Bilan et avancées dans le domaine des voitures “propres”

Par Jules Barbalonga & Léo Marc, étudiants ESTA Belfort, 05/2020

Mots-clés: #véhicules #transition énergétique #France #bilan carbone #transport

En 2019, lors de la célébration des 100 ans de l’association mondiale des constructeurs automobiles, le président français a annoncé de nouvelles mesures visant à favoriser le développement des véhicules dits “propres” et à les rendre plus attractifs (Les Echos, 2019). L’objectif est de favoriser l’achat de ces véhicules et de poursuivre la transition énergétique en utilisant en plus grande partie les énergies renouvelables.

Dans ce but, des technologies ont été développées pour remplacer progressivement les voitures thermiques, des taxes sont venues s’ajouter pour dissuader les clients adeptes des voitures les plus polluantes d’en acheter et de nombreuses aides ont été mises en place pour venir valoriser les “bons élèves” qui s’orienteraient vers des solutions plus propres.

Cet article a pour but de vous présenter en détail les différentes technologies de motorisations destinées à supplanter la traditionnelle voiture à énergie fossile, leur état d’avancement dans notre paysage automobile, ainsi que la pertinence au niveau environnemental de chacune de ces solutions en termes de bilan carbone.

L’article portera sur trois types de véhicules réputés verts et analysera leurs modes de fonctionnement, leurs avantages écologiques ainsi que les freins à leurs développements. Ces trois technologies sont aujourd’hui considérées comme les meilleures solutions pour effectuer la transition écologique en termes de transport routier. Dans un premier temps les véhicules 100% électriques seront étudiées, dans un deuxième temps l’étude se portera sur les voitures combinant deux technologies, dits “hybrides”, et pour finir, le développement de la technologie hydrogène sera évoqué.

I La voiture électrique, une technologie bien connue mais qui peine à se développer

Très vite présentée comme le futur de l’automobile, la voiture électrique peine pourtant à se faire une place dans le paysage français.
Commençons par exposer son mode de fonctionnement. Le principe de la voiture électrique repose sur plusieurs composants essentiels, qui sont :

• Un convertisseur
• Une batterie
• Un gestionnaire de puissance
• Une transmission
• Un moteur électrique

Dans un premier temps, le convertisseur permet de transformer l’énergie alternative du réseau électrique en courant continu. Cette opération est importante car l’énergie ne peut être stockée dans les batteries que sous forme d’énergie continu.
La batterie, quant à elle, sert d’interface avec la prise de rechargement de la voiture, c’est dans ce composant qu’est stocké toute l’énergie de la voiture. Cette énergie est ensuite dirigée vers le gestionnaire de puissance, qui est un calculateur laissant passer la juste quantité d’énergie nécessaire pour faire avancer la voiture en temps réel.
Ensuite, le moteur convertit l’énergie en puissance mécanique et fait tourner les systèmes de tractions de la voiture par l’intermédiaire de la transmission (Automobile Propre, 2019).

Quels sont les avantages de ce type de véhicules ?

Maintenant que le mode de fonctionnement d’une automobile électrique est expliqué, nous allons voir les avantages qu’elle peut apporter.
Premièrement d’un point de vue économique, on estime qu’un trajet de 100km coûte entre 2€ à 3€ selon la gamme de véhicule électrique contre 6€ à 8€ avec un véhicule essence. Cela coûte donc moins cher au niveau de son utilisation d’utilisation (Ministère de la Transition Énergétique, 2019).

L’avantage le plus intéressant de cette voiture est son impact écologique. En effet, en France, on estime que le secteur des transports représente 29% des émissions de CO2 dont 28% pour le transport routier. Ce chiffre colossal souligne l’urgence de s’orienter vers des nouveaux moyens de transport permettant de réduire ces émissions. (Notre-planète, 2019).

Une nouvelle question se pose, est-ce que l’impact carbone d’une voiture électrique est plus faible que celui d’une voiture thermique ?

Pour y répondre, intéressons-nous au bilan carbone de ces deux types d’automobiles. Le bilan carbone est une estimation du rejet de CO2 effectué durant le cycle vie complet de la voiture. Il ne comprend pas seulement son utilisation, mais inclut également les rejets durant la phase de fabrication jusqu’au recyclage de la voiture et de ses composants. L’ensemble du cycle de vie est donc pris en compte dans cette donnée.

Bilan carbone électrique vs essence (pour une durée de vie de 150 000 Km) :

L’écart constaté au niveau du bilan carbone est important. La voiture à moteur thermique rejette deux fois plus de CO2 en moyenne qu’un véhicule électrique, et l’écart peut aller jusqu’à six fois plus sur certains modèles. L’avantage écologique est donc bien visible, sachant aussi que l’évolution dans le domaine des batteries tend à baisser le bilan carbone de leur fabrication (Le Parisien, 2019).

