E NJEUX ÉCONOMIQUES AUTOURS DES V OITURES E LECTRIQUES ET H YBRIDES R ECHARGEABLES (VE X ) Adrien V OGT -S CHILB Dernière mise à jour: 5 décembre 2013

Plan de cette présentation 2 1.Pourquoi vouloir réduire les émissions de gaz à effet de serre? 2.Quels leviers pour réduire les émissions de GES dans les transports terrestres privés? 3.Aura-t-on des problèmes dapprovisionnement en électricité, terres rares, lithium ? 4.Les VE sont-ils limités aux petits trajets? 5.Les véhicules électriques ou hybrides rechargeables permetront-ils de réduire les émissions de GES? 6.Dans quel ordre faudrait-il implémenter les mesures permettant de réduire les émissions de GES ? 7.Les véhicules électrifiés comme une assurance Véhicules électriques et hybrides rechargeables Soutient au VE et prise de décision en incertitude

Des informations compréhensibles sur le réchauffement climatique et la « controverse » sont à votre disposition Le réchauffement climatique est une réalité es_of_climatic_change Il est causé par les activités humaines Les arguments contre ces faits (p.ex activité solaire) sont facilement réfutables 3

Laugmentation moyenne de la température globale cache un bouleversement du climat local… 4 Src Hallegatte, Ambrosi, Hourcade (2007)

… très difficile a prédire ! 5 Src Hallegatte, Ambrosi, Hourcade (2007)

The ambitious goal of limiting climate change to +2°C requires to reduce global GHG emissions to zero 6 src : Raper, Wigley (2012) daprès Meinhausen et al. (2009) Objectif climatique : <+2°C Il faut réduire drastiquement les émissions de GES pendant le 21 ème siècle (En Europe, facteur 4 en 2050) Il faut agir dès maintenant à cause de linertie du système climatique + économique Émissions de GES (tCO2/an) Concentration (ppm) donc pouvoir radiatif (W/m 2 ) Réchauffement (°C)

Plan de cette présentation 7 1.Pourquoi vouloir réduire les émissions de gaz à effet de serre? 2.Quels leviers pour réduire les émissions de GES dans les transports terrestres privés? 3.Aura-t-on des problèmes dapprovisionnement en électricité, terres rares, lithium ? 4.Les VE sont-ils limités aux petits trajets? 5.Les véhicules électriques ou hybrides rechargeables permetront-ils de réduire les émissions de GES? 6.Dans quel ordre faudrait-il implémenter les mesures permettant de réduire les émissions de GES ? 7.Les véhicules électrifiés comme une assurance Véhicules électriques et hybrides rechargeables Soutient au VE et prise de décision en incertitude

Le secteur des transports pèse de plus en plus dans les émissions de GES 8 Le transport est la 3 ème source mondiale démission de GES Sa contribution aux émissions de CO2 continue de progresser Source : IEA (2011) Europe

Les réductions démissions dans les transports passent a priori par trois canaux Lévolution des émissions peut se décomposer en : 1.Volume de transport (passagers×km) 2.Structure (véhicules privés, TC, modes doux…) 3. Intensité (kWh/100km de chaque mode, et tCO2/kWh) 9

Source: Alain Bertaud La taille des villes joue un rôle important dans le volume et la structure de transports 10 Lower emissions in Barcelona because of: 1 - Shorter travel distance; 2 – Easier use of public transport: Barcelona has 99 km of metro line. To provide the same accessibility to metro in Atlanta, 3400 km would be necessary.

Dans une France bien desservie en TC, la voiture privée est le moyen de transport dominant Structure en % Niveau en G pkm Evolution en % Voitures particulières Transports collectifs dont Transports urbains Ferroviaire Routier Aérien Total Source : Caicedo, Emmanuel, Carlmo Colussi, Karine Gormon, Françoise Jacquesson, Guillaume Wemelbeke, et Frédérique Boccara En 2007, hausse de la mobilité des voyageurs et des transports de marchandises. SESP en bref. 11 IdF: 61% des pkm en VP (STIF, Compte déplacements de voyageurs en Ile de France)

La part des transports en commun reste faible en OCDE Source: IEA, Transport Energy and CO2: Moving towards Sustainability., Paris, France: Organisation for Economic Co-operation and Development. 12

