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28 janvier 2016 4 28 /01 /janvier /2016 09:37

28 Janvier 2016

Après avoir longtemps rêvé à des progrès fulgurants donnant aux batteries au Lithium les capacités énergétiques massiques que laissent entrevoir la théorie, il a fallu se rendre à l'évidence, ces progrès, s'ils sont possibles, seront très lents.

Pour que la voiture électrique actuelle devienne autre chose qu'un véhicule urbain, il est impératif de déployer un réseau de recharge rapide permettant à ces véhicules d'effectuer de longs trajets.

Le temps n'est plus aux atermoiements. La croisade planétaire contre le CO2 impose des mesures de court terme pour réduire la part des énergies fossiles. Pour l'automobile, cela signifie développer l'emploi des biocarburants et/ou de l'électricité.

Les biocarburants disponibles aujourd'hui appartiennent à la première génération et sont mis à l'index par l'ONU. Ils ne peuvent donc pas se substituer à grande échelle aux carburants fossiles. Quant aux biocarburants de seconde et troisième générations, ils ne sont pas encore disponibles.

Seule l'électricité peut donc servir de support immédiat à une offensive contre le Super et le Gazole. Cela tombe bien, les énergies renouvelables (Eolien, Photovoltaïque, Hydraulique) fabriquent de l'électricité.

De nombreux modèles de voitures électriques existent déjà sur le marché, mais le déploiement de l'application hors les murs de la ville se heurte au problème de recharge des batteries. Le succès de la transition vers l'électrique repose donc sur le développement d'un réseau de bornes de recharge rapide.

Quelles bornes, quelle puissance, quelle normalisation?

Les lois de la physique étant ce qu'elles sont, et le marketing n'ayant pas la capacité de les modifier, l'énergie nécessaire pour mouvoir un véhicule donné sur un certain parcours, dépend de la vitesse, de l'accélération, de la résistance de l'air (maître couple et Cx), des frottements de roulement des pneumatiques, des frottements dans la transmission, du poids du véhicule, et du profil de la route. C'est l'énergie "utile".

Cette énergie utile est fournie par une motorisation dont le rendement énergétique varie selon la technologie: 20% en moyenne pour un moteur thermique, et jusqu'à 90% pour un moteur électrique avec récupération de l'énergie de freinage (Hors chauffage ou climatisation).

L'énergie réellement consommée dépend donc au premier ordre de ce rendement, et de ce point de vue la propulsion électrique est très avantagée:

Là où, avec un moteur thermique, il faudra dépenser 100 KWh pour effectuer tel parcours, il ne faudra que 22 KWh avec un moteur électrique pour la même voiture et avec le même mode de conduite sur le même parcours.

Cet avantage extraordinaire (Dépense énergétique divisée par 4,5) joint à l'absence d'émissions de CO2 et de polluants, justifie l'intérêt pour la propulsion électrique, malgré la faible capacité spécifique des batteries actuelles (qui ne peut qu'augmenter dans l'avenir).

Les batteries destinées à l'automobile doivent respecter un cahier des charges très sévère qui, outre les spécifications électriques, impose des normes draconiennes pour les gammes de température, la fiabilité, le nombre de cycles, le courant de pointe, la tenue aux surcharges, la fiabilité en régime de charge rapide, la robustesse mécanique, l'étanchéité, la longévité, la sécurité, le prix, etc. Pour respecter ces conditions, la technologie des batteries au Lithium ne peut offrir aujourd'hui qu'une capacité énergétique spécifique globale de 100 Wh/kg.

Une batterie de 30 KWh induit un surpoids d'environ 300 kg en comptant les systèmes de contrôle et régulation, les éléments de renfort de caisse, les supports des éléments de batterie, les renforts de suspension.

300 kg représentent 20% du poids d'une voiture moyenne à moteur thermique, ou encore le poids de quatre personnes adultes.

C'est le surpoids maximum acceptable au-delà duquel il faut concevoir un autre modèle de voiture dans une autre gamme de prix et de puissance.

(Comme par exemple la Tesla 85 S, munie d'une batterie de 85 KWh, mais qui pèse 2,3 tonnes!).