Certains freins bloquent encore la croissance du parc français de véhicules électriques

En février 2019 on comptais 36 545 immatriculations pour les véhicules électriques contre 26 604 immatriculations en 2018, cela représente une évolution 37% (Clubic, 2019).

Cependant malgré cette belle évolution, certains freins limitent encore la croissance des véhicules électriques.
Le prix d’une de ces automobiles est plus élevé de 8 000 à 10 000€ en moyenne que celui d’une voiture thermique classique. Cela implique qu’avant d’amortir son prix d’achat, il faut parcourir de nombreux kilomètres.

entre 50 et 60 kilomètres par jour” pour

que l’investissement soit rentable (Clubic, 2019).

Un autre problème majeur est que les stations de recharges sont encore trop peu présentes : il n’y a que 27 745 points de recharges en France. Cela peut paraitre beaucoup, mais le conducteur est dépendant de l’autonomie de sa voiture et son rayon de déplacement est ainsi limité (Ministère de la Transition Énergétique, 2019).

Ces freins ont pour conséquence le ralentissement du développement du marché du véhicule électrique en France et pousse les constructeurs automobiles à développer d’autres solutions. Afin de réduire l’impact écologique des véhicules tout en assurant une autonomie et une indépendance à son conducteur, les constructeurs proposent un compromis : le véhicule hybride.

II Le développement des véhicules hybrides

La première voiture hybride a été conçue en 1899 par le célèbre ingénieur Ferdinand Porsche. Elle utilisait un moteur à essence pour alimenter un moteur électrique qui entraînait les roues avant de la voiture. Mais ce n’est que lorsque Toyota a lancé la Prius en 1997 qu’une alternative viable aux véhicules à essence a été introduite. (Carsdirect, 2012)

Aujourd’hui, les véhicules électriques hybrides sont propulsés par un moteur à combustion et un moteur électrique. L’énergie électrique est stockée dans des batteries, qui sont chargées à la fois par le moteur à combustion et par un système de récupération d’énergie au freinage. Sur la majorité des modèles, le moteur électrique est utilisé lorsque le véhicule roule à faible vitesse et le moteur à combustion lorsque le véhicule roule à plus haute vitesse. L’intérêt au niveau environnemental par rapport aux voitures électriques est que la batterie à une capacité plus faible, donc l’impact carbone du véhicule est lui aussi plus faible notamment dans sa phase de fabrication. (Science&vie, 2018)

Deux types de véhicules hybrides sont communs aujourd’hui. Ils se distinguent par leur type de transmissions : (Carsdirect, 2013)

• La transmission parallèle permet au moteur thermique et au moteur électrique de faire tourner la transmission. Un ordinateur de bord permet à ces composants de fonctionner ensemble de la manière la plus efficace possible.
• La transmission en série, où le moteur électrique est le seul moteur connecté à la transmission. Le moteur à combustion est relié à un générateur et est utilisé pour produire de l’énergie électrique. Certains des véhicules hybrides sont rechargeables et permettent une plus grande autonomie à l’aide de leur moteur électrique (de 20 à 60 kilomètres contre quelques kilomètres pour les hybrides non rechargeables). Ces véhicules se branchent de la même manière qu’une voiture 100% électrique pour ce qui est de la recharge de la batterie. Cette technologie est principalement utilisée par les constructeurs allemands pour gagner en puissance sur leurs modèles n’ayant pas pour objectifs d’être plus propres, et n’a donc pas réellement d’intérêt dans la transition énergétique. (Auto-moto, 2020)

Xavier Mosquet, chef du bureau de Detroit du Boston

Consulting Group (BCG) estime qu’il faudrait effectuer “

Au 1er janvier 2019, le parc automobile français était composé de 39 910 000 de véhicules, dont 5,7% de véhicules hybrides. C’est une nette augmentation par rapport à 2016, où seulement 2,9% des 38 852 000 véhicules composant le parc français l’étaient. (Wikipedia, 2019)

Le principal frein au développement des véhicules hybride est leur coût d’achat. Par exemple, un véhicule Peugeot 3008 avec une motorisation thermique coûte 31 356 € TTC, contre 43.800€ TTC pour le même modèle avec une motorisation hybride. (Peugeot, 2020)

Qu’en est-il du bilan carbone ?

Le bilan carbone de la voiture hybride (Toyota Prius dans notre cas) est à peine meilleur que celui de la voiture thermique. On peut l’expliquer par le fait qu’il est nécessaire de fabriquer deux moteurs, ainsi qu’une batterie à forte capacitée pour ce type de véhicule. Tout cet équipement a aussi un poids, qu’il faut mettre en mouvement une fois la voiture en utilisation.

III Les véhicules hydrogènes

Contrairement aux véhicules entièrement électriques ou hybrides, les véhicules à hydrogène produisent leur électricité à partir d’une pile à combustible.

