Force motrice : répondre aux exigences de puissance des véhicules électriques

Les véhicules électriques (VE) sont sans aucun doute une belle réussite dans le domaine des transports modernes.

Associant un petit moteur à essence efficace de 1,5 litre à un moteur électrique et récupérant l’énergie du freinage (freinage par récupération) pour améliorer le rendement énergétique, la Toyota Prius a été la première voiture moderne de série à utiliser la propulsion électrique^[1]. Depuis que Toyota (partenaire commercial d’Abdul Latif Jameel depuis près de sept décennies) a lancé la Prius en 1997, les ventes de voitures utilisant l’énergie des batteries pour compléter ou remplacer la combustion interne n’ont cessé d’augmenter, motivées par des avantages pour les automobilistes, comme les économies et gains de performance, ainsi que par les préoccupations environnementales et réglementaires.

D’ici la fin 2021, une nouvelle voiture sur cinq en Europe^[2] et une sur sept en Chine^[3] pourrait être rechargeable plutôt que de faire le plein à la pompe. Au départ, ce sont les hybrides comme la Prius qui ont commencé à gagner l’opinion publique. Mais la technologie des batteries ayant progressé de manière exponentielle au cours des cinq dernières années, les véhicules électriques (VE) purs sont de plus en plus courants sur nos routes.

Les VE sont en plein essor à un moment où les ventes globales de voitures sont en baisse.^[4]. Au Royaume-Uni et au Danemark, il sera illégal de vendre une voiture neuve sans système de propulsion électrique d’ici 2030.[5][6]. Même les véhicules hybrides seront interdits d’ici 2030. La plupart des pays européens ont des objectifs similaires, tandis que la Chine compte interdire les voitures à essence ou diesel pur d’ici 2035.

Séduits par leurs coûts de fonctionnement réduits, leur conduite plus silencieuse et plus souple, leur facilité d’entretien et leurs qualités écologiques, les consommateurs adoptent avec enthousiasme les voitures électriques. Les constructeurs, y compris les pionniers du tout-électrique comme Tesla, RIVIAN, NIO et Polestar, renforcent rapidement leur capacité à répondre à la demande croissante avec de nouveaux modèles innovants sur tous les segments du marché. De son côté, Toyota prévoit de proposer 30 modèles électriques à batterie (y compris des camionnettes de livraison) d’ici 2030, dans le cadre de son ambition de vendre 3,5 millions de véhicules électriques à batterie (VEB) par an (contre 2 millions aujourd’hui), sur un total mondial de 10 millions de véhicules vendus.

Des VE dans tous les secteurs

Si les voitures électriques passent déjà inaperçues dans les rues, l’énergie des batteries ne se limite pas à un seul type de transport. Les bus électriques prennent le relais du diesel ; la ville chinoise de Shenzhen étant la première à électrifier l’ensemble de sa flotte en 2020.

Les camionnettes électriques ont été plus lentes à faire leur apparition, mais Nissan, Renault et Mercedes disposent désormais de gammes électriques et, avec l’arrivée du Ford Transit électrique^[7], il ne fait aucun doute qu’elles vont aussi atteindre le grand public.

Les start-up Arrival^[8] et Volta^[9], ainsi que les acteurs établis Volvo, DAF et Mercedes, fabriquent des véhicules commerciaux plus grands.

Même les plus grands camions articulés passeront bientôt à l’alimentation électrique, avec d’énormes batteries et systèmes de charge délivrant jusqu’à 2 MW^[10] pour faire face aux longues distances et aux lourdes charges requises.

En dehors des salles d’exposition, un changement tout aussi important, bien que moins visible, doit avoir lieu.

Alors que les voitures à combustion interne ont nécessité une gigantesque infrastructure de camions-citernes et de stations-service pour pouvoir circuler, les voitures électriques ont elles besoin d’un réseau électrique ; une infrastructure pour laquelle nos systèmes électriques existants n’ont pas été conçus. Les organes de réglementations, les sociétés d’approvisionnement, les opérateurs de réseau, les réseaux de distribution locaux et les opérateurs de bornes de recharge du monde entier sont confrontés à un défi de taille : à mesure que les VE deviennent de plus en plus populaires, comment s’assurer qu’il y aura suffisamment d’énergie au bon moment pour que tout le monde puisse circuler ?