Lors de l'établissement du cahier des charges de la voiture électrique, un consensus s'est dégagé sur la nécessité de pouvoir recharger la batterie à domicile en huit heures sur une prise domestique 230V/16 A standard, ce qui permet de fournir environ 90% de la capacité d'une batterie de 22KWh. ( Sur une voiture électrique la batterie ne doit jamais être complètement déchargée, il reste toujours environ 10% de la charge).

22 KWh est ainsi devenu un standard, que l'on retrouve sur de nombreux modèles.

Bien sûr, si demain les progrès technologiques permettent de produire des batteries à capacité massique énergétique doublée ou triplée, le problème de l'autonomie ne sera plus qu'un mauvais souvenir, mais le problème des bornes de rechargement rapide ne sera pas supprimé pour autant, surtout si les constructeurs en profitent pour augmenter la puissance des moteurs. L'exemple de Tesla montre que, malgré des batteries de 85 KWh, un réseau de bornes de rechargement "ultra rapide" demeure indispensable.

Quelle autonomie avec 22 KWh ?

Une voiture moyenne à moteur thermique, conduite raisonnablement, consomme environ 6 L de super aux 100 km (soit 60 KWh ). La même voiture équipée d'un moteur électrique, et conduite de la même façon consommera 4,5 fois moins soit 14,8 KWh/100 km

Si la même voiture, en version électrique, est équipée d'une batterie de 22 KWh ( Valeur classique qui permet de limiter le surpoids et de charger en 8 h à la maison), la capacité utile est de 20 KWh ( 10% de capacité sont préservés par le régulateur), ce qui permet une autonomie de 150 km.

Lorsque le chauffage ou la climatisation sont utilisés, il y a une surconsommation qui peut limiter l'autonomie à 120 km, voire moins.

Et si la conduite est un peu moins raisonnable, que la route est un peu en pente, et que la voiture est chargée ( départ aux sports d'hiver) l'autonomie devient dangereusement faible.

Pour les besoins en bornes de recharge, il faut considérer deux cas:

Pour les parcours urbains et semi-urbains inférieurs à 100 km par jour, l'autonomie actuelle de 150 km suffit, compte tenu de la possibilité de recharger au domicile, et des nombreux points de rechargement semi-rapides qui existeront en ville sur la voie publique, les parkings d'entreprises et de grandes surfaces, et les stations-services existantes.

Le problème se pose pour les parcours routiers et autoroutiers, qui ne peuvent accepter des arrêts de plusieurs heures pour recharger !

Pour ces cas on pense évidemment à la voiture hybride, mais c'est une fausse solution car ces voitures sont équipées de batteries de capacité moyenne ( 8 à 10 KWh ) pour éviter un surpoids et un coût trop importants, et donc leur autonomie électrique ne dépasse pas 40 à 50km. Au-delà de cette distance, elles redeviennent des voitures à moteur thermique, émettrices de CO2 et de polluants comme les autres…

On ne peut donc pas échapper à la nécessité d'installer un réseau de bornes de recharge rapide.

Qu'entend-on par recharge rapide ?

On pense à priori au temps qu'il faut aujourd'hui pour faire le plein de Super ou de Gazole, cinq minutes environ sans compter les délais d'attente. Mais, pour recharger une batterie de 30 KWh ( Renault ZOE) en cinq minutes, il faut une puissance de près de 400 KW, qui représente un courant de 1 000 Ampères sous 400 Volts, soit l'équivalent de la puissance pour alimenter tout un quartier !!!

Aujourd'hui le réseau ERDF ne peut pas se permettre ce genre de sport, qui compromettrait gravement l'équilibre du réseau compte tenu du nombre de bornes à prévoir.

Les industriels, conscients du besoin des futures batteries, sont demandeurs pour des puissances de charge importantes.