L’hydrogène utilisée par le moteur de ces véhicules est stockée dans un réservoir sous forme gazeuse et sous pression. Pour fabriquer de l’électricité afin d’alimenter le moteur et la batterie, une anode est alimentée en hydrogène, et une cathode est alimentée par l’oxygène de l’air. Un électrolyte sépare ces deux éléments, et les ions hydrogènes réagissent avec les atomes d’oxygène. La réaction génère un flux d’électrons et crée de la vapeur d’eau. (Auto-journal, 2019)

Les principaux avantages du point de vue des utilisateurs sont que la recharge est rapide et que l’autonomie des véhicules est correcte (plus de 400 kilomètres).

Cependant il existe des freins extrêmement importants qui font que cette technologie ne peut être déployée à grande échelle dans un futur très proche. Les principaux sont que les réseaux routiers ne possèdent encore que très peu de stations de recharges, et qu’il est difficile et coûteux de stocker l’hydrogène sous haute pression. Cela nous amène au deuxième frein, qui est le prix des véhicules ainsi que de leur carburant. Les véhicules en eux-mêmes coûtent en moyenne plus de 60 000€ hors options actuellement. (autoplus, 2020)

Du côté du carburant, le prix d’un kilo d’hydrogène qui permet de parcourir en moyenne 100 km est de 15€ en France (automobile propre, 2017). Le coût d’un plein d’hydrogène est donc environ 2 fois plus cher que le plein d’une voiture thermique à autonomie égale.

Au niveau environnemental, ce type d’automobile ne rejette pas de CO2 lors de son utilisation. C’est lors de la phase de fabrication du véhicule et de production du carburant que l’impact carbone est important. Aujourd’hui, la production d’1 kg d’hydrogène par vaporeformage émet 10kg de CO2. L’hydrogène utilisé pour ces véhicules sera obtenu par électrolyse de l’eau, méthode qui a un bilan carbone plus faible. (Ministère de l’écologie, 2015)

Mais l’hydrogène obtenu par électrolyse de l’eau ne représente que 5% de l’hydrogène produit à ce jour (Ministère de l’écologie, 2015). Avec cette méthode, pour produire 1 kg d’hydrogène, on utilise 50 kWh électrique. Le bilan carbone d’1 Kwh électrique en france est de 0,1kg de CO2, ce qui nous donne donc 5kg de CO2 émis par kilo d’hydrogène produit via électrolyse de l’eau. (Ministère de l’écologie, 2015)

Pour ce qui est de la production du véhicule, le bilan carbone regroupant la fabrication du réservoir, la batterie ainsi que la pile à combustible est de 3 tonnes de CO2. (Department of energy USA, 2014).

Bilan carbone de la voiture hydrogène

Conclusion

Comme détaillé plus haut dans notre article, nous pouvons considérer que ces solutions ont un rôle à jouer dans la transition énergétique. Elles permettent de réduire les émissions de CO2 mais ne sont pas encore assez bien accompagnées par les différents acteurs, dont l’État, pour être mises en place à grande échelle rapidement. Le manque de bornes de recharge pour les véhicules électriques et hydrogènes ainsi que les prix encore trop élevés rendent ces solutions peu attractives. Le consommateur continue alors de se tourner vers les véhicules classiques car moins onéreux et permettant un degré de liberté plus élevé.

Des solutions commencent à être apportées par ces acteurs face à l’urgence de changer nos modes de déplacements dans le cadre de la transition énergétique. Cependant il est encore difficile d’imaginer un pays ne fonctionnant qu’avec des véhicules électriques et le fait de polluer énormément lors de la production des batteries ne fait que déplacer le problème.

Ci-dessous, un premier graphique présentant le mix technologique du parc français sur les 4 dernières années. Il indique une tendance montante pour les véhicules électrique et hybrides. Un second graphique projette le bilan carbone du parc automobile français dans le cas où il serait composé d’une unique technologie.

Méthode de calcul du Graphique 2 :

Les calculs ont été effectués sur la base de la taille du parc automobile français actuel, qui est de 39 millions de véhicules. (Wikipedia, 2019). Le bilan carbone propre à chaque type de véhicule à été multiplié par le nombre de véhicule du parc afin de mettre en valeur les rejets de CO2 totaux dans le cas où le parc automobile serait composé de véhicules d’une seule technologie.

En analysant les données des deux graphiques précédents qui présentent une projection du bilan carbone en tonnes de CO2 en fonction de différents scénarios, ainsi que l’évolution du nombre de véhicules selon leur technologie sur les 4 dernières années, nous pouvons conclure que les avancées technologiques permettent effectivement d’effectuer des changements bénéfiques pour l’environnement. Cependant, les tonnes de CO2 émises restent vertigineuses peu importe si le parc automobile français était composé d’une telle technologie ou d’une autre, et il est clair qu’aucune des technologies présentées dans cet article n’est une solution miracle face aux problématiques auxquels nous faisons et allons faire face.

Références

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