... et devrait diminuer dans les pays en développement 13

Les réductions démissions dans les transports passent a priori par trois canaux Lévolution des émissions peut se décomposer en : 1.Volume de transport (passagers×km) 2.Structure (véhicules privés, TC, modes doux…) 3. Intensité (kWh/100km de chaque mode, et tCO2/kWh) 14 Difficile et lent

Le véhicule électrique (VE), une solution potentielle, mais critiquée Consommation énergétique très réduite Lessence contient 34MJ/L 1 MJ = 0.28 kWh Lessence contient 9.5kWh/L 20 kWh/100km = 2.1 L essence /100km Moindre exposition aux aléas des marchés pétroliers (prix et disponibilité) Critiques: 1.Interactions avec le secteur de production délectricité (contenu carbone? Infrastructure?) 2.Autonomie limitée des véhicules ? (Environ 150 km) 3.Coût du carbone économisé (batteries trop chères?) ? 15

Et le reste? 1.Télétravail et optimisation du fret Réduire le volume de transport sans toucher aux formes urbaines? 2.Autopartage et covoiturage Réduire lintensité carbone (en gCO2/passager.km) sans changer la technologie (en gCO2/véhicule.km) ? 3.Agrocarburants ? -La première génération émet plus que les énergies fossiles (à cause des engrais et de lusages des sols) (quid des 2ème et 3ème ?) -Doivent utiliser des sols agricoles et de leau parfois rare 16

Plan de cette présentation 17 1.Pourquoi vouloir réduire les émissions de gaz à effet de serre? 2.Quels leviers pour réduire les émissions de GES dans les transports terrestres privés? 3.Aura-t-on des problèmes dapprovisionnement en électricité, terres rares, lithium ? 4.Les VE sont-ils limités aux petits trajets? 5.Les véhicules électriques ou hybrides rechargeables permetront-ils de réduire les émissions de GES? 6.Dans quel ordre faudrait-il implémenter les mesures permettant de réduire les émissions de GES ? 7.Les véhicules électrifiés comme une assurance Véhicules électriques et hybrides rechargeables Soutient au VE et prise de décision en incertitude

La recharge de nuit rendrait service au parc de production 18

Lithium et terres rares: pas de tensions sur le long terme ? Les tensions sur le lithium ont été mises en avant par lindustrie du zinc… Tahil, William. The Trouble with Lithium Implications of Future PHEV Production for Lithium Demand. Meridian International Research, … qui propose des batterie au zinc! Les réserves de lithium mondiales permettent déquiper plusieurs centaines de millions de véhicules électrique Evans, R. Keith. An abundance of lithium, Mars Lithium et terres rares représentent une infime partie de la masse et du cout des VE Les terres rares sont moins rares que le chrome ou le plomb par exemple (mais plus de 95% de la production mondiale est aujourdhui chinoise!) 19

Plan de cette présentation 20 1.Pourquoi vouloir réduire les émissions de gaz à effet de serre? 2.Quels leviers pour réduire les émissions de GES dans les transports terrestres privés? 3.Aura-t-on des problèmes dapprovisionnement en électricité, terres rares, lithium ? 4.Les VE sont-ils limités aux petits trajets? 5.Les véhicules électriques ou hybrides rechargeables permetront-ils de réduire les émissions de GES? 6.Dans quel ordre faudrait-il implémenter les mesures permettant de réduire les émissions de GES ? 7.Les véhicules électrifiés comme une assurance Véhicules électriques et hybrides rechargeables Soutient au VE et prise de décision en incertitude

Autonomie : un faux problème ? 21

Les déplacement courte distance représentent deux tiers de la mobilité 22

Cout des batteries, autonomie : réfléchir en termes délectrification des véhicules personnels Parc automobile Passagers* km Carburants liquides Électricité 23

Fonctionnement dun véhicule hybride Src : Wikimedia 24

Le rendement dun moteur thermique dépend de sa fréquence de rotation engine rpm Energy efficiency vehicle speed 1st 2nd 3rd 4th 5th 6th 130km/h Gears are for comfort (smooth and powerful accelerations) and energy efficiency (ideally frequently driven speed are at the optimal yield of a gear) 35% 25

Le rendement dun moteur électrique est beaucoup plus constant Energy efficiency vehicle speed Gears are for comfort (smooth and powerful accelerations) and energy efficiency (ideally frequently driven speed are at the optimal yield of a gear) 35% 85% Combustion engine and gears electric motor 26

