Voiture électrique

Le terme « voiture électrique » recouvre actuellement plusieurs concepts qui ont en commun de recourir à un moteur électrique pour tout ou partie de leur propulsion. Ils se différencient par leur autonomie et leur taux de rejet de CO₂. Trois concepts sont déjà proposés sur le marché :

• les voitures hybrides rechargeables (« PHEV » en anglais pour Plug-in Hybrid Electric Vehicles). Elles sont propulsées sur route par un moteur thermique, auquel elles substituent, pour la circulation en ville, un moteur électrique. Celui-ci est alimenté par des batteries rechargeables en route par l’alternateur couplé au moteur thermique et/ou à l’arrêt sur le secteur ;

• les voitures à prolongateur d’autonomie (« EREV » pour Extended Range Electric Vehicles). La propulsion du véhicule se fait par un moteur électrique alimenté par des batteries de grande capacité maintenues chargées par un petit bloc alternateur - moteur thermique. Celui-ci, grâce à un régime stabilisé autour de sa vitesse de rotation optimale (1500 t/mn), permet des consommations sur route inférieures à 2 litres d’essence (ou diesel) aux 100 km et de grandes autonomies ;

• les voitures « 100% électriques » (« BEV » pour Battery Electric Vehicles) à batterie et moteur électrique. Leurs batteries à grande capacité doivent être rechargées à l’arrêt sur prise fixe.

Le développement des PHEV, EREV et BEV est encore limité entre autres par le coût, le poids et la durée de vie des batteries rechargeables (batteries lithium-ion). Chaque système présente des avantages et des limites. Ils se développent en parallèle tout comme l’essence et le diesel cohabitent.

Notons que les voitures équipées de piles à combustible sont également souvent qualifiées de véhicules électriques : elles disposent d'une motorisation électrique mais produisent leur électricité à bord à partir de l'hydrogène stocké dans des réservoirs sous pression (leur fonctionnement est présenté dans la fiche pédagogique « Hydrogène dans les transports »).

Un véhicule terrestre autonome doit associer à sa motorisation l’emport de l’énergie nécessaire à celle-ci.

Pour les voitures électriques, il convient de distinguer deux dimensions pour bien comprendre le potentiel et les limites de chaque système sur le marché :

• la fonction moteur, maîtrisée et efficace ;
• la fonction stockage, pas encore totalement maîtrisée, ni totalement efficace.

Comparaison des capacités d’un véhicule thermique et d’un véhicule électrique

Dans les véhicules thermiques, les moteurs actuels ont des rendements énergétiques qui ne dépassent pas 20% dans des conditions réelles de circulation⁽¹⁾. Dans un plein de 60 litres d’essence, l’énergie de 12 litres va ainsi être transmise aux roues et 48 litres seront dissipés en chaleur.

Par contre la densité énergétique massique de l’essence ou du diesel est très importante, de l’ordre de 12 kWh/kg, permettant aux voitures actuelles de disposer d’autonomies considérables, proches de 1 000 km pour 60 litres (de l'ordre de 50 kg de diesel⁽²⁾) couramment stockés dans leurs réservoirs.

Dans les voitures électriques, la problématique est l’inverse. Le moteur électrique a un rendement énergétique proche de 80%, presque 4 fois celui d’un moteur thermique (ce rendement n'inclut toutefois pas celui de la production d'électricité en amont, l'électricité étant un vecteur et non une source d'énergie). En revanche, les batteries des dernières générations de véhicules électriques ne peuvent stocker qu'environ 150 Wh/kg, soit près de 80 fois moins que les hydrocarbures⁽³⁾.

Au global, l’énergie électrique stockable dans 1 000 kg de batteries serait nécessaire pour parcourir la même distance qu’avec 50 kg de gazole (60 litres), soit environ 1 000 km. Des progrès considérables des performances des batteries sont ainsi encore attendus.

Malgré les obstacles technologiques aujourd’hui rencontrés, un développement croissant des voitures électriques est à prévoir car il répond aux 3 défis majeurs du 21^e siècle.

