Bilan et choix technologiques de la voiture électrique Arnaud MURIER Guillaume SCHWORER Laura GOYETCHE Sylvain SEMOUX

Introduction Les ressources de pétrole s’épuisant, un autre mode de propulsion automobile est à envisager Les voitures électriques se posent comme une alternative intéressante sur le plan écologique, mais l’on ne voit souvent que leurs avantages… … par exemple, parmi les questions qu’elles soulèvent se pose celle des stratégies de distribution d’énergie délicates à généraliser Une solution miracle?

Plan Contexte - Voitures électriques : Bilan Batteries Etude de cas Variété de choix Critères d'évaluation Batteries lithium-ion Etude de cas Conclusion Références

Contexte Pourquoi la voiture électrique ? Quelle nécessité ? Point de vue environnemental : objectif de réduction des émissions de CO2, politique actuelle mondiale. Point de vue développement durable : problème de la disponibilité des ressources naturelles (pétrole : 40 ans) Point de vue de la société : urbanisation de la population toujours en hausse (plus de 50% en France) nouvelles attentes de la part des consommateurs (confort, coût, performance)

Voitures électriques : bilan Dans le contexte présenté, l'utilisation des voitures électriques présente des avantages certains : Pas de pollution gazeuse (émissions de CO2 nulles) Pas de nuisances sonores Problème d'accès et de disponibilité des ressources naturelles moins important/immédiat. Mais aussi deux inconvénients majeurs : Stockage de l'énergie : la densité énergétiques des meilleures batteries est 10 fois moins importante que l'essence/diesel : Surpoids important du véhicule Autonomie et donc recharge des batteries sont à prendre en compte

Voitures électriques : bilan Inconvénients (suite) : Bilan environnemental complet Si l'on prend en compte la production d'énergie primaire (électricité) dépend du pays (énergies fossiles, nucléaire, énergies renouvelables ?) Émissions de CO2 peuvent être similaires à celles des voitures essence/diesel

Bilan : Conclusion "La voiture électrique n'est pas la solution miracle" Dans le contexte actuel, elle présente de réels avantages mais aussi des inconvénients non négligeables. En France, le bilan environnemental des voitures électriques reste positif si l’on prend en compte l’origine de la production d’électricité (80% nucléaire). Une analyse plus juste doit prendre en compte la production d'électricité comme un mélange de toutes les sources existantes (énergies renouvelables comme usines à charbon). Dans ce cas, on a le même bilan carbone pour voitures électriques et essence/diesel. L'utilisation de voitures électriques présente le léger avantage de déplacer les zones de production de CO2 en retrait des zones urbaines. Reste le problème du stockage de l’énergie que nous allons à présent développer plus précisément…

Batteries: variété de choix Il existe de nombreuses technologies Le succès de la voiture électrique repose sur l’amélioration des batteries

Batteries: critères d’évaluation On compte plusieurs critères d’évaluation, qui définissent aussi les défis technologiques. Energie massique Wh/kg Durée de vie en cycles de recharge Temps de recharge Recyclage Prix $/Wh Plomb-acide 30/40 600-1200 12h oui 0.3 Nickel-cadnium 50/65 2000 2h 1 Nickel hydrure métal 55/80 1500 4h 2 Lithium-polymère 150 500 À organiser 2->0.3 Lithium-ion 1000 2>0.3

Batteries: lithium-ion Meilleur compromis actuel Bonne énergie massique 30% plus petites et 50%plus légères que les batteries Ni Mh Prix en baisse (utilisation massive pour les téléphones portables) Pas de polluant, mais recyclage à organiser Problème d’auto inflammation De nombreuses chimies différentes, forte évolution

Etude de cas Dimensionnement du parc de station de rechange/recharge de batterie pour une ville de 50.000 habitants: - toutes les voitures sont électriques (batterie de type Li-ion: autonomie moyenne 160 km, durée de vie de 1000 charges* soit 155 000 km). - la ville est propriétaire des batteries et propose un service de rechargement aux conducteurs sous forme d’abonnement. - il existe 3 modes de ravitaillement de son véhicule: - via une station d'échange de batterie - via une borne de recharge - via une installation électrique chez soi France Ville Habitants 64.000.000 50.000 Superficie (km²) 544.000 25 Densité 104 2.000 Nombre de foyers 25.000.000 19.500 dont foyers avec au moins une voiture 22.000.000 17.500 Voitures totales 37.500.000 29.000 *: charge pleine (8h, 100% de la capacité) ou partielle (30 min, 80% de la capacité)

Etude de cas Estimation des besoins Moyenne nationale des déplacements : 40 km /véh/jour Dans une telle ville: 15 km/véh/jour (utilisation de moyens de transport urbains) Les recharges devront donc s'effectuer tous les 10,5 jours Km parcourus dans cette ville: 29.000*15 = 435.000 km/jour Si l’on estime que les clients rechargent alors qu’il leur reste 10km d’autonomie: 435.000 /150 = 2.900 batteries à charger /jour Dimensionnement du parc de batteries de rechange: minimum 4 batteries pour 3 voitures, donc 240 batteries en stock pour la ville En prenant un coefficient de sécurité , on arrive à 400 batteries en stock On estime que 85% chargent la nuit: 2465 batteries/jour

