La place du véhicule électrique comme nouvel équipement électrodomestique ENPC-LVMT-RENAULT Lundi 4 Juillet 2011 crisis Daniel QUENARD CSTB daniel.quenard@cstb.fr - 04 76 76 25 46 31/05/2011 | CSTB - Dpt Enveloppe & Revêtements | Div. Matériaux

Sommaire Ménages : Logement/Déplacements Chiffres-Clés BEPOS + VE : modèle CSTB Quelques exemples à travers le monde Conclusion

Ménages : Emissions de CO2 Logement+Transport : 84 % Source : GREEN INSIDE – IPSOS - 2011

Ménages : Logement Chauffage/Energie : 84 % CO2 Source : GREEN INSIDE – IPSOS - 2011

Ménages : Transports Véhicule Personnel : 79% CO2 Source : GREEN INSIDE – IPSOS - 2011

Chauffage et Transports Echelle : France/Foyer Chaudières Cheminées Moteurs Pots d’échappement BILAN ENERGETIQUE France 2006 Énergies renouvelables et développement local L’intelligence territoriale en action Rapport de MM. Claude BELOT et Jean-Marc JUILHARD, Sénateurs

Combustion : Epuisement des ressources Bâtiments + Transports ~ 70 % Consommation Finale Energie 40 % Bâtiments ~ 70 % Chauffage/ECS chaudières : fioul-gaz-bois électricité Uranium Hydraulique 29 % 21 % Transports ~ 50 % VP moteurs combustion interne (98% pétrole) Chiffres 2006

Performance & Localisation Famille : 3 personnes - 100 m² - Gaz naturel Source : Lille Métropole

Dépenses énergétiques des ménages 2006 2006 : 8,4 % budget 4,8 % énergie du logement 3,6 % carburant automobile. LOGEMENT Chauffage Eau Chaude Sanitaire Cuisson Equipement électrique de la maison DEPLACEMENT Carburant pour les véhicules. Logement : surface d’habitation et source d’énergie utilisée pour le chauffage. L’éloignement des villes-centres est, quant à lui, le facteur clé en terme de dépenses en carburant. Source : http://www.lefigaro.fr/conso/2010/10/12/05007-20101012ARTFIG00753-energie-les-francais-depensent-2300euros-par-an.php

Faible consommation Production locale Mobilité énergie grise mobilité Bâtiment/Occupants Localisation

Le VE, unité de stockage d’électricité Prévisions météorologiques Etat du réseau électrique Production locale EnR Connaissance des usages Consommation électrique Support réseau Stockage stationnaire Véhicule électrique – Stockage d’appoint Connaissance des déplacements PAGE 11

Simulation sous TRNSYS Présentation de TRNSYS Studio Référence (niveau international) dans le domaine de la simulation dynamique de bâtiments et de systèmes Utilisation principale sur des applications thermiques Caractère modulaire intéressant, permettant une utilisation type gestion de flux d’énergie électrique dans le bâtiment Intérêts: Utilisation de données précises, simulation dynamique sur une année (ou plus) Pouvoir tester plusieurs scenarii (économiques, énergétiques,…) Proposer des améliorations pour la partie électrique de TRNSYS Possibilité de corréler par la suite avec la gestion thermique du bâtiment Viabilité/intérêt = Estimer pertes du au rendement des convertisseurs, Facteur économique, impact sur le réseau électrique,… + en fonction de la distance parcourue, etc… PAGE 12

Objectifs de l’étude Objectifs: Développer une 1ère version d’un outil de simulation permettant l’étude d’un système intégrant bâtiment et transport dans une même approche, et dans un contexte de développement des EnR et des modes de transports doux. Viabilité/intérêt d’utiliser le VE comme unité de stockage pour valoriser les EnR Permettre le bon dimensionnement du stockage stationnaire et de la centrale PV Le système vu du réseau (Producteur- Consommateur- Passif?) Complémentarité avec recharge sur lieu de travail Ecrêtage des pics Les verrous Connaissance sur les usages (consommation, déplacements, …) Données sur les technologies de stockage (stationnaire et embarqué) Quelle pertinence à plus grande échelle? PAGE 13

