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27 mars 2016 7 27 /03 /mars /2016 10:43

27 Mars 2016
Les batteries au Lithium des voitures électriques sont des objets de haute technologie qu'il faut entourer d'un soin extrême.
Rien à voir avec la batterie de Grand Père à base de Plomb et d'un peu d'eau acidulée. Constituée de six éléments de deux volts en matériaux grossiers disposés en série, ces "vieilles" batteries ne nécessitent aucun entretien et sont très tolérantes quant aux conditions de charge et de décharge. Leur prix, fort modeste, en fait des accessoires jetables.
Avec le Lithium, fini de rire, nous allons le voir ci-après.
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Pour créer un marché de masse de la voiture électrique, la plupart des grands constructeurs se sont fixé l'objectif du moyen de gamme, qui correspond à la plus forte demande.
Compte tenu de l’état de l’art en matière de batterie, et surtout du prix, les ambitions se sont limitées au départ à des modèles de puissance relativement modeste, environ 80 KW (100 CV) .
Ce type de voiture, équipé d’un moteur thermique, consomme environ 60 KWh aux 100 Km (6,7 L de super/100).
(Le PCI du SP est de 9 KWh/L).
Le rendement global, du réservoir à la roue, est en moyenne de 25%, l'énergie "utile" est donc de 15 KWh/100 Km.
Ce qui donne au véhicule une autonomie de 800 Km avec un petit réservoir en tôle de 55 Litres.
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La même voiture, équipée d'une propulsion électrique, aura toujours besoin de 15 KWh à la roue pour faire 100 Km, mais le rendement du réservoir (Batterie) à la roue sera bien meilleur, au moins 85% avec la récupération d'énergie au freinage.
Pour transmettre 15 KWh à la roue, il faudra donc dépenser "seulement" 18 KWh au lieu de 60 KWh en "thermique".
Par contre, pour égaler l'autonomie du modèle thermique, il faudra un "réservoir", en fait une batterie, d'au moins 144 KWh .
Et de plus, Contrairement à un réservoir d'essence, une batterie au Lithium ne doit jamais être déchargée en-dessous de 10% de sa capacité max, sous peine d'altérer ses performances et sa durée de vie.
La batterie capable de fournir 144 KWh effectifs doit donc avoir une capacité nominale de 160 KWh.
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Dans la technologie actuelle des batteries Lithium, et en adoptant le meilleur compromis Puissance/Capacité, une telle batterie pèserait 1 350 Kg !! Et son prix serait indécent.
De plus il faudrait une puissance motrice beaucoup plus importante pour "Bouger" la voiture devenue un poids lourd, ce qui augmenterait la consommation...
A la fois pour des raisons de surcharge et de coût déraisonnables, il faut donc renoncer à l'autonomie de 800 Km si l'on veut s'attaquer au moyen de gamme, ce qui est un handicap évident pour le véhicule électrique.
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Exit donc la batterie de 160 KWh pour la voiture moyenne à 20000 euros.
(Attention, Il en sera peut-être autrement dans dix ans* car la technologie des batteries aura progressé).
* Peut-être même avant.
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Mais alors, quelle batterie aujourd'hui pour notre voiture moyenne ?
Puisqu'il faut rester raisonnables, le choix sera dicté par la raison:
Dans le cahier des charges de la voiture électrique populaire, établi il y a dix ans, il était précisé que la batterie doit être rechargeable au domicile en huit heures environ sur une installation domestique, sur une prise 20 A type appareil de cuisson.
(Prise dédiée, protégée, raccordée directement au compteur monophasé et câblée en 4 mm2 SVP).
Une telle prise peut fournir sans peine 3,5 KW, permettant de charger en huit heures une batterie de 30 KWh.
( Il faut laisser un peu de mou au compteur 6 KVA afin qu'il puisse alimenter en même temps un cumulus par exemple).
