thermique conventionnel, d’un ou plusieurs moteurs électriques, et d’une batterie associée.

« Rechargeableable » ou « Plug in » signifie que la batterie a vocation à être rechargée à partir du réseau de distribution électrique, ce qui n’exclut pas qu’elle puisse l’être aussi par le moteur thermique entraînant un générateur.

Contrairement à un hybride non rechargeable, son hybridation porte non seulement sur la transmission, mais aussi sur la source d’énergie.

Les architectures ne sont pas différentes de celles d’un véhicule hybride non rechargeable, sauf en ceci qu’elles comportent en plus :

• Au minimum un connecteur DC pour la recharge de la batterie par un chargeur extérieur. Dans ce cas, le chargeur fixe est relié au réseau ERDF 230 V.
• Au plus un chargeur capable de recharger la batterie à partir d’une prise AC fixe  230 V normalisée.

Contrairement aux hybrides non rechargeables, elles nécessitent une infrastructure pour la recharge des batteries, mais celle-ci pourra être d'abord essentiellement domestique (chargeur ou prise dans le garage), puis s’étendre progressivement aux parkings collectifs d'immeubles d'habitation ou de bureaux, avant de s'étendre au domaine public, ce dernier n’étant pas critique puisque le véhicule dispose d’une large autonomie en mode thermique, et ne risque donc pas de tomber en panne de batterie, contrairement aux véhicules purement électriques.

Les batteries d’accumulateurs

Elles restent le composant critique du véhicule électrique.  La batterie idéale (qui n’existe pas) devrait tout à la fois apporter :

• Une énergie spécifique élevée, de plus de 150 Wh/kg
• Une énergie volumique  élevée, de plus de 200 Wh/dm3
• Une puissance élevée, de plus de 1000 W/kg
• Une durée de vie d’au moins 2000 cycles
• Une autodécharge inférieure à quelques % par mois
• Une gamme de température de fonctionnement de -20 à +60°C
• Un prix inférieur à 100 € par KWh

La réalité figure dans le tableau ci-dessous, d’origine ADEME qui donne la réalité des technologies (mis à jour 2007). Il est un peu ancien, mais a été publié dans le rapport Syrota sur l’évolution de l’automobile, donc offre des garanties de sérieux. Certaines performances se sont sans doute améliorées, et certains prix ont baissé entretemps, mais les ordres de grandeur demeurent.

                Extrait du rapport Syrota

Ce tableau pourrait avoir une ligne supplémentaire, quotient du coût (dernière ligne) par le nombre de cycles (4^ème ligne), qui est le coût du remplacement de la batterie par cycle et par KWh :

• Plomb : 0,30 à 0,50 €
• Ni-Cd : 0,30 €
• Ni MH : 1,00 €
• Zebra : 1,00  €
• LI-Ph : 0,80 €
• Li-Ion : 1,40 €
• Li-Polym : 6,00 €

A 1,00 € par cycle, le coût par cycle de remplacement de la batterie, représente environ 8 fois le coût de l’énergie qu’elle contient (environ 0,12 €/KWh) ! Rappelons que le coût TVA incluse, mais hors TIPP pour être comparable, du gazole au détail est d’environ 1€ par kg, qui donne 12 KWh avant rendement moteur, ou 4KWh après. Si l’énergie électrique est 2,5 fois moins chère que le gazole, la même énergie électrique chargée par le coût du renouvellement de la batterie est 4 fois plus chère…

Par surcroît, quand bien même l’électricité serait-elle verte, ou au moins exempte de CO2, ce coût de batterie est très loin d’être vert.

Tant que ces problèmes ne seront pas résolus, non seulement en laboratoire, mais surtout dans des filières industrielles compétitives, l’avenir du véhicule électrique connectable restera d’autant plus problématique que son autonomie sera élevée.

Autonomie et consommation des accessoires

Les besoins énergétiques d’un véhicule ne se limitent pas, et de loin à sa seule propulsion. Dans un véhicule conventionnel, on trouve notamment les consommateurs suivants :

• Sous forme mécanique : le compresseur de climatisation (plusieurs Kw)
• Sous forme thermique : le chauffage alimenté par les pertes thermiques du moteur, donc gratuit
• Sous forme électrique, alimentés par l’alternateur
• Eclairage et signalisation (200 à 400 watts)
• Confort, ventilation et dégivrage lunette arrière (400 watts), rarement sièges chauffants
• Affichage et sécurité (100 watts)
• Pour le moteur thermique, sans objet en mode électrique : Ventilateur de refroidissement, allumage, injection, préchauffage, pompe à eau, pompe à carburant…

Au vu de ces ordres de grandeur, en mode électrique :

• La climatisation est pratiquement exclue en mode électrique, sauf à pénaliser lourdement l’autonomie.
• Le chauffage d’habitacle doit être fortement réduit, au profit de sièges chauffants qui chauffent le passager, pour les seuls sièges occupés, et faire appel à des pompes à chaleur aérothermiques.
• Le désembuage de pare-brise à l’air chaud doit être remplacé par un désembuage électrique.
• L’éclairage doit rechercher des solutions plus économes, type LEDs.