[ERDF est beaucoup plus prudent que les industriels et préconise le développement de la recharge normale chez les particuliers et dans les entreprises pour lisser les appels de puissance et éviter que le réseau électrique français ne disjoncte . lesechos.fr/21/08/2014]

Si les bornes doivent être alimentées par le réseau ERDF, Il faut choisir un compromis qui soit acceptable à la fois par l'application, qui réclame un temps de charge le plus faible possible, et par ERDF, qui aura à gérer les appels de puissance dont la survenue sera aléatoire et donc relativement peu prévisible, rendant délicate la gestion du "Smart Grid", même avec le compteur Linky.

( Alors que les recharges à domicile la nuit peuvent être facilement prévisibles et intégrées au plan de production).

Le compromis actuel retenu pour la charge rapide est 50 KW, qui permet en trente minutes de charger à 90% une batterie de 22 KWh.

Il est par ailleurs envisagé de limiter à trente minutes la durée de connexion à une borne rapide afin d'éviter les files d'attente.

Ce qui ne fait pas l'affaire des promoteurs de Tesla, dont les voitures sont équipées de batteries de 85 KWh. Ces véhicules devraient donc patienter une heure et demi pour "faire le plein", ce qui est évidemment inacceptable avec un objet à plus de 100 000 euros!

(Et de plus le tarif à la borne deviendra dissuasif au-delà de 30 minutes).

C'est pourquoi Tesla a décidé de créer son propre réseau de bornes de rechargement ultra rapide (Super charger) prévues pour fournir une puissance de 135 KW, voire plus si affinité.

Il sera ainsi possible de prendre plus de 60 KWh en trente minutes.

( Le "Guide technique pour la conception et l'aménagement des IRVE" mentionne l'existence du réseau Tesla comme "réseau privé" ).

On se sait pas ce que pensent les gestionnaires de réseaux MT et BT de ce genre de sport, mais en prévision de quelques objections, Tesla a décidé de développer des installations autonomes alimentées par panneaux photovoltaïques.

La firme Tesla annonce près de 600 stations déjà installées dans le monde, dont 200 en Europe (29 en France) avec plus de 3 000 bornes de charge (5 par station). Des discussions seraient en cours avec d'autres constructeurs pour partager le réseau.

Si ce type de bornes ultra-rapides se développe sans rencontrer d'obstacle de la part des gestionnaires de réseaux électriques, on peut penser que le compromis "50 KW" du projet Européen sera fortement concurrencé, et pourra même devenir obsolète dans le cas ( prévisible) où le progrès des batteries permettrait d'augmenter leur capacité vers 50 ou 60 KWh.

Tesla n'est pas le seul à installer des bornes de recharge rapide:

Le programme Européen "Corri-door" porte sur l'équipement d'un axe autoroutier européen Nord-Sud en stations de rechargement rapide . EDF est chargée de la partie française avec 200 stations, en collaborations avec Renault, Nissan, BMW, et Volkswagen.

Ces bornes sont tri standards, et chaque borne est équipée de trois câbles pour trois types de raccordements:

- Connecteur type 2, courant AC

- Courant continu, connecteur CHAdeMO

- Courant continu, conne cteur CCS.

Puissance en charge rapide 43 et 50 KW.

D'autres programmes sont en cours, à l'initiatives des territoires ou d'entreprises privées, comme Bolloré.

Le prix de l'électricité vendue à ces bornes sera fortement dépendant de l'investissement nécessaire, celui-ci croissant proportionnellement à la puissance délivrée.

Il subsiste aujourd'hui les problèmes de la standardisation des connecteurs et de l'interopérabilité.

Il est évident que le déploiement d'un réseau unifié de bornes de recharge ne peut se concevoir qu'à deux conditions:

- Le Système ( Modes de charge, puissance, spécifications électriques, prises de raccordement et câbles côté borne et côté véhicule, fonctions de sécurité, mode de communication, logiciels de gestion, système de paiement, etc) doit être standardisé, au moins à l'échelon européen.

- Un haut niveau d'interopérabilité doit être assuré avec les différents systèmes existants déjà sur le marché et entre les divers opérateurs, notamment sur les moyens de paiement.

Pour éviter que ces problèmes n'aboutissent à une jungle, le Gouvernement prépare un décret visant à harmoniser les systèmes d'abonnement et de paiement qui imposerait l'interopérabilité aux opérateurs de réseaux de stations de recharge de batteries.