Une telle batterie Lithium 30 KWh, de techno actuelle conçue pour l'automobile, induit un surpoids de 300 Kg environ
(la batterie elle-même, les supports renforcés, le bac, le système de gestion).
Donc, à la fois pour limiter la surcharge en poids, pour rester dans un domaine de prix acceptable, et pour avoir la possibilité de charger en huit heures au domicile, le compromis s'est établi à 30 KWh.
Ce qui donne une autonomie théorique d'environ 200 Km à notre voiture de référence.
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A propos d'autonomie.
L'autonomie pratique dépendra beaucoup de la manière de conduire, du chargement (Passagers, bagages), des conditions météo (Vent, froid, chaleur, nuit), et du profil de la route. Sur autoroute la récupération d'énergie au freinage est nulle et l'on est davantage tenté de rouler à 130 qu'à 90. Si en plus, c'est l'hiver et qu'il fait nuit, le chauffage et l'éclairage entameront sérieusement la réserve d'électricité.
Il faudra alors s'accommoder d'une autonomie réduite parfois à seulement 100 Km.
Et il n'est évidemment pas question de tracter une caravane…
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Cette solution ne peut donc être que provisoire, en attendant des batteries plus légères et de plus grande capacité.
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Le compromis Puissance/Capacité.
Dans une batterie Li-ion, les ions sont stockés dans l'une ou l'autre électrode et circulent de l'une à l'autre. La capacité énergétique spécifique de la batterie est d'autant plus grande que la structure poreuse des électrodes est capable d'en accueillir beaucoup.
Mais plus les ions sont enfouis profondément dans le matériau poreux, et plus ils sont difficiles à extraire, donc plus faible sera le courant max disponible, et donc la puissance max.
La batterie doit fournir à la fois la réserve d'énergie (Capacité en KWh) et la puissance (KW, liée au courant maximal) pour le moteur.
Or ces deux "qualités" ne peuvent être obtenues ensemble, du moins dans la technologie du moment.
Pour un certain poids de matière active (Electrodes) on a au choix soit une capacité importante mais avec un faible courant max, soit l'inverse.
Comme la batterie doit fournir les deux, il faut accepter un compromis.
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Où en est la technologie ?
Pour sortir de ce conflit puissance/capacité il y a deux voies:
- Rechercher des matériaux et des structures d'électrodes permettant à la fois d'accueillir beaucoup d'ions et de les libérer rapidement.
- Séparer les fonctions de réserve d'énergie et de puissance.
La batterie est alors optimisée pour avoir la capacité spécifique la plus grande possible, son courant max étant adapté à la puissance moyenne demandée. Les pointes de courant correspondant à une demande momentanée de forte puissance sont alors fournies par un super condensateur qui vient "épauler" la batterie.
Cela permet, pour un même poids, d'avoir une capacité énergétique plus importante et donc d'améliorer l'autonomie.
Un seul inconvénient: le prix.
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Le compromis actuel.
Avec la technologie Li-ion du moment, le compromis choisi s'est établi à 400 V et 200 A de courant max, pour avoir 80 KW de puissance motrice, correspondant à la puissance de la voiture moyenne prise pour référence.
Etant entendu que, plus tard, lorsque la technologie des batteries aura évolué, un autre compromis sera possible, avec des capacités de batteries plus importantes.

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Pour obtenir 400 V, on dispose en série une centaine de blocs de 3,7 V, chaque bloc étant constitué d'une dizaine de cellules élémentaires connectées en parallèle afin de limiter le courant traversant chaque cellule (Montage série-parallèle).
On peut donc trouver plusieurs centaines de cellules élémentaires dans une batterie Li-ion de voiture.
La charge et la décharge de ces cellules doivent être équilibrées sous peine de conduire à la destruction de la batterie, voir même à son explosion en cas d'emballement thermique. Chaque cellule est équipée d'un dispositif d'équilibrage et de mesure de la température.