En dépit d’une régression évidente du confort, l’ensemble des consommateurs viendra réduire significativement l’autonomie en hiver ou par temps très humide.

Niveaux d’électrification des véhicules connectables

Minimum :

C’est un « full hybrid » auquel on a simplement ajouté un chargeur intégré ou extérieur sans augmenter la capacité de batterie. Son intérêt est minime, car le coût du chargeur ne pourra pas être amorti par l’économie résultant de la recharge partielle de la batterie par le réseau, et la contrainte de mise en charge n’est pas justifiée par l’enjeu. Basée sur une capacité de batterie de l’ordre de 1,5 KWh, pesant environ 30 kg, son autonomie électrique est très réduite, typiquement 2 ou 3 kilomètres. Chaque recharge d’une batterie aux ¾ vide ne stockera que moins de 0,15 € d’énergie électrique remplaçant 0,3 litre de carburant valant 0,45€, ce qui est insignifiant.

Urbain :

Ce véhicule principalement thermique reste proche du précédent, mais sa capacité de batterie est portée autour de 5 KWh, pesant environ 150 kg, et assurant une autonomie de 20 à 30 km à vitesse urbaine. Son architecture restera hybride parallèle ou à dérivation de puissance. La future Toyota Prius connectable (ci-dessous) rentrera typiquement dans cette catégorie. Elle conserve en mode thermique l’autonomie d’un véhicule normal et la capacité d’alimenter des auxiliaires, notamment le chauffage, sans réduire l’autonomie.

Cette augmentation de la capacité de batterie peut, selon les caractéristiques des machines électriques, améliorer les avantages issus de l’hybridation, indépendamment de la recharge par le réseau :

• meilleure récupération d’énergie au freinage ou en descente.
• fonctionnement électrique prolongé en encombrements et trafic urbain lent évitant l’usage du moteur thermique à puissance mécanique basse ou nulle, donc à mauvais rendement.
• autonomie électrique « zéro émission au tuyau d’échappement » permettant, le cas échéant, l’accès à des centres-villes interdits aux véhicules thermiques.

 L’économie résultant de la recharge, c'est-à-dire du remplacement d’environ 1,5 litre de carburant, soit 2,40 € par 4 KWh, soit environ 0,50 € reste très faible. L’avantage de ce véhicule résulte donc plus d’une hybridation accrue que de la capacité de recharge qui fait figure d’alibi.

La recharge nocturne de la batterie d’un véhicule urbain dont la capacité est typiquement de 5 KWH dans un box ou parking privé ne pose aucun problème : il suffit d’une prise ordinaire 230 V 16 A qui, utilisée au ¼ de sa puissance, soit 4 ampères, assurera la recharge en 6 heures compte tenu du rendement. Aucune modification d’installation domestique n’est à prévoir. Tout abonné disposant d’un contrat, même minimum de 3 KW, peut y procéder, d’autant que cette charge, qui n’est pas prioritaire par rapport à d’autres utilisations, peut fort bien être délestée, c'est-à-dire mise temporairement hors service quand les autres consommateurs absorbent toute la puissance disponible selon le contrat.

Ce type de véhicule peut assez facilement se passer d’infrastructure publique, les recharges pouvant être limitées au domicile et au lieu de travail. Il bénéficie de l’autonomie normale d’un véhicule thermique quand il utilise ce mode.

L’augmentation de l’autonomie électrique nécessitant une augmentation de la capacité de batterie au-delà de 5 KWh,  qui n’apporterait plus d’avantages supplémentaires de l’hybridation, se heurtera au problème du coût de renouvellement des batteries dont on a vu que la quote-part par recharge était largement supérieure au coût de l’énergie électrique stockée, voire même au coût actuel de carburant taxé équivalent.   

Electrique à prolongateur :

Contrairement aux précédents, c’est un véhicule principalement électrique, à architecture hybride série: le moteur électrique est le plus puissant, typiquement 60 KW, et le seul à assurer la propulsion. La batterie est portée à au moins 20 KWh pour une autonomie électrique réelle de 100 à 150 Km selon la vitesse et le type de trafic.