Un défi, pas un problème

Les experts en alimentation électrique ne souhaitent pas minimiser l’importance de la transformation requise, mais sont également conscients qu’une planification et des investissements appropriés nous permettront de fournir une quantité suffisante d’énergie pour un avenir de transport électrifié^[11]. Cela sera en partie possible grâce à la modernisation du réseau et aux nouvelles installations de production, mais aussi à une optimisation intelligente des actifs existants et à l’utilisation des données pour répartir la charge supplémentaire.

Les experts de McKinsey & Co. ont constaté qu’en Allemagne, par exemple, le réseau nécessiterait probablement 5 GW supplémentaires de capacité de pointe d’ici 2030[12] dans un scénario possible entièrement non géré où chacun brancherait son VE pour le recharger immédiatement. Cela équivaut à six grandes centrales électriques modernes alimentées au gaz, ce qui nuirait à l’ambition du pays d’atteindre un réseau électrique zéro émission d’ici 2035^[13]. Heureusement, il existe de nombreuses solutions pour limiter ce pic et utiliser de l’énergie propre à la place.

Les réseaux de distribution locaux savent où et quand se produisent les pics de demande. Dans une zone présentant une forte concentration de voitures électriques (une banlieue résidentielle, par exemple, avec des allées, des garages et des chargeurs domestiques, ou un dépôt de véhicules commerciaux), le pic aura lieu en fin de journée, lorsque les véhicules seront branchés pour être prêts le lendemain matin. Cela met à rude épreuve les échanges locaux, que l’on peut satisfaire à court terme en augmentant la production d’électricité à l’aide de pétrole et de gaz, ou, de manière plus durable, en utilisant des sources d’énergie plus efficaces, à faible teneur en carbone ou sans carbone.

Solutions actives et passives

Les compagnies d’électricité, les gouvernements et, de plus en plus, l’opinion publique, s’accordent à dire que la simple construction de nouvelles centrales électriques n’est pas le moyen de relever le défi à venir. Il est coûteux et inutile de construire de grandes installations centralisées émettant des gaz à effet de serre, qui ne seront nécessaires qu’aux heures de pointe dans certaines régions.

Les solutions plus intelligentes à cette tension localisée sur le réseau se divisent en deux catégories : actives et passives.

Les solutions passives placent les actions entre les mains du consommateur, en l’incitant à utiliser des minuteries pour profiter de l’offre de nuit en heures creuses à des prix plus bas. Le tarif Octopus Go^[14] du Royaume-Uni, par exemple, ne facture actuellement que 7,5 pence par kWh aux premières heures du matin, soit moins de la moitié du coût national moyen et l’équivalent d’environ 3 pence par kilomètre pour les voitures électriques les plus courantes.

Certains tarifs reflètent l’évolution constante du prix de l’électricité, de sorte que les foyers dotés de leur propre système de stockage (batteries domestiques ou systèmes intelligents de chauffage et de production d’eau chaude) peuvent bénéficier de prix plus bas par temps particulièrement venteux ou ensoleillé. Parfois, le prix de l’électricité tombe même en dessous de zéro, ce qui revient à payer le propriétaire pour qu’il absorbe le surplus d’électricité et équilibre le réseau^[15].

Les solutions actives impliquent que les sociétés d’approvisionnement en électricité, les opérateurs de réseau et les réseaux de distribution locaux utilisent les données pour contrôler à distance les points de recharge, tant publics que privés. Elles veillent à ce que les voitures soient correctement chargées en temps utile, mais pas nécessairement dès qu’elles sont branchées.

Ce contrôle peut commencer au niveau de l’échange, où des installations de stockage locales peuvent être déployées pour un coût raisonnable, bien inférieur à celui de la construction de nouveaux générateurs. Ces dernières seraient rechargées lentement en dehors des heures de pointe via l’approvisionnement excédentaire de sources renouvelables telles que l’énergie solaire et éolienne, qui sont plus abondantes pendant la journée, et en complétant l’approvisionnement lorsque la charge commence.^[16]. Par ailleurs, les compteurs et chargeurs intelligents peuvent relever le moment où les voitures sont sollicitées, puis communiquer entre eux pour équilibrer la charge dans la zone tout au long de la nuit^[17].