La tension minimale de fonctionnement d'une cellule est de 3 V. La tension maximale à ne pas dépasser est de 4,2 V. Ces seuils de tension doivent être surveillés, pour chaque cellule, avec une précision de +/- 0,05 V.
Les valeurs de seuils sont légèrement variables d'un constructeur à l'autre. Elles doivent être respectées scrupuleusement sous peine, au mieux, de détériorer la batterie, et au pire de la faire exploser.
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La charge d'une batterie Li-Ion.
La charge de ce type de batterie doit s'effectuer en trois temps:
Une première phase dite de "récupération", si la tension de batterie est inférieure à 3,2 V (Par élément), c'est-à-dire si elle est déchargée en-dessous des fameux 10%. Durant cette phase le courant de charge est faible et ne sert qu'à régénérer les éléments.
Cette phase est incontournable, elle peut avoir une certaine durée si la batterie présentée n'est pas au mieux de sa forme.
Lorsque la tension a atteint le seuil de 3,2 V par élément, la seconde phase est enclenchée.
Cette seconde phase est à courant constant (A peu près constant), qui peut être de valeur élevée. La valeur est choisie à 1C ou 2C selon les spécifications constructeur ( "C" est la valeur du courant correspondant à la capacité exprimée en Ah).
Bien sûr, si on a le temps on peut utiliser un courant plus faible (mode charge lente).
La durée de cette seconde phase doit correspondre à environ 80% de la charge.
La tension correspondant à un remplissage à 80% est le signal d'arrêt de la seconde phase.
Ensuite, pour éviter de détériorer les cellules, il faut terminer la charge à courant décroissant.
Cette troisième phase se déroule donc à tension constante et courant variable décroissant jusqu'à zéro, pour fournir les 20% de charge finale. Cette phase dure une heure ou deux.
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En mode charge rapide, la troisième phase n'est pas effectuée par définition, et donc la batterie ne reçoit que 80 % de sa capacité.
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Qui surveille et gère la charge ?
En pratique, on ne peut pas exiger de la borne de charge qu'elle assume la totalité de la gestion de la charge pour tous les types de batteries qui se présentent, et, pour chaque batterie, qu'elle connaisse son état de charge, son état de santé, etc…
Cette gestion est assurée par le véhicule lui-même, qui dispose d'un système dit "BMS" (Battery Management System) chargé d'assurer les fonctions suivantes:
- Protection des cellules.
- Contrôle de la charge.
- Equilibrage des cellules.
- Etat de santé des cellules.
- Gestion de l'énergie.
- Etat de charge.
- Gestion thermique du pack.
Lorsque le câble de charge de la borne est connecté à la voiture, le BMS transmet toutes ces informations à la borne de charge, qui est censée en tenir compte pour faire ce qu'on lui demande.
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Pour effectuer une charge dite "rapide", définie comme une recharge à 80% en 30 minutes, le courant devra être de 120 A, c'est-à-dire 1,6 C (Dans notre batterie de 30 KWh).
(120 A x 400 V = 48 KW, soit 24 KWh en ½ Heure)
Une batterie n'est pas capable de supporter n'importe quelle valeur de courant de charge. Le BMS informe la borne de charge rapide de la valeur max de courant admissible pour la batterie qui vient d'être connectée.
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Bornes de charge rapide.
Les bornes standard de recharge rapide des autoroutes sont actuellement dimensionnées pour fournir un maximum de 50 W, compatible avec la charge à 80% en trente minutes d'une batterie de 30 KWh.
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La tentation d'augmenter la capacité des batteries.
L'autonomie théorique de 200 Km obtenue avec une batterie de 30 KWh, se réduit beaucoup dans des conditions difficiles (Véhicule chargé, autoroute, conditions hivernales, conduite de nuit, etc..), jusqu'à moins de 100 Km.
Les constructeurs, conscients de ce problème, savent bien que, pour circuler sur routes et autoroutes, les voitures électriques devront être équipées de batteries plus importantes, au moins 60 KWh dans un premier temps.