Les technologies « hybrides » réduisent le cout de la batterie et augmentent lautonomie 1.Les voitures hybrides. Un moteur électrique assiste le moteur thermique pendant les phase daccélération. Permet déconomiser de lessence (Toyota Prius (1997), Ford Escape (2004)) 2.Les hybrides rechargeables (plug in hybrid). Peuvent être rechargés sur une prise électrique. Peuvent rouler 20 à 60 km sans bruler dessence (BYD F3DM (2004) ) 3.Les voitures électriques (battery electric vehicle). Doivent etre rechargées sur une prise. Parcourent rarement plus de 150km (Nissan Leaf(2010), Renault Fluence(Jan2012)) 4.Les voitures électriques avec Range Extender Extended Range Electric Vehicle.Font des économies sur la batterie.Embarquent un MCI bon marché et ont une autonomie illimitée Chevy Volt (2010) 27

Range extender ou hybride série : le véhicule du futur? Src : Wikimedia 28

Plan de cette présentation 29 1.Pourquoi vouloir réduire les émissions de gaz à effet de serre? 2.Quels leviers pour réduire les émissions de GES dans les transports terrestres privés? 3.Aura-t-on des problèmes dapprovisionnement en électricité, terres rares, lithium ? 4.Les VE sont-ils limités aux petits trajets? 5.Les véhicules électriques ou hybrides rechargeables permettront- ils de réduire les émissions de GES? 6.Dans quel ordre faudrait-il implémenter les mesures permettant de réduire les émissions de GES ? 7.Les véhicules électrifiés comme une assurance Véhicules électriques et hybrides rechargeables Soutient au VE et prise de décision en incertitude

Dans certaines régions du monde, la consommation moyenne des véhicules privés est et sera contrainte par des normes Src: theicct.org 30

(Il sagit dune consommation fiscale, plutôt que de la consommation réelle) Cycle Japonais Cycle Européen La comparaison des cycles nest pas triviale (An, F. et al., Passenger Vehicle Greenhouse Gas and Fuel Economy Standards: A Global Update, ICCT.) Des Worldwide harmonized Light vehicles Test Procedures sont en development 31

Agencies and scholars usually answer with Life Cycle Analyses (LCA) of GHG emissions from electrified vehicles These analyses are not favourable to electrified vehicles They neglect two important aspects: Prospective: what is a likely carbon content for the next decades? Inertia: should we first decarbonize electricity, and only then develop electrified vehicles? Can electrified vehicles reduce GHG emissions from private mobility? 32

Émissions du puits à la roue des véhicules thermiques et électriques : situation actuelle Src: Ademe, Les transports électriques en France: un développement nécessaire sous contraintes. Ademe & vous - Stratégie & études (21) 33

34 Lavantage environnemental du VE : anticiper lévolution du parc de production électrique Contenu carbone de lélectricité, Europe gCO 2 /kWh base base+techno Src: Cired

35 Climate stabilization requires to produce power from a set of low-carbon technologies climat&techno + climat&techno-

36 In Europe, electrified vehicles will continue to emit less GHG than required by the NEDC norms Available technologies include: Hydro Wind Solar (PV) Solar (concentration) Nuclear Geothermal Biomass Carbon capture and storage Fuel switch (coal to gas)

37 The existing literature is unanimous: the global electricity should be greener in the future USA China

La stabilisation du climat passe de toutes façons par la « décarbonisation » de lélectricité mondiale (adapté) VE à 100g/km 38

Cette tendance est acceptée dans la communauté scientifique et reposerait sur un panier de technologies décarbonées Src: IEA, 2009 (adapté) 39

40 Le contenu carbone de lélectricité future est un choix de société, pas une variable aléatoire Contenu carbone de lélectricité, Europe gCO 2 /kWh base climat climat+techno base+techno Src: Cired Incertitude exogène (état de lart…) Choix politique endogène

Decarbonization of European electricity is already happening and policies support further greening 41 Net generation mix in Spain was 55% carbon free in 2012 Adapted from ree.es (2013) Decarbonization of power generation is already happening: Renewable Electricity production in Europe was 12 % in 2000, 20 % in % of new capacities in 2012 was renewable power This trend should continue in the future: EU targets 30% power from renewable in 2020 EU targets carbon intensity reductions of 40% by 2030 and 95% by 2050

42 Lélectricité se décarbone au prix dune augmentation transitoire et modérée du prix nominal de lélectricité Prix de lélectricité (Europe) $2001/MWh Prix de lélectricité en Europe $2001/MWh base climat climat+techno base+techno