La lutte contre le changement climatique

La communauté scientifique mondiale, au travers des travaux du GIEC, a sensibilisé au fait que les émissions de gaz à effet de serre imputables aux activités humaines sont la cause principale d’une augmentation de la température moyenne du globe. L'accord de Paris (conclu à l'issue de la COP21 en décembre 2015) fixe pour objectif de limiter à 2°C au maximum le réchauffement global par rapport aux températures de l'ère préindustrielle. Selon le GIEC, il faudrait réduire les émissions mondiales de gaz à effet de serre de 40% à 70% d’ici à 2050 (par rapport au niveau de 2010) et d'atteindre une économie quasiment neutre en carbone durant la deuxième partie du XXI^e siècle pour espérer atteindre cet objectif.   

Plus de la moitié de la consommation mondiale de pétrole est destinée aux transports (en particulier au transport routier). En phase d'usage, une voiture électrique, selon qu’elle est de type PHEV, EREV ou BEV, émet de quelques grammes de CO₂/km jusqu'à 100 g/km, soit beaucoup moins que les véhicules thermiques qui émettent en moyenne de 100 à 200 g/km. Cependant, ce gain environnemental global dépend étroitement des émissions elles-mêmes générées pour produire et stocker l’électricité qui leur est fournie.

Dans les pays recourant peu aux énergies fossiles dans leur mix énergétique, ce gain peut être très important. Ainsi, en France où la production d’électricité est très « décarbonée » (à près de 91% en 2016), un facteur de réduction considérable peut être atteint. Mais aujourd’hui, la plupart des pays produisent encore leur électricité à partir d’énergie fossile, principalement de charbon (source d'énergie utilisée pour produire près de 39% de l’électricité mondiale avec un rendement de conversion moyen de seulement 30%). Dans ces conditions, le gain environnemental du véhicule électrique est alors faible.

Précisons par ailleurs que la fabrication des véhicules électriques engendre elle aussi des émissions de gaz à effet de serre, notamment lors de la constitution des batteries.

La pollution atmosphérique

L’augmentation continue des populations urbaines et de l’utilisation de véhicules thermiques s’accompagnent d’une pollution croissante de l’atmosphère des villes, en particulier dans les pays émergents. On y constate une recrudescence d’affections pulmonaires liées aux oxydes d’azote (NO_x) et aux particules de carbone (gazole). Le développement des voitures électriques en zone urbaine permettra une réduction de cette pollution « thermique ».

Selon le rapport « Energy and air pollution » publié en 2016 par l'AIE, le transport routier serait responsable de 58% des émissions mondiales de NO_x et de 73% de celles de particules fines PM 2.5.

Pour un développement à grande échelle, les voitures électriques doivent offrir un mix performances techniques / bilan environnemental / autonomie / coût au moins aussi attractif que les voitures thermiques actuelles.

La performance

Au vu des qualités intrinsèques des moteurs électriques (taille, couple maximal disponible au démarrage, etc.), les performances dynamiques des véhicules électriques sont meilleures que celles des voitures équivalentes thermiques, et ce dans un silence quasi-absolu.

L’autonomie

Il s’agit du point faible des véhicules électriques. La solution la plus adaptée actuellement est celle des véhicules à prolongateur d’autonomie dont la batterie lui permet de couvrir 80% des trajets journaliers sans pétrole ou sans hydrogène. Pour les longues distances, le groupe moteur thermique permet de maintenir cette batterie chargée avec une faible consommation de carburant.

Il est en effet plus facile d’optimiser le rendement d’un groupe moteur thermique dès lors qu’on lui épargne de fournir instantanément de l’énergie sur des régimes transitoires étendus. Les constructeurs automobiles conçoivent donc des moteurs thermoélectriques qui permettent aux EREV d’atteindre l’autonomie des voitures actuelles et une consommation de 2 litres aux 100 km sur de longues distances, conjointement avec un mode de fonctionnement urbain tout électrique.

Les constructeurs de véhicules 100% électriques annoncent enfin des autonomies de plus en plus importantes. A titre indicatif, le dernier modèle de la Renault ZOE (avec batterie Z.E. 40 de 41 kWh), voiture électrique la plus vendue en Europe, a une autonomie annoncée en usage réel de 300 km. A cette question de l'autonomie se superpose la problématique de recharge des véhicules électriques (durée, infrastructures disponibles, etc.).