En première approche, pour une berline moyenne, les performances en mode électrique sont approximativement les suivantes :

• vitesse maximum : 165 km/h avec autonomie de 20 minutes ou 50 km, plus probablement bridée à 130 km/h, voire moins
• autonomie à 130 km/h :           ½ heure ou                  60 km
• autonomie à 110 km/h :           ¾ heure ou                  80 km
• autonomie à 90 km/h :             1 heure ou                   90 km
• autonomie à 70 km/h :             1 heure 30 ou            100 km
• autonomie à 50 km/h :             2 heures 20 ou          120 km

Ses capacités d’accélération restent correctes, comparables à celles d’un véhicule thermique d’entrée de gamme, mais pénalisantes pour l’autonomie. Le freinage récupératif électrique assure la quasi-totalité des ralentissements pour un conducteur anticipant suffisamment, sauf en freinage d'urgence.

Inutile de souligner que le mode électrique ne peut satisfaire qu’à des applications urbaines. Il permet par exemple un aller et retour au centre de Paris à partir d’une des villes nouvelles (Cergy, Evry, St Quentin-en-Yvelines, Marnes-la-Vallée), mais pas à  partir des villes les plus éloignées de l’Ile-de-France, et ce, à condition de rester bien en-deçà des vitesses autoroutières.

La recharge de la batterie en station-service est difficilement envisageable, au vu de ses inconvénients :

• Sa durée, qui dépend de la technologie des batteries, sera sans doute de l’ordre d’une heure, sauf à force la charge au détriment de la durée de vie.
• La surface nécessaire pour recharger des véhicules en 60 minutes tous les 80 km, alors que le plein de carburant se fait en 6 minutes tous les 800 km, soit un facteur 100 ! En d’autres termes, le véhicule électrique passerait autant de temps en charge qu’en trajet, ce qui supposerait une surface des stations peu inférieure (moitié? quart?) à celle… des autoroutes !
• Rien ne dit que le prix de vente de l’énergie électrique en station serait celui d’ERDF : il faudrait bien amortir les installations crées à cet effet, contrairement aux prises de parkings !
• La problématique de la quote-part par recharge du coût de remplacement de la batterie jouerait ici à plein, et ne serait plus masqué par les avantages de l’hybridation. Elle fait de l’électricité stockée dans des batteries une énergie très coûteuse et fort peu verte.

Un groupe électrogène embarqué, dit « prolongateur » de puissance limitée, typiquement 30 Kw, assure une charge partielle ou permanente de la batterie si nécessaire, et évite ainsi la panne pour batterie vide, mais sans assurer la pleine puissance, ni la vitesse maximum déjà basse, et avec un assez mauvais rendement lié aux éléments en série : moteur thermique, alternateur, batterie si la consommation est différée, moteur électrique dont les pertes s’additionnent.

En mode thermique avec prolongateur de 30 Kw, la vitesse maxi permanente atteint 120 km/h sur sol plan, sans auxiliaires et sans recharge de batterie. En revanche l’autonomie ne dépend plus que de la capacité du réservoir de carburant. Sa consommation routière ne sera pas inférieure à celle d’un véhicule thermique conventionnel, et pourra même être supérieure si le rendement de batterie intervient, c'est-à-dire si le prolongateur n’est pas utilisé en permanence. Ses capacités transitoires d’accélération et en côte restent bonnes, car le moteur électrique peut, en tirant brièvement sur la batterie, développer une puissance largement supérieure à celle du prolongateur. La capacité d'optimiser le point de fonctionnement du moteur thermique du prolongateur n'existe que si la puissance requise ne dépasse pas environ 1/3 de la puissance maximum, soit 10 Kw dans cet exemple, soit encore 80 km/h.

Ce type de véhicule peut avoir un intérêt réel pour des applications spécifiques : messagerie urbaine, taxis de centre-ville, véhicules urbains en libre service, véhicules touristiques mais n’a pas vocation à faire des trajets interurbains, la capacité de batterie ne le permettant pas, et son architecture n’y étant pas favorable. L’économie sur l’énergie proprement dite peut monter à environ 3 € par recharge, soit 1000 € par an avec une recharge par jour, ce qui est significatif, rapporté à un kilométrage de l‘ordre de 30 000 km, mais ceci pour des raisons essentiellement fiscales, l’énergie électrique n’étant pas soumise à la TIPP et ne supportant que la TVA au taux réduit. Ce raisonnement ne prend pas en compte le coût de renouvellement des batteries, qui devra être réduit pour autoriser cette architecture.