Plan de cette présentation 43 1.Pourquoi vouloir réduire les émissions de gaz à effet de serre? 2.Quels leviers pour réduire les émissions de GES dans les transports terrestres privés? 3.Aura-t-on des problèmes dapprovisionnement en électricité, terres rares, lithium ? 4.Les VE sont-ils limités aux petits trajets? 5.Les véhicules électriques ou hybrides rechargeables permettront- ils de réduire les émissions de GES? 6.Dans quel ordre faudrait-il implémenter les mesures permettant de réduire les émissions de GES ? 7.Les véhicules électrifiés comme une assurance Véhicules électriques et hybrides rechargeables Soutient au VE et prise de décision en incertitude

Un argument qui oublie les effets dynamiques En l'état des technologies disponibles, […]la voiture électrique,[…] ne résiste pas à la comparaison entre son coût pour la collectivité et leur bénéfice écologique exprimé par les 32 euros par tCO 2 évités. Vers léclatement de la bulle verte? Le Monde du 26 Janvier

24 Marginal Abatement Cost Curve (MACC) de léconomie mondiale (McKinsey 2007)

Those curves are interpreted as merit-order curves… 46

…meaning the expensive options (as EVs?) should not be used until the far future Abatement potential MtCO 2 /yr Cost $/tCO N-1 N Current carbon price Current abatement objective Current carbon price Current abatement objective Current carbon price Current abatement objective Current carbon price Current abatement objective (The MACC could evolve through time (e.g. learning by doing)) 47

Merit-order curves are a familiar tool 48 Capacity MW Marginal cost $/MW D S renewables diesel nuclear coal gas The question here is how to use the immediately available plants to satisfy the demand for the next minutes, not to choose investments for the next decade

Abatement potential GtCO 2 /yr Cost $/tCO 2 Cheap Deep Our model uses a MACC with two activities,… 49

Abatement potential GtCO 2 /yr Cost $/tCO 2 Cheap and fast Deep and slow The intermediate objective is reachable using only cheap 2020 target 2050 target 50 1.Should we implement cheap first and deep after? 2.Should we comply to the 2020 target using only the cheap option? (A: We should not)

Reaching a shorter-term target through cheap options (merit order approach) may cause carbon-intensive lock-in 51 time Abtmt 1.The 2020 target is reachable by implementing only the cheap option. 2.In 2020, attention goes to the 2050 target. Economic agents implement deep at the maximum speed, but the 2050 target is not reachable at time 3.For instance, starting to build renewable electricity plants now makes more sense than first switching from coal to gas, and only then from gas to renewable (even if there is no learning reducing costs) target 2050 α deep target α cheap

later 2050obj When there is inertia, starting with the most expensive option makes sense… 52 time Abtmt Gt vmax 2012 ? 1.Assume that one knows that the optimal abatement from expensive electric vehicles in 2050 should be 2Gt 2.Deploying that much EVs takes time (this point does not take LBD into account, doing so would exacerbate our message, see del Rio Gonzalez 2008) 3.We should start to implement EVs now 4.Cheaper but faster-to-implement options (smooth driving habits?) required in 2050 may enter later

Marginal Abatement Cost Curve (MACC) dans lautomobile (IEA 2009) target (exemple) 2050 target (exemple)

Dans certaines régions du monde, la consommation moyenne des véhicules privés est et sera contrainte par des normes Src: theicct.org 54

Lincertitude sur lobjectif de long terme incite à faire plus à court terme ??

Plan de cette présentation 56 1.Pourquoi vouloir réduire les émissions de gaz à effet de serre? 2.Quels leviers pour réduire les émissions de GES dans les transports terrestres privés? 3.Aura-t-on des problèmes dapprovisionnement en électricité, terres rares, lithium ? 4.Les VE sont-ils limités aux petits trajets? 5.Les véhicules électriques ou hybrides rechargeables permettront- ils de réduire les émissions de GES? 6.Dans quel ordre faudrait-il implémenter les mesures permettant de réduire les émissions de GES ? 7.Les véhicules électrifiés comme une assurance Véhicules électriques et hybrides rechargeables Soutient au VE et prise de décision en incertitude

Un modèle simple du système automobile européen décrit chaque techno par son coût complet… ClassiqueEfficaceElectrique Inv. (I) Conso (c) Life Cycle Cost Km/anprix de lénergie actualisation contenu carbone taxe carbone 57

