Stockage et mobilité électrique : une symbiose à l’approche

Stockage et mobilité électrique : une symbiose à l’approche

Cet article est issue d’une synthèse faite par mes élèves HEI5 ESEA dans le cadre de leur projet Etude et Recherche. La synthèse complète avec un état de l’art et une propective sur le stockage de l’énergie électrique est disponible ICI.

1.Contexte

Un contexte favorable au développement de la mobilité verte [1] [2]

Face au dérèglement climatique, la mobilité électrique se développe fortement ces dernières années. Et pour cause, le secteur routier est responsable d’un tiers des émissions de gaz à effet de serre en France. Les véhicules représentent 77% de ces émissions. Il faut ajouter à cela 16% des émissions de particules fines inférieures à 10 μm, 59% des émissions de NOX et 54% de la pollution sonore en France.

Le Tableau 1 fait une comparaison ACV entre une citadine thermique et une autre électrique.

Tableau 1. ACV comparative d’une Citadine thermique et un VE

Le contexte réglementaire agit en faveur de la mobilité verte. En illustre l’accord conclu entre l’état et la plateforme de la filière automobile et mobilités (PFA) en 2018. Cet accord stipule que les ventes des VE devront atteindre 6% des parts du marché. Ceci pour amorcer l’objectif de zéro véhicule thermique en vente d’ici 2040 voulu par l’état Français. Ensuite, au niveau de la réglementation Européenne, les véhicules neufs ne devront pas émettre plus de 95 gCO2/km d’ici 2021. Or la fourchette actuelle est comprise entre 100 et 130 gC02/km. On observe même une augmentation des émissions avec l’explosion de la vente des SUV (36% des ventes des véhicules en 2018 d’après Négawatt). Les constructeurs seront donc soumis à de fortes contraintes (et amendes) d’ici quelques années concernant les véhicules thermiques. Enfin, de plus en plus de villes mettent en place des restrictions avec la vignette Crit’air à l’instar de Lille ou de Paris qui souhaite interdire les diesels dès 2024.

Le contexte économique est aussi favorable aux VE. D’après UFC que choisir, il est actuellement plus rentable d’acheter un VE qu’une voiture thermique (1ère main). Les économies sont encore plus importantes pour un véhicule d’occasion (2ème main).

Coût annuel de détention Electrique Diesel Essence
1ère main (15 000km/an) 6 801 €/an 7 038 €/an 7 166 €/an
2ème main (12 000km/an) 2 407 €/an 3 155 €/an 3 347 €/an

Tableau 2. Coût annuel de détention d’un véhicule

Le contexte environnemental en passe de gagner.[3]Pour beaucoup, le véhicule électrique est une fausse bonne idée car la production de la batterie est polluante. Ceci est en partie vrai. En effet, à la sortie de l’usine, le bilan carbone d’un VE est de 9,5 tCO2 équivalent contre 6,2 pour un VT – Il est estimé que l’impact total de la batterie est d’environ 100kgCO2/kWh de batterie. Or, en effectuant une analyse de cycle de vie (ACV) selon plusieurs critères (cf Tableau 1) on constate qu’un VE est plus performant notamment en ce qui concerne l’épuisement des ressources et le potentiel de réchauffement global. Ceci grâce à l’exploitation d’un VE qui nécessite moins d’entretien et d’énergie brute sous réserve de rouler un minimum de kilométrage avant recyclage (25 à 50 milles km environ pour une citadine selon la taille de batterie, ce qui représente environ 2 à 4 années d’exploitation – source Eurostat). Cependant, le potentiel de réchauffement global est fortement dépendant du mix électrique du pays. En effet, l’électricité rechargeant la batterie n’est pas forcément décarbonée. Ainsi la quantité de CO2 est réduite de 85% en Suède en comparaison avec une citadine thermique. Et seulement de 20% en Pologne – mix électrique fortement à base de charbon[4]. La seule faiblesse d’un VE est effectivement la conception de la batterie qui engendre un potentiel d’acidification et d’eutrophisation des sols plus important.

