Peut-on ouvrir les autoroutes aux voitures électriques ?

14 Février 2016

L’autonomie des voitures électriques est un sujet récurrent depuis plus d’un siècle.

Aujourd’hui la technologie n’a toujours pas vraiment résolu le problème.

Certes les cartons des ingénieurs sont remplis de promesses laissant espérer des lendemains qui chanteront, mais la réalité du terrain oblige à plus de modestie.

Peut-on définir les besoins ?

Les besoins sont une chose, les envies en sont une autre. Les voitures actuelles remplissent leur fonction utilitaire, et même au-delà pour les performances car il faut également satisfaire l'égo.

Mais, pour circuler sur un réseau limité à 130 km/h (et peut-être 120 km/h bientôt) il n'est pas absolument indispensable de concevoir des véhicules surpuissants capables de 180 km/h voire beaucoup plus, surtout quand on prétend rechercher les économies d'énergie.

La "voiture à deux litres aux cent", cheval de bataille de la lutte contre la pollution et le CO2, et objectif imposé à l'industrie automobile à travers les normes européennes, impose de renoncer aux 180 km/h au profit d'une approche plus "apaisée" du concept de la mobilité.

Nous verrons que la voiture électrique est peut-être une occasion de mettre en pratique ces bonnes résolutions.

Si l'on se rapporte aux caractéristiques d'une voiture moyenne typique à moteur thermique, représentative du modèle "utilitaire amélioré" cher à l'usager soucieux de ses deniers, mais aussi désireux d'offrir une image flatteuse, on trouve une motorisation elle aussi classique:

Un moteur de 70 KW (95 CV), un réservoir de 60 litres représentant une énergie embarquée de 600 KWh, une consommation de 7,5 L/100 ( (nous parlons d'essence) et donc une autonomie de 800 km, cohérente avec les dimensions du territoire.

Le rendement moyen des moteurs thermiques est assez minable, il n’excède pas 20% en usage courant.

Sur les 600 KWh contenus dans le réservoir, seulement 120 KWh seront donc utilisés pour la propulsion, le reste étant dissipé sous forme de chaleur (Dont une partie est récupérée pour le chauffage en hiver).

120 KWh pour faire 800 km, cela fait 15 KWh/100 km.

C'est l'énergie nécessaire pour vaincre la résistance de l'air, les frottements de roulement des pneus, les pertes dans la transmission, et l'énergie nécessaire pour monter les côtes.

La même voiture, équipée d’une propulsion électrique, aura besoin de la même énergie pour le même usage, soit 15 KWh/100 km.

Le moteur électrique de 70 KW ne pose pas de problème, on sait même faire beaucoup mieux.

Le rendement d’une propulsion électrique est très bon, en général 85%, ce qui porte l'énergie primaire nécessaire à 17,6 KWh/100 km environ.

Donc pour avoir la même autonomie que la voiture à essence, il faudrait une batterie de 140 KWh.

Et c'est là que le bât blesse.

Dans l'état actuel de la technologie, une telle batterie pèserait plus d'une tonne, ce qui doublerait le poids du véhicule et augmenterait considérablement son coût, sans parler des problèmes de recharge rapide.

On considère généralement que, pour rester dans la même gamme de puissance et de coût que la voiture à essence de référence, le poids total de la batterie ne doit pas dépasser 300 kg, soit le poids de quatre personnes adultes.

Ce poids comprend les éléments "actifs" de la batterie (sur la base de 140 Wh/kg environ), le contenant, le logement renforcé contre les accidents divers et une éventuelle explosion, les organes de gestion, régulation, refroidissement le cas échéant, les renforts de caisse et de suspension pour supporter le surpoids.

Cet ensemble correspond aujourd'hui à une batterie de 30 KWh environ.

L'autonomie du véhicule, dont la consommation est de 17,6 KWh/100 km, sera donc de 170 km en moyenne.

Cette autonomie pourra être prolongée à 200 km grâce à la récupération d'énergie au freinage.

Mais sur autoroute l’autonomie ne dépassera pas 120 km car d'une part la conduite est en principe plus soutenue, et d'autre part la récupération d’énergie au freinage est inopérante (On ne freine pas sur une autoroute…).