Le déploiement d'un réseau (ou de plusieurs réseaux) de stations de rechargement doit tenir compte de l'évolution prévisible de la technologie des voitures électriques.

Le progrès le plus attendu porte sur les batteries, qui sont l'objet de recherches intensives eu égard à l'importance de l'enjeu. Chez Renault on estime que d'ici 2020 la capacité massique énergétique aura doublé, des batteries de 50 à 60 KWh seront alors la norme, pour une autonomie moyenne de 250 à 300 km.

Les bornes de recharge de 50 KW seront alors dépassées ( Mais toujours utilisables heureusement), surtout si le réseau Tesla remplit ses promesses (déjà plus de 1000 bornes en Europe, pour 200 stations).

Les réseaux de recharge rapide sont donc sur la bonne voie; la France n'est pas en avance, mais les dispositions prises et les programmes lancés autorisent un certain optimisme.

La poule finira bien par rencontrer l'œuf, à moins que çà ne soit l'inverse…

Quel sera le coût du carburant électrique vendu à ces bornes ?

Le "Guide pour l'installation et la gestion des IRVE ( Installation de Recharge de Véhicules Electriques)" précise, pour éviter tout malentendu:

"On n'achète plus de l'électricité, on achète un service de charge de batterie, qui inclut de l'électricité".

Le prix du KWh n'aura plus aucun rapport direct avec le tarif réglementé pratiqué chez l'usager. Le gestionnaire des stations de charge souscrit un abonnement auprès d'un fournisseur d'énergie (ERDF ou un autre) pour une certaine puissance, et pour un prix HT au MWh. Ce prix constitue un des éléments de ses coûts de fonctionnement, et pas forcément le plus important. Son prix de revient unitaire (L'unité étant le KWh) intègre les éléments classiques du plan comptable général: Coût matières (ici des MWh), Amortissement des installations, entretien, fluides, loyers, frais financiers, provisions pour l'évolution des équipements, assurances, salaires, charges sociales, impôts, CFE ( Cotisation Foncière des Entreprises), CVAE (Cotisation sur la Valeur Ajoutée des Entreprises), coût de la maintenance, coût des communications (monétique), et la marge bénéficiaire ( le business de la recharge de batterie n'étant pas une activité philanthropique).

A ce prix de revient convient d'ajouter les taxes dues par le client et qui sont le pendant de la TICPE et de la CCE qui "accompagnent" la consommation de tout produit énergétique, et bien sûr l'inévitable TVA, pour obtenir le prix de vente public.

On imagine sans peine qu'à ce niveau le prix du KWh "Domestique" ne sera plus qu'un lointain souvenir, une sorte de référence archéologique.

Le gestionnaire de réseau pourra pratiquer une politique de prix variables incitative, selon la quantité d'énergie, le temps d'occupation de la borne, l'heure, le jour, la période de l'année, le week-end, le type d'abonnement du client, sa fidélité, l'emplacement de la borne, ou tout autre paramètre.

Pendant les premiers temps, le coût de la recharge sera faible, voire même nul, il est essentiel de fidéliser la clientèle.

Après la période de lancement, le prix "normal" sera pratiqué.

Quel sera ce niveau de prix ? Impossible de répondre avec précision.

Une seule certitude: Le mythe du plein à deux euros peut être définitivement oublié…

Mais le progrès n'a que faire de la Mythologie, que diable.

Si la voiture électrique réussit à s'imposer, et c'est bien le but recherché, il n'est pas absurde d'envisager une part électrifiée de 50% du parc dans 15 ans, à l'horizon 2030 (15 ans, c'est la période de renouvellement du parc).

Dans les conditions d'utilisations actuelles (12000 km/an et par voiture), l'alimentation électrique de ces véhicules soutirerait la totalité de l'électricité produite par cinq centrales de 1000 MW, soit 36 TWh/an.

Installer beaucoup de bornes de chargement c'est bien, mais il ne faudra pas oublier de construire quelques centrales supplémentaires.

Ou 3 000 éoliennes offshore de 5 MW, avec les installations de stockage correspondantes.

A suivre...

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