Mais des faiblesses à combler

Malgré ce fort engouement, les ventes peinent à grimper. Le nombre d’immatriculations de véhicules électriques légers en 2019 atteint 36 545 (de Janvier à Octobre) (d’après AVERE France). Le nombre total de VE en circulation est de 209 000 en Novembre 2019. On est bien loin du 1,2 million que l’on souhaite atteindre en 2023-24 (objectif PPE). Il faut ajouter cependant les 53 000 hybrides rechargeables en circulation.

Ceci s’explique par un coût d’achat plus élevé et ce malgré une aide maximale de 6 000 € de la part de l’état uniquement pour les VE (se référer à carte-grise.org) . D’ailleurs, cette aide est très importante à maintenir et sera nécessaire jusqu’en 2025[4]. Sans cette aide, les ventes peuvent fortement reculer. Ce fut le cas au Danemark où les ventes ont été divisées par 10 en l’espace d’un trimestre en 2016 après la suppression des aides. Et il est important de communiquer qu’un VE est bénéfique à long terme aussi bien pour le ménage que pour la transition écologique.

Cependant, la démocratisation des VE est inégalement répartie en France. D’une part, de nombreuses personnes sont dépendantes des trajets de longues distances notamment dans les provinces et les personnes habitants dans la banlieue mais travaillant en ville. D’autre part, malgré la présence de 27 661 points de recharge publiques en 2019 (d’après AVERE France), ce nombre est aussi inégalement réparti sur le territoire comme le montre le graphique suivant.

Figure 1 : Nombre de points de recharge pour 100 000 habitants

Les résultats sont toutefois à nuancer avec le nombre de VE en circulation.

Figure 2 : Nombre de VE par point de recharge

On peut constater par l’intermédiaire de ces deux figures que Paris possède un fort taux de véhicules par point de recharge. Avec l’augmentation des tailles des batteries, il peut y avoir des congestions au niveau des recharges car plus longues.

Pour beaucoup de propriétaires, la solution reste d’installer une borne chez soi. Encore faut-il avoir la place. Car selon l’INSEE en 2016, 44% de la population française vivaient dans un logement collectif. Cependant, depuis le 4 juillet 2019, le gouvernement a annoncé de nouvelles aides ADVENIR pour accompagner l’équipement en infrastructure de recharge dans le résidentiel collectif, qui est plus onéreux, (aide de 50% du prix de l’installation).

Si les aides de l’état sont maintenus et que le gouvernement s’engage dans le développement de la mobilité verte, on pourrait atteindre un parc de 5,2 M de véhicules d’ici 2030 (soit plus que 4,4 M voulu par le PPE)[5]. A l’inverse, sans une politique incitative, il n’y aura qu’un parc de 3 millions de véhicules à cette même date.

La mobilité électrique ne touchera pas que les VE

Le marché VE n’est pas le seul à connaître une forte croissance. En effet, les Bus et VUL sont aussi au cœur de la transition énergétique.

Concernant les VUL[6] : Actuellement 3,6 millions de VUL circulent en France et la majorité de VUL roulent au diesel (96% de diesel immatriculé en 2017). Leur nombre devraient augmenter du fait des restrictions mises en place par les villes pour les camions. D’après Enea consulting le TCO d’un VUL de ptac 1,7t (le plus présent) électrique est plus compétitif qu’un diesel dès 2022. Nous allons donc assister à un fort développement de cette technologie. En témoigne l’étude de Wavestone [5] prédisant un parc de 800 000 VUL électrique à l’horizon 2030. Ceci est possible avec les grandes flottes d’entreprise pouvant migrer rapidement.

Concernant les Bus [2]: La part des bus électrique sera portée à la hausse aussi bien par la réglementation que par les initiatives locales voulant verdir les transports collectifs. Ainsi le parlement Européen prévoit que 66% des bus propres soient zéro émission ou circulant au biométhane (limité à 30% des volumes achetés) et 75% d’ici 2030. La ville de Paris quant à elle souhaite posséder une flotte de 66% de bus électriques en 2025 (soit plus de 3 100 bus). Elle est rejointe par d’autres villes telles qu’Amiens, Nantes, Marseille ou Lyon.