De même, un dépôt de véhicules commerciaux pourrait utiliser son propre logiciel de programmation pour créer sa version locale de la même chose, en limitant la capacité requise (et donc le coût) de son réseau filaire privé, mais en répondant aux besoins d’une grande flotte en répartissant la charge sur un certain nombre de véhicules pendant la nuit.

Les véhicules électriques eux-mêmes peuvent devenir des actifs du réseau à mesure que les capacités « vehicle-to-grid » (du véhicule vers le réseau électrique) deviennent plus courantes. Un véhicule branché qui n’a pas besoin d’être rechargé peut lisser la demande dans une zone en absorbant l’excédent de production renouvelable et sans carbone lorsqu’il est disponible, et en le déchargeant lorsque cela est nécessaire. Cela éviterait de recourir à des batteries fixes qui nécessitent des emplacements et des investissements, tout en assurant un approvisionnement stable et de bonne qualité pour le quartier.

Bien que les premières générations de véhicules électriques n’intégraient pas la technologie vehicle-to-grid, cette fonctionnalité est de plus en plus courante.

Les pick-up électriques Ford F150 Lightning en sont tous équipés de série, tout comme de nombreuses Nissan et la célèbre Hyundai Ioniq5.

Les futurs modèles de Volkswagen, Renault, Polestar et Volvo seront tous capables de redonner au réseau en cas de besoin. En zones rurales et suburbaines, où les allées et les garages sont plus courants et où les voitures inutilisées sont plus susceptibles d’être branchées, la capacité de redistribution de l’électricité du véhicule au réseau réduit également considérablement la nécessité de mise à niveau en cas de surtension.

Mises à niveau intelligentes loin des centres de population

Les zones rurales sont susceptibles de nécessiter les mises à niveau les plus importantes et les plus coûteuses du réseau pour répondre aux exigences en matière de recharge rapide ; la capacité de stockage locale peut constituer une solution très rentable ici aussi.

Les propriétés individuelles ou les petits groupes peuvent partager des batteries peu coûteuses qui ont été retirées des véhicules électriques avec une alimentation basse tension. Cette capacité de surtension locale peut s’accumuler pendant la majeure partie de la journée, puis intervenir aux heures de pointe pour fournir la puissance de 7 kW qu’exigent les conducteurs modernes.

L’installation d’un stockage local évite non seulement le coût élevé de la mise à niveau du réseau dans les communautés plus éloignées, mais également les retards. Les solutions locales évitent d’avoir à renforcer le réseau depuis les grandes centrales jusqu’à chaque ferme et hameau, permettant aux propriétaires ruraux de profiter des avantages de la conduite électrique, sans craindre de surcharger leurs circuits obsolètes.

Les faibles capacités d’ingénierie et les exigences réglementaires rendent souvent les travaux d’amélioration du réseau rural plus longs qu’ils ne le devraient. Les réseaux pourraient donc avoir du mal à répondre à la demande, qui augmente rapidement.

Les études menées dans les zones où les temps d’attente sont longs ou les réseaux de bornes de recharge peu fiables font état d’un taux d’adoption des VE beaucoup plus faible. L’Irlande du Nord^[18] en est un bon exemple : le manque d’investissements dans le réseau public de chargeurs et la lenteur des organes de réglementation en matière de travaux sur le réseau ont sapé la confiance des consommateurs et bloqué le taux de voitures électriques en circulation à 0,4 %, un chiffre dérisoire comparé aux 17 % de la Norvège, le plus élevé au monde.

Absence de normes en matière de charge

Un autre facteur susceptible d’entraver l’adoption des VE est l’absence de normes mondiales en matière de (re)charge.

Il existe trois niveaux de charge disponibles pour les propriétaires de véhicules électriques :

• CA niveau 1 : permet de recharger un véhicule à une vitesse de 8 kilomètres par heure sur une prise standard de 110 V. 
• CA niveau 2 : type de chargeur le plus populaire auprès de ceux qui rechargent à domicile. Recharge entre 15 et 50 kilomètres par heure sur une prise 240 V.
• Charge rapide CC (niveau 3) : le plus courant dans les environnements commerciaux ou industriels. Les chargeurs rapides permettent de recharger jusqu’à 240 kilomètres en une heure.