Hypothèses Production PV et données météo Caractéristiques des PV Photowatt PW1650 Puissance unitaire = 165 W Surface = 1,34 m² Données météo METEONORM Site considéré: Grenoble Surface max (particulier) = 30 m² (~3.7 kWc) Surface max (lieu de travail) = 8 m² (~1 kWc) VE et stockage stationnaire Batteries stationnaires Technologie Plomb (40 Wh/kg – 400 W/kg – ŋ = 0.8) DOD autorisé = 0.5 Batteries « mobiles » (= VE) Caractéristiques de la B0 (ex-Blue Car) Technologie Lithium - Autonomie 200 km- 150 Wh/km DOD autorisé = 0.9  Modèle de batterie très simplifié Conso électrique du bâtiment Basée sur relevés IEA/ECBCS (Annexe 42) Faites en Angleterre entre 2003 et 2005 Foyer type Représentatif de la population européenne (?) Consommation moyenne = 45 kWh/m².an Profils de consommation électriques sur une année, avec un pas e temps de 5 min Déplacements considérés Principaux déplacements = domicile -travail distance médiane = 8 km distance moyenne = 26 km 8h – 17h Déplacements loisirs  WE 2 cas : 25 km/WE et 50 km/WE 14h – 17h Conso électrique: IEA/ECBCS (Electricity Conservation in Building and Community System) Annexe 42 (à la base pour PAC et autres cogénération) PAGE 14

Ordres de priorité du système Ppv_conso = Pconso (si diff_p_c = 1) Ppveff 1 Ppv_conso = Ppveff (si diff_p_c = 0) Si diff_p_c = 1 Ppv_VE = Ppveff - Pconso (Si Ppveff – Pconso < Pcharge_VE) 2 Ppv_VE = Pcharge_VE (Si Ppveff – Pconso > Pcharge_VE) ou Priorité Si pr_VE = 0 Si bp_VE = 1 Si Ppv_VE = Pcharge_VE Ppv_bat = Ppveff - Pconso - Ppv_VE (Si Ppveff - Pconso - Ppv_VE < Pcharge_bat) 3 Ppv_bat = Pcharge_Bat (Si Ppveff - Pconso - Ppv_VE > Pcharge_bat) ou Si bp = 1 Si Ppv_bat = Pcharge_Bat Ppv_bat = Ppveff - Pconso - Ppv_VE – Ppv_bat 4 Changer variables PAGE 15

Ordres de priorité du système Ppv_conso = Ppveff Si diff_p_c = 0 Priorité Ppveff 1 Pbat_conso = Pconso -Ppveff Pres_conso = Pconso -Ppveff Si bv = 1 Pres_VE = Pcharge_VE 2 Si Recharge_res > 22h & SOC_BatVE < limSOCBatVE 3 PAGE 16

Représentation graphique sous TRNSYS DplctDt et DplctWE = consigne pour décharge VE Présence VE = VE connecté à la maison ou non Recharge nuit = consigne recharge par réseau PAGE 17

Utilisation de l’outil: Choix des paramètres d’entrée et exploitation des résultats - Résultats graphiques TRNSYS - Fichier Excel Nom Définition Unités pas2tpglob Pas de temps de la simulation (à mettre en fraction) heure duree_simu Durée de la simulation PchargeBat Puissance de charge de la batterie W PchargeVE Puissance de charge des batteries du VE Ppv_desiree Puissance crête installée de la centrale photovoltaïque (domicile) – multiple de 165 Ppv_desireeWork Puissance crête installée de la centrale photovoltaïque (lieu de travail) – multiple de 165 CapaBat_desiree Capacité totale de la batterie désirée kWh nb_km_DT Distance domicile – travail considérée (aller/retour) Km Nb_km_WE Distance parcourue en moyenne chaque jour du week-end limSOCBatVE Consigne d’état de charge des batteries du VE en fin de journée [0 ;1] DOD_Bat Profondeur de décharge des batteries stationnaires autorisée DOD_VE Profondeur de décharge des batteries du VE autorisée PAGE 18