(En associant éventuellement une batterie de forte capacité avec un super condensateur qui fournira les pointes de puissance).
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L'insuffisance des bornes actuelles.
Les bornes actuelles peuvent délivrer une puissance de 43 KW max ou 50 KW max ( Standard européen).
Ce standard correspond à la possibilité d'une charge dite "rapide" de 22 à 25 KWh en 30 minutes, soit la charge à 80% d'une batterie de 30 KWh environ.
C'est très bien, mais c'est compter sans les progrès de la technologie. Nous avons vu qu'il y a une très forte pression pour augmenter la capacité des batteries afin d'obtenir une autonomie décente.
Le couplage d'une batterie et d'un super condensateur permettra rapidement d'atteindre 60 KWh de réserve énergétique .
Les bornes de recharge rapide au standard actuel ne seront alors plus en mesure de fournir la puissance nécessaire, le temps de recharge à 80% passera à une heure au lieu de trente minutes.
D'importants problèmes de files d'attente seront à gérer…
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Attention à la charge partielle des batteries.
Les bornes de recharge rapide ne prennent donc en charge que les deux premières phases du cycle, correspondant à 80% de la capacité de la batterie.
La capacité minimale à conserver pour préserver la batterie est par ailleurs de 10%.
La capacité réellement disponible après chargement est donc de 70 % seulement de la capacité nominale lorsque l'on utilise le régime de recharge rapide, sur autoroute par exemple.
Dans ce cas, l'autonomie est réduite d'autant, il y a lieu d'en tenir compte après passage à une borne rapide.
Le remplacement des batteries de 30 KWh par des 60 KWh paraît logique, compte tenu de ce qui vient d'être dit, à condition de revoir les spécifications des bornes de recharge rapide, car leur puissance devra être doublée.
Le choix est cornélien:
Une capacité plus importante de batterie conduit à une autonomie augmentée, mais le temps de rechargement est augmenté en rapport. On s'arrête moins souvent, mais plus longtemps.
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Quid des modèles haut de gamme ?
Nous n'avons parlé "que" des voitures de milieu de gamme, qui devront se contenter d'un moteur de 80 KW malgré une surcharge de 300 Kg qui pénalisera lourdement les performances du véhicule.
(Chacun a pu vérifier combien les performances d'une voiture moyenne sont dégradées en fonction de la charge).
Les usagers familiers des longs parcours accepteront difficilement de conduire un véhicule aux performances poussives, tout en ayant malgré tout l'obligation de s'arrêter tout les cent kilomètres pour recharger la batterie, et devoir subir des files d'attente.
L'électrification des modèles de haut de gamme, indissociables d'une motorisation élevée pour des performances de haut niveau, reste un problème non résolu. L'accueil réservé à la Tesla S sera instructif à ce sujet.
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Qu'en pense EDF ?
Aujourd'hui il y a donc deux problèmes, en forme de pierres d'achoppement, à résoudre pour permettre le déploiement du véhicule électrique non bridé:
Le premier est la capacité spécifique énergétique de la batterie, encore beaucoup trop faible.
Le second est la recharge des batteries.
Les bornes de recharge prévues pour équiper nos autoroutes, et dont l'installation a débuté, ne sont pas prévues pour la charge rapide de batteries de capacité supérieure à 30 KWh.
Par ailleurs, l'augmentation éventuelle (Non envisagée aujourd'hui) de la puissance des bornes, conduirait à des appels de courant sur le réseau ERDF qui poseraient des problèmes de gestion de l'équilibrage de ce réseau.
Il deviendrait alors nécessaire d'équiper les installations de charge de moyens de production électrique indépendants (Eolienne ou panneaux solaires) associés à des moyens locaux de stockage d'électricité.
(Tesla, qui propose des voitures équipées de batteries de 85 KWh et plus, installe ses propres bornes de recharge dont la puissance atteint 150 KW, et prévoit de les équiper de panneaux solaires).