De manière générale le parc des bus de villes et d’autocars représente un potentiel de 100 000 unités. Chiffre stable depuis 2016 avec un renouvellement de (1840 ± 270) unités depuis 2010 pour les bus. L’accent est davantage mis sur les bus de ville afin de réduire la pollution de celle-ci mais aussi parce qu’ils parcourent des distances plus courtes contrairement aux autocars (batterie de plus faible capacité). De plus, l’infrastructure de recharge est plus facilement déployable au sein d’une ville que d’un réseau régional.

Focus sur les autres technologies[6], [7]

Véhicule à hydrogène : la technologie fait son chemin en France. Si elle est mature, elle coûte actuellement 2 fois plus cher comparée aux thermiques. De plus, il y a actuellement 9 bornes en France. L’état Français vise 30 à 50 en 2025. Enfin, cette technologie n’est vraiment intéressante, d’un point de vue GES, que si l’hydrogène est produit à partir de l’électrolyse de l’eau et d’un mix électrique décarbonée, et non à partir du vaporeformage du méthane (consommation d’énergie 3 fois plus élevée que celle des véhicules à batteries Négawatt). Néanmoins elle pourrait trouver sa place, à moyen terme, pour les véhicules lourds devant effectuer de longues distances.

Véhicule GNV : Il existe déjà une flotte très importante de GNV dans le monde avec pas moins de 30 millions d’unités (principalement des camions bus et autocars). Cette technologie ne semble pas pertinente pour les véhicules particuliers et les VUL (6tCO2 supplémentaire comparé à un VUL diesel et un surcoût de 2 400€). De plus, il n’y avait que 71 points de recharge publiques en 2018. Si la combustion au gaz émet moins de particules et de gaz polluants ce n’est pas le cas pour les GES. Or d’après Carbone 4, les véhicules GNV ne pourront contribuer à la réduction des GES qu’en utilisant du biométhane dont le potentiel de gisement est actuellement mis en question.

2. Un important gisement futur de stockage

En termes de production

Face au fort développement de la mobilité électrique, il convient d’assurer l’approvisionnement de batteries. En effet, si l’on se positionne en France et que le parc de véhicule électrique est de 4,4 millions d’unités en 2030 (sans inclure les bus et utilitaires lourds), il faudra produire a minima près de 800 000 batteries (Fig. 10) pour les VE. Ce chiffre augmentant d’années en années. En effet d’après RTE, on pourrait atteindre un parc compris entre 7,6 et 15,6 millions de VE en 2035 selon les scénarios [8].

En termes d’exploitation [8]

Outre le fait de produire une quantité importante de batteries, leur exploitation et leur gestion demandera une infrastructure robuste. En effet d’après nos estimations, près de 2 millions de batteries seront en circulation en 2030 tout type de batteries confondu (Figure 3).

Mais là où ça devient intéressant, c’est la possibilité d’exploiter les batteries en circulation pour augmenter le taux d’intégration des EnR au sein du réseau en généralisant le pilotage supervisé (5MtCO2/an pourraient être évitées en 2035). En effet, une voiture est inutilisée 95% de son temps. Les véhicules pourraient aussi servir de réserve étant donné qu’ils roulent en moyenne 35,4 km par jour (40,2 km en zone rurale). Il reste donc une part importante d’énergie.

Et contrairement aux apparences le réseau serait tout à fait capable d’absorber les puissances demandées. Selon RTE en 2035, 8 millions de VE demanderait une demande de 24 TWh soit environ 5% de la production nationale. Et avec 55% de pilotage des charges, le pic de puissance passerait de 8 GW à 3,5 GW en période hivernale à 19h. Ce chiffre pourrait être vu à la baisse car selon RTE, l’évolution des usages influencera l’alimentation du réseau. Selon RTE la pilote de la charge est une option sans regret, pour le consommateur.

En termes de réutilisation

Une autre façon d’optimiser l’utilisation des batteries, et de prolonger leur durée de vie par l’intermédiaire d’un stockage stationnaire d’électricité pour le secteur tertiaire. En effet, ce n’est pas parce que les batteries sont remplacées tous les 10 ans dans les voitures, qu’elles ne fonctionnent plus. C’est juste qu’elles sont moins performantes en termes de capacité de stockage. En effet on estime qu’après 10 ans d’utilisation l’état de charge (SOC) des batteries li-ion est d’environ 70-80%. Mais ce chiffre peut fortement varier d’une batterie à l’autre. Tout dépend du kilométrage, de la typologie du trajet, de la manière de conduire et de la météo. On considère que l’on peut encore exploiter les batteries en mode stationnaire entre 3 et 7 ans[9].