Pour éviter la panne sèche prématurée, les constructeurs de voitures électriques limitent par construction la vitesse à 130 km/h .

(Certains limitent également les accélérations, grosses consommatrices d'énergie).

L’ouverture des autoroutes à ces véhicules pose donc un triple problème:

D’une part ils devront se ravitailler impérativement tous les 100 km sous peine de risquer la panne sèche.

D’autre part le temps de recharge de la batterie devra être suffisamment faible pour deux raisons: Ne pas transformer un long voyage en chemin de croix, et éviter la formation de files d’attente insupportables aux bornes de chargement.

Qu'en est-il aujourd'hui de la distribution des carburants pétroliers ?

Sur le réseau autoroutier concédé à péage (9 000 km, soit 18 000 km de chaussées à deux et trois voies), il y a aujourd’hui 450 stations services espacées d’environ 40 km en moyenne.

Le temps moyen pour chaque véhicule est estimé à cinq minutes.

Ainsi, une station d’autoroute comportant par exemple huit pompes pourra servir environ 100 clients par heure. Au-delà on commence à voir se former des files d'attentes.

L'écoulement des éventuelles files d'attente est relativement rapide puisque chaque voiture n'occupe la pompe que durant cinq minutes.

Heureusement les véhicules thermiques ne s’arrêtent que rarement pour faire le plein. D’une part grâce à leur autonomie considérable ils peuvent parcourir 6 à 800 km et plus sans ravitailler, et d’autre part la plupart d’entre eux font le plein avant de partir afin d’éviter les surcoûts autoroutiers. Seuls les imprévoyants, les étourdis, ou ceux dont le trajet dépasse leur autonomie, doivent s’arrêter pour manque de carburant.

Il y a donc rarement des files d’attente importantes, sauf les jours de grands départs (Davantage d'étourdis ou de trajets supérieurs à 800 km?).

Peut-on transposer cette situation au cas des véhicules électriques ?

Non, et ceci pour plusieurs raisons.

En effet, contrairement aux véhicules thermiques, les électriques actuels doivent impérativement ravitailler tous les 100 à 120 km, et de plus la durée d'une charge est de 30 minutes en "charge rapide"(Selon les études et projets actuels).

Il existe actuellement des projets d’équipement des autoroutes en bornes de recharge rapide. Le cahier des charges fixe les caractéristiques de ces bornes: Une charge de 20 KWh en 30 minutes.

Une station électrique équipée de six postes pourra donc servir 12 clients par heure.

Au-delà que cette fréquentation il y aura formation de files d’attentes dont l'écoulement sera très long puisque chaque voiture occupe la pompe durant une demi-heure.

L'attente pourra atteindre plusieurs heures…

Donc, au-delà d’un flux de quelques dizaines de véhicules électriques par heure, il y aura saturation du réseau de chargement et allongement insupportable du délai d’attente.

Les voitures électriques actuelles ne peuvent donc pas emprunter les autoroutes, sauf pour des trajets n’excédant pas cent km. Tenter d’aller plus loin comportera le risque de devoir patienter deux ou trois heures à la prochaine station de recharge, si elle existe, ou de devoir appeler une dépanneuse si la panne sèche se produit entre deux stations…

Pour améliorer la situation et retrouver la même fluidité que connaissent les véhicules thermiques, il faudrait à la fois augmenter considérablement la capacité des batteries, et réduire dans la même proportion la durée de la charge, c'est-à-dire augmenter la puissance des bornes de charge rapide.

Quelle capacité de batterie ?

Nous avons vu plus haut que, pour obtenir la même énergie motrice que celle procurée par 60 L de carburant pétrolier, il faut une batterie de 140 KWh.

Passer de 30 KWh à 140 KWh sans augmentation exagérée du poids, cela représente un saut technologique qui n'est pas aujourd'hui dans les perspectives à moyen terme des industriels.

Les prévisions réalistes pour les prochaines années portent sur un doublement de la capacité énergétique spécifique, soit 50 à 60 KWh pour 300 kg, à l'horizon 2025.

L'autonomie serait alors de 250 à 300 km, de quoi aborder plus sereinement un trajet autoroutier, sans toutefois égaler l'autonomie des voitures à pétrole.