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La voiture électrique ne pourra sortir des limites de l'agglomération pour "prendre la route" que si ces deux problèmes reçoivent des solutions publiques acceptables.
Et nous en sommes encore très loin.
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Au secours, les nouvelles batteries arrivent.
La « menace » de l’augmentation de capacité des batteries a cessé d’en être une. Ces nouvelles batteries sont là, plusieurs constructeurs ont présenté des modèles.
Chevrolet, avec la Bolt, propose une solution avec une batterie de 60 KWh pesant « seulement » 435 Kg.
Equipée d’un moteur de 150 KW (200 CV), la voiture est annoncée pour une vitesse max de 146 Km/h et une accélération de 0 à 100 Km/h en moins de 7 s.
L’autonomie serait de 320 Km, à suivre.
( Le prix annoncé est plutôt haut de gamme mais très en-dessous de la Tesla).
L’objet serait introduit en Europe assez rapidement.
Il s’agit d’un modèle plutôt haut de gamme, de situant nettement au-dessus du modèle de référence dont nous avons parlé .
Les constructeurs européens sont évidemment tenus de suivre cette évolution sous peine de risquer de perdre des parts de marché si chèrement gagnées.
La course à l'échalote est commencée, les bureaux d'études sont en ébullition, aucun constructeur n'est à l'abri d'un faux pas. Il faudra choisir entre un conservatisme condescendant et une prise de risque audacieuse.
Entre la Bluecar et la Tesla S, le curseur devra être placé au bon endroit.

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Que devient le réseau de bornes de recharge dans cette révolution ?
Petit problème, comment charger en 30 minutes une batterie de 60 KWh ?
Réponse: en allant chez Tesla quémander la faveur de se connecter à leurs bornes.
Comme rappelé plus haut, les bornes de charge rapides homologuées au standard européen sont conçues pour les « anciennes » batteries de 30 KWh.
Une batterie de 60 KWh branchée sur une telle borne ne pourrait être rechargée à 80% qu'en une heure, ce qui n'est plus tout à fait une charge rapide.
D'autre part des conflits de file d'attente pourraient survenir avec des délais allongés.

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La charge à domicile d’une batterie de 60 KW.
Une charge partielle sera toujours possible avec la prise classique de 20A.
Une charge plus énergique exigera un équipement spécial et un abonnement EDF plus important ( Prise de 32 A pour 7 KW).

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Quel prix pour le carburant électrique ?

Dans l'imaginaire du consommateur, le prix de l'électricité est celui qui est facturé au domicile, au fameux "tarif public réglementé de l'électricité", entre 12 et 14 centimes TTC le KWh.
Il se trouve que 14 centimes, c'est également le prix du KWh vendu à la station service sous forme de Supercarburant.
( Un litre de super contient 9 KWh d'énergie).
La similitude de ces deux indices contribue à faire du KWh une denrée dont le prix se situe autour de 14 centimes, dans l'esprit du consommateur.
Le KWh électrique au même prix que le KWh de super, voilà qui est surprenant. IL n'y aurait donc aucun intérêt à rouler électrique ?
En fait, l'intérêt se trouve dans la différence des rendements énergétiques: 25% pour le moteur thermique, contre 85% pour l'électrique.
Le KWh est au même prix, mais on en consomme 3,5 fois moins avec le moteur électrique.
(Pour faire 200 Km, il faut 17 euros de super, alors qu'il ne faut que 5 euros d'électricité).
L'intérêt financier pour l'usager est évident, mais à une condition: que le prix du KWh électrique reste égal à celui du KWh de super.
Or rien n'est moins sûr. Il suffirait d'un changement du taux de TICPE ou du prix du baril pour détruire cette équivalence.
Aujourd'hui en tous cas, rouler électrique coûte 3,5 fois moins cher que rouler au super, à condition de charger la batterie au domicile pour bénéficier du tarif réglementé.
(Pourvu que çà dure…)
Par contre cela risque d'être différent sur route ou sur autoroute, où le prix de l'électricité devient libre.