En 2030, la capacité de stockage variera de 5 à 10 TWh/an[5]. Tout dépendra du taux de réutilisation de ces batteries.

Figure 3. Evolution de la quantité de batteries en circulation – Source Avere France

3. Li-ion : Etat des lieux

Un prix chutant

Comme le montre le graphique ci-dessous, le prix du kWh ne cesse de chuter. Passant de 900 à 200$/kWh aujourd’hui. Ce prix baissera encore et atteindra les 100$/kWh vers 2030.

Figure 4. Evolution du prix et de la densité des batteries Li-ion Source : BlackRock Investment Institute and LMC Automotive

Une consommation exponentielle [9],[10]

En 2016, la consommation totale des batteries automobiles a été mesurée à 78 GWh et pourrait atteindre 1 TWh selon Renault dans le monde. Ce qui représenterait une consommation annuelle de 200 000 tonnes de lithium (la demande totale avoisinerait les 15 millions de tonnes en 2050). Il est nécessaire d’extraire 250 tonnes de minerai ou 750 tonnes de saumure pour obtenir 1 tonne de lithium pure.

Une pénurie à l’approche ?[10]

Malgré une forte demande, le Lithium ne va pas disparaître tout de suite, comme le montre le tableau ci-dessous :

Tableau 3. Réserve estimée en années pour différent matériaux – Source Renault

L’Argentine, la Bolivie et le Chili représentent 55% des réserves mondiales et près de 50% de la production.

En revanche, notre attention doit se porter sur le Nickel et le Cobalt. Deux matériaux qui composent les électrodes. Or ces matériaux sont souvent des sous-produits, donc leur production dépende grandement de l’extraction d’autres minerais. Ensuite concernant le cobalt, la majorité de sa production est localisée en République Démocratique du Congo à hauteur de 65%, pays dont la situation économique et politique est aujourd’hui fortement instable.

Néanmoins, le recyclage du cobalt des batteries pourrait répondre au besoin de l’Europe à hauteur de 10% dans les années à venir. De même pour le Lithium. Le taux serait de 7% pour le nickel. [4]

Une envolée des prix potentielle ?

Le lithium ne représente que 3% en masse des composants [10]. Il est donc relativement peu sensible au prix de la tonne. Ainsi, d’après Bloomberg un triplement du prix de la tonne du lithium aurait pour conséquence une augmentation de seulement de 2% du prix des batteries. 3% pour le nickel et 13% pour le cobalt en 2017.

4. Bibliographie

[1] « Les potentiels du véhicule électrique », Ademe, Avis de L’Ademe, 2016.

[2] « Développement de l’électromobilité : Démystifier les questions de faisabilité pour faire apparaître les opportunités pour le système électrique », Union Française de l’électricité, 2019.

[3] M. Chéron, A. Gilbert-d’Halluin, et A. Schuller, « Quelle contribution du véhicule électrique à la transition écologique en France ? », Fondation pour la nature et l’homme, 2017.

[4] « Electric vehicles : the truth », Transport et environnement, 2018.

[5] C. LE ROY et R. Potocki, « Ensemble vers la mobilité électrique 2019 – 2025 – 2030 », Wavestone – équilibre des énergies, 2019.

[6] S. EL FADILI, C. HUITRIC, et J. MOITRY, « A quoi les véhicules utilitaires légers rouleront-ils demain ? », Enea Consulting, 2018.

[7] S. Amant, H.-M. Aulanier, C. Ramos, A. Schuller, et S. Timsit, « La France amorce le virage vers le véhicle électrique », Carbone 4, 2018.

[8] « Enjeux du développement de l’électromobilité pour le système électrique », RTE, 2019.

[9] « Synthèse – projet ABattRelife automotive battery recycling and secnd life », ADEME, 2015.

[10] H. Emmanuel, S. Marine, et S. G. Sokhna, « Electrification du parc automobile mondial et criticite du lithium à l’horizon 2050 », p. 73.

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