Stockage stationnaire Scenarii testés Prod PV domicile Prod PV travail Dplct VE Stockage stationnaire 30 m² 22 m² sans 8 m² Med. Moy Sans Auton.4h Auton.2j 1           2   3    4 5    6    7      8 9 10 11    12 Scenarii de base 1ère possibilité: Intégration d’un stockage stationnaire 2ère possibilité: Recharge sur le lieu de travail 3ère possibilité: Compromis entre les 2 + scenario écrêtage PAGE 19

Courbe de charge journalière scenario 3, journée d’avril Alimentation par batterie SOC (%) Etat de charge Batteries Puissance (W) Etat de charge VE Absence du VE Conso Maison Recharge batterie par PV Prod PV PAGE 20

Usages de la production photovoltaïque Scenarii de base Usages de la production photovoltaïque Quel électricité pour se loger et se déplacer? Scenario 1 Scenario 2 (distance domicile – travail = 8 km) (distance domicile – travail = 26 km) Production PV tot. = 4783 kWh (dont 2759 kWh réinjecté sur le réseau) Consommation tot. = 3985 kWh Consommation tot. = 5881 kWh Valeurs remarquables : Passif / producteur d’énergie  35,4% du temps (pas de recours au réseau) VE rechargé à hauteur de : 77.6% par le solaire 26.6% par le solaire Scenario 1 & 2 PAGE 21

Quelques résultats (1) Influence de la capacité de stockage Scenario 5: C = 3 kWh (4h) Scenario 3: C = 33 kWh (2 jours) Passif/BePOS 84.2 % du temps Permet de valoriser près de 30 % de la production PV (équivalent 50 cycles charge/décharge) Passif/BePOS 54.9 % du temps Permet de valoriser près de 13 % de la production PV (équivalent 200 cycles charge/décharge) Prix indicatif: 6 600 euros Durée de vie théorique: 20 ans Prix indicatif: 600 euros Durée de vie théorique: 5 ans Dimensionnement optimal (économique & énergétique) à faire PAGE 22

Les Batteries 150/200 Wh/km 80% < 60km 200 km Electroménager 3000kWh/an 10 kWh/jour 1000 kWh/pers 100 km Ecrêtage 3 kWh/jour Source : IFRI-IEA-Fulton

Quelques résultats (2) Influence des déplacements lors de la recharge sur le lieu de travail (+ domicile) Bilan énergétique global similaire au scenario de base pour des trajets de faible distance MAIS intéressant pour des déplacements plus important: Scenario 2: (base) Scenario 8: Recharge sur lieu de travail Valorisation de la production PV: + 11% Usage de la production PV (Possibilité d’augmenter encore cette valeur si plusieurs VE et foisonnement) Bilan global: + 12% issu du PV Se loger, se déplacer, quel électricité? REMARQUE: non-prise en compte ici de la consommation propre au lieu de travail PAGE 24

Exemple de résultats sur une semaine Scenario 7 (distance médiane) – fin août Puissance (W) SOC (%) SOC du VE dans une plage élevée de valeurs (hors mois d’hiver) VE rechargé à partir de la production PV à hauteur de 95%! (65% PV travail – 30% PV domicile – 5% réseau) PAGE 25

Utilisation particulière du stockage: Ecrêtage des pics de consommation Stockage stationnaire, une solution pour effacer les pics de consommation? Application sur scenario 5 (stockage = 3 kWh) Utilisation des batteries lorsque demande réseau > 3 kW Tarifs EDF: Tarif Bleu, base SOC (%) Puissance (W) Résultats Sur l’année, 1 seul dépassement du seuil (15 minutes) Batteries pleines 91 % du temps Transit d’énergie dans batteries: 12.6 kWh (= 4.2 cycles charge/décharge) PAGE 26