La charge rapide est la « référence » des chargeurs accessibles au public, mais la situation est encore compliquée par l’existence de quatre protocoles de recharge électrique rapide concurrents à travers le monde, chacun utilisant une série de connecteurs différents, comme le résume le tableau ci-dessous :

À l’instar des « guerres vidéo » Betamax/VHS des années 1980, il est inévitable qu’une ou deux normes dominent à long terme. Mais à court terme, c’est un autre facteur à prendre en compte par les propriétaires de VE, les fabricants et les organes de réglementation. Il en va de même pour l’investissement incohérent dans les infrastructures publiques de recharge au niveau mondial. Bien que le déploiement des chargeurs publics (rapides et lents) s’accélère sur tous les marchés (jusqu’à 1,8 million de bornes de recharge publiques en 2021 [19]), il existe de grandes disparités entre les pays. En UE, par exemple, la plupart des pays n’ont pas atteint le ratio recommandé de chargeurs publics par VE en 2020[20].

La conduite électrique est une expérience inédite

Malgré ces défis, les gouvernements du monde entier sont déterminés – et engagés – à atteindre un avenir où l’activité humaine ne continuera pas à nuire au climat en émettant des gaz à effet de serre nocifs à base de carbone. L’industrie florissante des carburants de substitution veut se développer, les consommateurs sont de plus en plus réceptifs aux VE et une plus grande diversité des sources de carburant est une bonne chose pour nous tous. Alors, qu’est-ce que cela apporte au niveau personnel pour les propriétaires de véhicules individuels ?

Traditionnellement, la confiance des consommateurs à l’égard des VE a été entravée par des préoccupations liées à ce que l’on appelle « l’angoisse de l’autonomie », le manque de bornes de recharge et le prix d’achat.^[21]. Mais tous ces facteurs sont désormais pris en compte grâce aux progrès technologiques, à l’augmentation des investissements et à des stratégies réglementaires plus favorables aux VE.

Les véhicules électriques ne sont pas seulement une bonne décision pour sauver la planète. Les consommateurs se rendent compte que la conduite électrique peut être une meilleure expérience que la conduite à l’essence ou au diesel ; et cela ne cesse de s’améliorer. La conduite est plus souple et plus silencieuse, le freinage est plus vif et plus rapide, tandis que l’accélération peut être « fulgurante », ce qui incite à changer de véhicule.

Les moteurs électriques sont plus petits que leurs équivalents à combustion interne, tandis que les batteries sont conçues pour être placées sous le plancher du véhicule, de manière à offrir plus d’espace à l’intérieur. Moins de pièces mobiles signifie moins de risques de défaillance. Et en disposant d’un endroit fiable pour recharger, même l’inconvénient de l’arrêt pour faire le plein n’a plus lieu d’être, car l’automobiliste alimenté par batterie n’a qu’à se brancher lorsqu’il a terminé sa journée.

La chute rapide des prix des batteries et les subventions gouvernementales impliquent que le coût des nouveaux VE se rapproche de leurs homologues plus traditionnels, tandis que la réduction considérable des coûts de carburant et d’entretien signifie que le coût à vie de possession d’un VE est devenu inférieur à celui de l’essence il y a quelques années^[22].

Moins de 1 % des conducteurs de VE reviendraient à des voitures essence ou diesel^[23], même avant le déploiement à grande échelle de chargeurs rapides à domicile ou de chargeurs publics rapides sur les lieux de travail ou les parkings. Une fois qu’ils en ont fait l’expérience, les conducteurs réalisent qu’il est tout simplement préférable de posséder un VE. C’est cet attrait pour le consommateur qui favorise l’adoption rapide de la technologie des VE et impose de nouvelles exigences au réseau électrique.