Mais augmenter la capacité de la batterie ne suffit pas. Il faut également pouvoir la charger.

Quelle puissance pour les bornes de recharge ?

Les 30 minutes du consensus actuel pour 80% de charge sont inacceptables compte tenu du flot des véhicules sur une autoroute.

Le temps imparti ne devrait pas être supérieur à 10 minutes.

Pour recharger en 10 minutes à 80% une batterie de 60 KWh, il faut une puissance de 300 KW.

Aujourd'hui les projets d'équipement des autoroutes prévoient des bornes de 50 KW seulement, donc totalement inadaptées aux besoins du futur proche prévisible.

(Tesla, avec une batterie de 85 KWh et des bornes de 135 KW, montre la voie à suivre, même si par ailleurs le choix d'une puissance de 450 CV n'est pas dans la ligne des économies d'énergie, mais ceci est une autre histoire…).

Il semble donc que l'ouverture des autoroutes aux véhicules électriques pour les longs trajets demeure une perspective de très long terme.

L'absence de batteries de très forte capacité, et l'inadéquation des bornes de recharge rapide prévues, constituent deux obstacles rédhibitoires.

Les seules voitures de conception nouvelle que nous verrons sur les autoroutes à court et moyen terme seront les hybrides, qui utiliseront pour la circonstance leur moteur thermique, la propulsion électrique étant réservée (?) à la circulation urbaine.

Ceci apporte de l'eau au moulin des détracteurs du tout l'électrique alimenté par batterie électrochimique.

Voilà donc un boulevard ouvert pour d'autres solutions utilisant des énergies renouvelables:

- Les biocarburants de deuxième et troisième générations.

- Le Biogaz.

- La pile à Hydrogène.

Les biocarburants ont pour eux l’avantage de la simplicité d’emploi. Les moteurs ne nécessitent que des modifications mineures, la distribution utilise les mêmes réseaux et les mêmes matériels que les carburants pétroliers.

L’autonomie des véhicules est sensiblement la même que celle des véhicules à pétrole.

La première génération, déjà largement répandue, voit son emploi règlementairement limité en Europe à cause de la concurrence portée aux productions alimentaires (Quotas plafonnés par l'ONU). La seconde génération est prête techniquement mais son coût reste encore élevé, et son rôle dans le changement d’affectation des sols pose encore problème, surtout dans le cas d’emploi de plantes dédiées ( Jatropha, Miscanthus).

La troisième génération ( Algocarburants) est encore en phase de développement.

On peut cependant penser que, durant les deux prochaines décennies, les biocarburants prendront une place importante si la lutte contre les émissions de CO2 fossile entre dans une phase active, ce qui n’est pas encore le cas aujourd’hui, du moins sur le terrain.

La manière dont les constructeurs d'automobiles tripotent leurs résultats de mesures d'émissions de CO2 et de polluants en dit long sur leurs intentions réelles quant au respect des engagements de la COP21.

Par ailleurs le pétrole n'a jamais été aussi bon marché, ce qui en fait un produit quasiment indétrônable, sauf par une éventuelle "vraie" taxe carbone qui, hélas, se fait attendre.

Le Biogaz présente un intérêt immédiat comme remplaçant du gaz naturel dans les applications fixes raccordées au réseau de distribution.

Son utilisation dans les véhicules est déjà effective sous forme comprimée dans des bouteilles, ou liquéfié.

Il peut être utilisé facilement dans des moteurs légèrement modifiés, mais nécessite la mise en place d’un réseau de distribution pour être généralisé. Ce problème constitue un frein sérieux à son développement.

L’autonomie des véhicules à gaz n’est pas à priori meilleure que celle des véhicules électriques à batteries améliorées. Par contre la recharge des bouteilles peut être beaucoup plus rapide, ce qui constituerait un atout décisif.

La pile à combustible n'est pas encore au stade de l'industrialisation à grande échelle, et porte également le problème de la réserve d'énergie à emporter.

Ce n'est donc pas dans un avenir à court terme que nous verrons les autoroutes envahies par les voitures électriques.

Affaire à suivre…