Conclusions / Perspectives 1ère version d’un outil opérationnel permettant de traiter dans son ensemble les questions énergétiques relatives aux bâtiments et aux transports associés 1ères simulations ont permis de mettre en avant des pistes à développer plus en détail Améliorations envisageables à court termes: Prise en compte de la technologie de batteries (Type de charge, autodécharge, durée de vie, etc…) Diversification des scenarii: Utilisation aléatoire du véhicule, … Etude économique: Evolution du prix de l’électricité, coût global des technologies Impact environnemental global Perspectives: Etude énergétique global du système bâtiment + transports (thermique et électrique) Application à plus grande échelle Comparaison V2H – V2G Stockage dispersé, équipements intelligents PAGE 27

Expérimentation sur le site du CSTB Grenoble Présentation de l’installation photovoltaïque: 2 places de parking 24 m² de PV, soit Pc = 3.45 kWc Production estimée: 3795 kWh/an Consommation totale sur site OBJECTIFS: Acquisition de données réelles Corrélation avec simulations sous TRNSYS Proposition d’une IHM Intégration d’un moyen de stockage stationnaire Présentation du VE présent VE Saxo, ancienne génération 60-70 km d’autonomie, 80 km/h max Rechargé sur bornes sous l’abri par production PV ou réseau - Consommation: 150-200 Wh/km (3795 kWh = ~ 21 500 km) PAGE 28

Quelques remarques PAGE 29

Autonomie : un problème ? Stationnement : 4 à 8h Gare/Parking Relais La moitié des salariés travaillent à moins de 10 km de leur domicile. Plus de la moitié des véhicules est utilisée pour effectuer le trajet domicile-travail  Distance moyenne domicile-travail = 25,9 km  Distance médiane domicile-travail = 7,9 km 87 % des personnes font moins de 60 km/jour en voiture

Question Technique ou SHS ? AUTONOMIE Question Technique ou SHS ? Source : ACCENTURE

Temps de recharge ? Les voitures ne sont utilisées que 5 % du temps, … reste donc 95 % du temps pour les recharger, … le temps de recharge est-il un problème ? Source : Lille Métropole

France : 16 Millions Maisons Individuelles Où sont les véhicules ? France : 16 Millions Maisons Individuelles 16 Millions Prises ?? Source – GM-SAE

Premiers Retours d’Expérience UK : Utilisateurs : familles multi motorisées, aux revenus supérieurs à la moyenne, parking privé chaque déplacement journalier domicile-travail en VE. Bornes de Recharge : principalement sur le lieu travail et à leur domicile. les bornes en voirie restent en bon état mais sont très peu utilisées. celles installées dans les parkings = une place de stationnement (sans recharge). Les bornes publiques ne répondent pas véritablement aux contraintes technologiques, ni à la demande actuelle. (Rapport du Cabinet « Element Energy ») Paradoxalement, cette analyse est à tempérer par le fait qu’un réseau dense de bornes publiques serait considéré par les londoniens comme un signe de confiance de la part des pouvoirs publics et un moyen de réassurance non négligeable contre le risque de panne sur la voirie. USA : 95% des utilisateurs préfèrent la recharge “à la maison” (Rapport EPRI) Favoriser l’installation de prises « à la maison » semble être un investissement plus efficace pour faciliter le développement des VE que l’installation d’infrastructures publiques (Rapport PlaNYC)

Au niveau des constructeurs automobiles Nissan : Andy Palmer (Vice Président) demandait plus d'infrastructure de charge dans les lieux publics . Pourtant lors de la conférence « Infrastructure de Recharge 2011 » de San Diego , Nissan faisait partie du panel de constructeur déclarant que les performances des batteries actuelles ne nécessitaient pas l'utilisation de bornes de charges sur la voie publique. - BMW-Mini : L'entreprise allemande a terminé l'expérimentation de 450 Mini - Electrique aux USA, les premiers retours d'expérience montrent que les utilisateurs ont chargé 1 fois par jour et principalement à leur lieu de domicile. Etant donné le peu d'infrastructure installée , il est fort possible que les participants du test n'aient simplement pas eu la possibilité de charger dans des lieux publics. Cependant il est remarquable de constater que le taux de satisfaction des clients reste très fort alors même que les infrastructures de charge publique étaient inexistantes. - General Motors : Larry Nitz déclarait récemment que les besoins d'infrastructure de charge en dehors du lieu de travail et du domicile étaient sans importance. Source : ADIT Etat-Unis- 245 - 2011 Source :Moving Ahead 2010 - Aerovironment