Etude de cas Si on pose que: 1 : 40% rechargent chez eux (soient 7000 foyers) : 1160 batteries/jour 2 : 35% rechargent en station : 1020 batteries/j 3 : 25% échangent leur batterie : 720 batteries/j 850 bornes de recharge, regroupées par groupe de 5 bornes en moyenne (170 groupes) – réutilisation de places de parking actuelles et installation de « prises » à proximité 2 stations de rechange stockant chacune 200 batteries: Changement d’une batterie en 1 min+2 min pour mise en place+paiement 3min de cycle de changement par voiture 5 emplacements où changer les batteries. Flux de 100 voitures par heure (200 voitures par heure sur la ville)

Etude de cas Estimation des coûts: Prix d’une batterie: Coût d’une station de rechange : 1 250 000€ par station Coût d’un groupe de 5 bornes de recharge : (9 000 + 3 000*5) = 24 000 € par groupe Coût d’une installation personnalisée : (1 250 + 2 250) 5 000 € par foyer Prix d’une batterie: Densité énergétique moyenne d’une batterie Li-ion: 100 Wh/kg Prix moyen actuel d’une batterie Li-ion 0.3 $/Wh (plus pour les plus performantes) On estime un prix de 0.1 $/Wh dans le cas d’une commercialisation grande échelle Pour une batterie de masse de 350 kg, de densité 120 Wh/kg (top actuel: Tesla/Protoscar) ~40 kWh pour une batterie, donc 3600 € par batterie à l’achat Prix de l’électricité: Heures pleines TTC: 0,115 euro/kWh, soit 4,6 € la recharge Heures creuses TTC : 0,073 euro/kWh, soit 2,9 € la recharge (365,25/12)/ 10,5 = 2,9 recharges par mois, dont 85% la nuit 12 € de recharge/mois

Etude de cas Coûts fixes : Coûts variables, par mois = 650000 € stations de rechange + bornes de recharge + batteries = 113 140 000 € Coûts variables, par mois = 650000 € remplacement des batteries + recyclage = 400 000 € prix de l’électricité pour recharge = 200 000 € prix de fonctionnement (salaires: 10 salariés pour les stations de rechange et 15 employés de maintenance des groupes de recharge) = 50 000 € Par conséquent, si : un abonnement = 50 € /mois (pour les 10 500 foyers sans installation privée) 12 € la recharge 15 € la rechange 1 230 000 € soit 16 ans pour que la municipalité ait remboursé sont investissement Prix/an, € 5 000 km 10 000 km 15 000 km Abonné 1 010 1 430 1 840 Non abonné 100 200 300

Etude de cas: conclusion L’abonné payera plus cher, cependant le non abonné a un investissement initial conséquent et doit avoir une maison disposant d’un garage Pour pouvoir approvisionner correctement la ville, il faut disposer de la puissance électrique suffisante, ce qui est possible seulement si des économies importantes sont réalisées. Le prix de l’électricité sera-t-il le même ? Gestion dynamique du réseau de distribution de l’électricité à mettre en place (c’est déjà le cas en Suède, arrivée progressive en France avec les « compteurs intelligents »). Gestion dynamique du parc de batteries dans les bornes/stations (à la manière des Vélo’V) et éventuellement dans les voitures pour tenter de réguler au maximum les pics de rechargements

Conclusion La voiture électrique présente des avantages environnementaux non-négligeables mais à nuancer . Un des freins à son succès est le problème du stockage d’énergie. Les technologies de batteries ne cessent d’évoluer, les batteries lithium-ion vont certainement balayer toutes les technologies actuelles. Cependant les performances sont toujours loin des carburants pétroliers. La généralisation des voitures électriques ne peut être envisagée sans création d’un réseau de distribution d’énergie, ou de parc de batteries. Cela nécessite des investissements importants qui doivent être optimisés grâce à des études et des accords entre les constructeurs.

Merci de votre attention

Références http://www.edf-bleuciel.fr http://www.sibelga.be/attachments_Fr/E-FR-2010-Tarifs-Raccordement.pdf http://www.edf-bleuciel.fr/accueil/j-ai-besoin-d-energies/electricite/les-tarifs-electricite-141626.html http://www.ccfa.fr/statistiques/faits-et-chiffres/en-france/usage-de-l-automobile/circulation-routiere-2007.html http://www.mdi.lu/telechargements.php http://www.insee.fr/ http://energie.lexpansion.com/transports/voiture-electrique-changer-ou-charger-la-batterie-_a-40-1300.html http://www.ddmagazine.com/731-Voiture-electrique-combien-de-CO2.html