Pour des raisons historiques de paix sociale, le tarif domestique réglementé de l'électricité est inférieur au prix de revient. Comme il est interdit de vendre à perte, le manque à gagner est reporté sur le secteur professionnel, auquel appartiennent les installations de recharge publiques.
Le prix pratiqué par ces stations n'a donc aucune raison d'être référencé au tarif public domestique règlementé.
D'autre part ces installations de charge sont des entreprises comme les autres, avec leurs charges d'exploitation, leurs investissements, leurs charges salariales, leurs impôts, leurs frais financiers, leurs marges, leurs coûts de matière première, etc.
La matière première étant les MWh achetés à un fournisseur agréé, ces MWh n'étant qu'un des éléments du prix de revient.
En effet, une station de charge ne vend pas de l'électricité, elle vend un service de recharge de batteries.
Le prix du service de charge d'une batterie sera donc à la discrétion du fournisseur du service exploitant les bornes des IRVE ( Installations de Recharge de Véhicules Electriques).
Ce prix s'établira dans un contexte concurrentiel.
Par ailleurs la taxation de cette électricité n'a fait l'objet d'aucune communication du Gouvernement. Le montant de la TICPE et de la TVA restent à fixer, ainsi que le mode d'application.
Le mode de facturation du service n'est pas défini. Entre le prix au KWh , le prix au temps passé, ou le prix à la session, tout reste à définir.
Il est donc impossible, aujourd'hui, d'avoir ne serait-ce qu'une idée approximative du prix du KWh qui sera vendu aux bornes de charge rapide.
Le marché sera ouvert, donc en principe concurrentiel.
Cependant, le nombre de stations étant très limité, comme l'autonomie des voitures, il sera très difficile de faire jouer la concurrence. Lorsque le niveau de batterie sera proche du zéro, il ne sera pas question d'aller voir plus loin si la concurrence est moins chère, la première station devra faire l'affaire, même si elle est plus chère que les autres.
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La seule référence de prix clairement disponible sur le net est celle du projet SODETREL .
L'abonnement minimum est de 2 euro par mois, pour une utilisation occasionnelle, avec un prix de 3 euro les 15 minutes. Dans le cas d'une borne 43 KW, l'énergie transférée en 15' est de 11 KWh, ce qui correspond à un prix unitaire de 0,27 euro TTC le KWh.
(Déjà le double du tarif domestique, …)
Pour les gros rouleurs les prix sont plus faibles.
L'autre proposition clairement exprimée est celle de Tesla, qui installe son propre réseau de distribution et fournit gratuitement l'électricité à ses clients.
Entre ces deux extrêmes, le client devra faire son marché…
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Et les taxes ?
Le passage à l'électricité représente un progrès dans la lutte contre le réchauffement climatique et la pollution. Ce progrès bénéficie à l'acquéreur de la voiture, mais aussi à l'ensemble de la population, et contribue à l'indépendance énergétique.
Il est donc juste de "récompenser" l'acheteur d'un tel véhicule, et d'encourager les hésitants.
Aujourd'hui cet encouragement prend la forme d'une prime substantielle à l'achat.
Il serait logique d'étendre cet avantage à l'achat du carburant électrique, particulièrement s'il s'agit d'électricité verte.
Les carburants pétroliers supportent la TICPE, qui est de 0,61 euro par litre de SP.
Nous avons vu qu'à une consommation de super de 6,7 L correspond une consommation d'environ 18 KWh pour une voiture électrique.
Le transfert intégral de la TICPE sur l'électricité se traduirait par une taxe de 0,22 euro/KWh.
0,27 + 0,22 = 0,49 .
Il apparaît clairement dans ce cas que les gros rouleurs n'auraient aucun intérêt à rouler électrique.
Les prix du carburant électrique vendu sur routes et autoroutes, et la taxation, sont donc à surveiller attentivement avant de se lancer dans un achat.
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A suivre…

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