utilisation des infrastructures de charge VHR Strasbourg utilisation des infrastructures de charge Recharge : en moyenne 1 fois/jour sur un des 155 points de charge installés, très majoritairement sur leur lieu de travail et à leur domicile (96%). 40% d’entre eux se sont même rechargés plus d’une fois par jour. Points de charge : majoritairement sollicités aux heures de pointe (8 h en arrivant au travail ; 19h en rentrant à la maison) utilisés en moyenne pendant 78 minutes d’affilée (N.B. : la charge complète « à vide » 100 minutes).   Les bornes publiques (parking et voirie) ont été très peu utilisées (4%) même si elles présentent un réel avantage pour se garer en ville. (chère la place !) VHR : agrément de conduite, grande facilité d’utilisation au quotidien, incitation à adopter naturellement un style de conduite plus respectueux de l’environnement  Source : EDF

Exemples à travers le monde

Habitat & Voiture à Emission Nulle OPTION TOUT ELECTRIQUE Voiture électrique Plutôt pour les déplacements urbains et péri-urbains Toiture et/ou Façades Photovoltaïque Eolien Intégré SOURCE : Buildings Technology In the Vanguard of Eco-efficiency Ernst Ulrich von Weizsäcker, MP – SB05 – Tokyo - 2005

Toyota Dream House Toyota : Constructeur Véhicules & Maisons OPTION HYBRIDE Maison « station-service » Voiture « cogénérateur  » Les capteurs photovoltaïques de la maison permettent de recharger les batteries de la voiture. La Toyota Prius Hybrid (essence –électrique) peut être utilisée pour fournir de l’électricité à la maison pendant 36 heures en cas d’urgence.

Projet Living & Mobility Université de Lucerne-CH Echelle locale

Projet Living & Mobility Université de Lucerne-CH

Projet Living & Mobility Université de Lucerne-CH

Projet MEREGIO - Allemagne Borne Bidirectionnelle

SMARTGRID-SMARTHOUSE

Projet SHARP - ECOHOUSE

Projet HONDA E_KIZUNA

Projet Volvo-A-HUS-Vattenfall One Tonne Life

Projet Volvo-A-HUS-Vattenfall One Tonne Life

Projet Volvo-A-HUS-Vattenfall One Tonne Life

Smart Grid - Village Rokkasho - Japon Projet Démonstrateur Smart Grid - Village Rokkasho - Japon « L’intégration totale entre résidence et voiture est enfin arrivée » Senta Morioka, PDG de Toyota Home Décembre 2010 Smart Grid Demonstration project in Rokkasho Village – JWD – Toyota – Panasonic - Hitachi

Projet Energie-Plus-House Berlin http://www.bmvbs.de/SharedDocs/DE/Artikel/B/neues-energie-plus-haus-berlin.html?nn=36210

Concept MFC 2020 PAGE 52

Mitsubishi: i-MiEV alimentation équipment électro-domestique Aujourd’hui : Alimentation d’un téléphone ou d’un ordinateur portable. Demain : Prise : 100 V Puissance : 1500 W Batterie lithium-ion : 16 kWh, Consommation d’un ménage pour environ 1, 5 jour PAGE 53

Intérêt Economique ? Source – RTE-SIA-l’Expansion

Une idée ancienne … La voiture comme cogénérateur mobile La voiture, comme système de chauffage CSTB Magazine n°98, oct. 1996 1912 1996 Source : Hermes

Merci de votre attention HybridPlugin_05.exe PAGE 56