…puis distribue les parts de marchés et calcule le coût total du système automobile Market Share Cout du Système Automobile 58

Dans un monde ou les prix futurs de lessence et de lélectricité sont incertains… 59

…le VEx joue un rôle dassurance contre le pétrole cher… 1. La disponibilité des VE réduit le coût moyen du système automobile (CSA) (ici 100$/an/voiture) 2. Réduit le risque daffronter un coût trop élevé (aversion au risque) 3.Substitue la consommation de pétrole (rente de rareté payée à létranger) par de lélectricité (valeur ajoutée domestique) 60

… et contre le carbone cher! La disponibilité des VEx fait de plus baisser le prix du carbone nécessaire pour atteindre lobjectif climatique 61

Plan de cette présentation 62 1.Pourquoi vouloir réduire les émissions de gaz à effet de serre? 2.Quels leviers pour réduire les émissions de GES dans les transports terrestres privés? 3.Aura-t-on des problèmes dapprovisionnement en électricité, terres rares, lithium ? 4.Les VE sont-ils limités aux petits trajets? 5.Les véhicules électriques ou hybrides rechargeables permettront- ils de réduire les émissions de GES? 6.Dans quel ordre faudrait-il implémenter les mesures permettant de réduire les émissions de GES ? 7.Les véhicules électrifiés comme une assurance 8.Les VE et les smart grids Véhicules électriques et hybrides rechargeables Soutient au VE et prise de décision en incertitude

Des bornes de recharge rapide sont peut-être nécessaires… 25 à 35 kWh ( 100 à 200 km ) Énergie stockable dans une batterie 25 kW 1 h Borne de recharge rapide 3 kW Une nuit Prise domestique puissance temps de recharge

…doù un problème de puissance locale 25 à 35 kWh 25 kW 4 à 5 MWh 4 MW = Le déséquilibre energie/puissance du VE… 4 MW ménages Consomation denergie électrique 200 ménages … pourrait faire augmanter les couts de lélectricité pour tout le monde Entre et par VE en infrastructure (renforcement et bornes) Augmentation du TURPE : « lensemble des consommateurs paieraient le déséquilibre entre puissance et énergie pour les utilisateurs de véhicules électriques» (ERDF 2009). x 160

Baisser brusquement la puissance de recharge équivaut à restituer une partie de la puissance 25 à 35 kWh 25 kW 10 kW 15 kW

150 VE virtuellement agrégés donnent ainsi 1MW en permanence Comportement existant Les voitures sont garées 95% du temps Les heures de pointe mobilisent moins de 20 % des voitures 80 % des trajets < 80 km Incitation économique et infrastrucutre Trois quarts des VE à larrêt branchés + = 1 MWh 1 MW 10 kW x kWh Branchés 60 % du temps Smart grid

Les marchés de lélectricité fonctionnent notamment sur des prévisions

ROTORSTATOR MécaniqueMagnétiqueÉlectrique 1.La demande augmente 2.I augmente 3.P reste constant 4.Φ(I) augmente 5.f diminue 1.La centrale veut rétablir f 2.Elle augmente P méca 3.f augmente 4.P magn augmente 5.P elec augmente Fréquence réglée Production = demande La fréquence sur le réseau oscille en permanence en fonction du bilan puissance produite-puissance demandée La variation de fréquence part en inertie du rotor

La fréquence sur le réseau oscille en permanence en fonction du bilan puissance produite-puissance demandée

Les VE branchés peuvent absorber ces chocs sur le réseau 1 MWh 1 MW x 150 = 1.Réserves primaires et secondaires (réglage puissance/fréquence) 1.Flottes captives (La Poste) 2.Aggrégation de particuliers par Smart grid x Utilisation possibles Jusquà 500$/an/VE ? $ x Sauvetage du réseau (réglage tertiaire)

V2G et réserves de puissance: pour en savoir plus Kempton, W. & Tomic, J., Vehicle-to-grid power fundamentals: Calculating capacity and net revenue. Journal of Power Sources, 144(1), p Brooks, A.N., Propulsion, A.C. & Division, C.A.R.B.R., Vehicle-to-grid demonstration project: Grid regulation ancillary service with a battery electric vehicle, California Environmental Protection Agency, Air Resources Board, Research Division. RTE Chapitre 4 – Contribution des utilisateurs aux performances du RPT. Documentation Technique de Référence. Avril.