Centrales électriques virtuelles

Le stockage stationnaire, la recharge intelligente et les voitures de type « vehicle-to-grid » se combinent pour créer ce que l’on appelle désormais une centrale électrique virtuelle ; un facteur clé de l’infrastructure électrique qui permettra aux VE de circuler sans enfreindre les objectifs gouvernementaux en matière de carbone. Ce changement de paradigme, qui consiste à passer d’une planification centralisée et d’une production d’électricité industrielle de grande envergure à des unités autonomes plus petites, à une planification de l’économie circulaire et à une distribution intelligente, finira par rendre obsolète l’utilisation de centrales de pointe et permettra une véritable mobilité électrique sans carbone. Cette transformation sera facilitée par toute une série de nouvelles technologies de recharge des VE, qu’il s’agisse de la recharge sans fil ou de l’échange de batteries, de panneaux solaires sur les toits ou de routes permettant de recharger votre véhicule pendant que vous conduisez.

Les gouvernements atteignent leurs objectifs en matière d’émissions de carbone, les compagnies d’électricité économisent les frais de construction de nouvelles centrales et le consommateur bénéficie d’un approvisionnement en électricité plus fiable et plus souple à un coût moindre, tout cela grâce au pouvoir de la planification et de l’ingénierie intelligente. Un avenir durable sans carbone est non seulement souhaitable, mais également à notre portée.

L’essor des ventes de VE montre que l’adoption des véhicules à batterie suit une trajectoire à sens unique. Grâce à la planification et à la coopération entre les fabricants, les producteurs d’électricité, les distributeurs et, surtout, les pouvoirs publics locaux, cet énorme changement dans la mobilité peut se faire sans heurts et sans perturbation, pour le plus grand bien des consommateurs et de la planète.

[1] https://global.toyota/en/prius20th/evolution/

[2] https://www.ey.com/en_gl/energy-resources/as-emobility-accelerates-can-utilities-move-evs-into-the-fast-lane

[3] https://www.scmp.com/business/china-business/article/3163005/electric-cars-account-over-20-cent-chinas-new-vehicle-sales

[4] https://www.oica.net/category/sales-statistics/

[5] https://www.spglobal.com/commodityinsights/en/market-insights/latest-news/oil/111820-factbox-uk-brings-forward-ban-on-new-ice-cars-to-2030

[6] https://www.euractiv.com/section/electric-cars/news/denmark-to-ban-petrol-and-diesel-car-sales-by-2030/

[7] https://www.ford.co.uk/vans-and-pickups/e-transit

[8] https://www.thetimes.co.uk/article/electric-van-maker-arrivals-big-plan-to-start-small-ch3cb9s2q

[9] https://www.commercialfleet.org/news/truck-news/2021/11/03/volta-zero-revealed-in-production-ready-form

[10] https://electrek.co/2018/05/10/chargepoint-2-mw-charger-electric-aircraft-and-semi-trucks/

[11] https://www.mckinsey.com/industries/automotive-and-assembly/our-insights/the-potential-impact-of-electric-vehicles-on-global-energy-systems

[12] https://www.mckinsey.com/industries/automotive-and-assembly/our-insights/the-potential-impact-of-electric-vehicles-on-global-energy-systems

[13] https://time.com/6124079/germany-government-green/

[14] https://octopus.energy/go/

[15] https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2666792421000652

[16] https://new.abb.com/news/detail/46325/the-future-of-the-power-grid-in-the-coming-era-of-e-mobility

[17] https://www.mckinsey.com/industries/automotive-and-assembly/our-insights/the-potential-impact-of-electric-vehicles-on-global-energy-systems

[18] https://www.assemblyresearchmatters.org/2021/11/02/are-electric-cars-a-realistic-alternative-to-petrol-and-diesel-in-northern-ireland-today/

[19] https://vehiclefreak.com/ev-statistics/ 

[20] https://iea.blob.core.windows.net/assets/ed5f4484-f556-4110-8c5c-4ede8bcba637/GlobalEVOutlook2021.pdf

[21] https://today.yougov.com/topics/consumer/articles-reports/2020/10/23/whats-stopping-americans-buying-electric-cars

[22] http://evtc.fsec.ucf.edu/research/project6.html

[23] https://www.energylivenews.com/2022/01/12/ev-drivers-have-no-interest-in-returning-to-petrol-or-diesel/#:~:text=Less%20than%201%25%20of%20electric,cars%20and%20lower%20running%20costs.