Le coût

Le coût trop élevé des batteries performantes est actuellement un frein au développement des véhicules électriques à grande échelle.

Le surcoût à l’achat peut être partiellement compensé par les économies à l’usage du véhicule (maintenance ou carburant), l’électricité étant moins chère que l’essence ou le diesel. Des bonus à l’achat sont développés, notamment en France, pour encourager le développement de la mobilité électrique.

Notons que le prix élevé de l’essence ou du diesel est généré par un niveau de taxe important. L’électricité moins taxée offrira moins de rentrées financières aux États à un moment où nombre d’entre eux souffrent de difficultés budgétaires. Ceci pose clairement la question d’un risque d’un renchérissement fiscal de l’électricité destinée au transport, avec toutes ses conséquences sur l’économie de la voiture électrique.

Les constructeurs automobiles mondiaux se sont lancés sur le marché des véhicules électriques et multiplient les annonces relatives à leur développement.

Citons entre autres :

• type PHEV : l’autonomie thermique de ce type de véhicule peut atteindre 1 000 km mais celle du moteur électrique reste faible (50 km pour la Toyota Prius en 2017) ;
• type EREV : la Chevrolet Volt 2017⁽⁵⁾, commercialisée en Europe sous le nom d'Opel Ampera, dispose d'une batterie électrique dont l'autonomie annoncée atteint 85 km. Le prolongateur thermique d’autonomie permet de l’étendre à près de 520 km ;
• type BEV : la Blue Car, retenue pour le service Autolib' à Paris, dispose d’une autonomie de 250 km en ville⁽⁶⁾. En conditions de circulation sur autoroute, la Tesla Model X (batterie de 90 kWh) dispose d'une autonomie pouvant dépasser 300 km.

Le service de voitures électriques Autolib' a été lancé en décembre 2011 à Paris. (©Autolib')

Le marché des véhicules électriques reste embryonnaire. D'après l’AIE, les voitures électriques pourraient représenter près de 7% des ventes mondiales de voitures en 2020 (soit près de 7 millions de véhicules).

Face à la pollution atmosphérique des villes et à l’autonomie limitée offerte par les batteries actuelles, les premières voitures électriques sans prolongateur d’autonomie ont des utilisations urbaines (Autolib', bus, etc.). Les réglementations d’accès aux villes et la mise en place de stations de recharge vont à cet égard jouer un rôle majeur dans leur développement.

Au 1^er octobre 2017, la France comptait 85 000 véhicules particuliers électriques (et 30 000 véhicules utilitaires légers électriques).

Au 1^er semestre 2016, la France et la Norvège ont compté à elles seules pour 53,8% du volume d'immatriculations de véhicules électriques en Europe. (©Connaissance des Énergies, d'après Avere)

Contrairement aux idées reçues, la production de voitures électriques n’est pas un sujet nouveau. La première voiture ayant roulé à 100 km/h en 1899, la « Jamais contente », était électrique.

Mais Henri Ford, peu après 1910, commença à produire à grande échelle sa Ford T, qui permettait d’atteindre 70 km/h et ne coûtait que 550 $ quand les voitures électriques coûtaient 4 fois plus cher.

Pendant un siècle, les voitures électriques n’ont jamais réussi à combler leur retard par rapport aux voitures thermiques pour offrir une autonomie suffisante à un prix raisonnable.

Les développements prometteurs des batteries ces 10 dernières années dans un contexte de changement climatique et de pollution atmosphérique urbaine stimulent le développement de la voiture électrique.

L’autonomie des véhicules 100% électriques augmentera avec la réduction des coûts et de la masse des batteries. Leur développement à grande échelle nécessite entre autres des investissements significatifs dans des infrastructure de recharge. Le projet de loi de programmation de la transition énergétique en France prévoit le déploiement de 7 millions de bornes de recharge électriques sur le territoire d'ici à 2030 (contre 10 000 à l'été 2014).

Le véhicule électrique à prolongateur d’autonomie (EREV) à moteur thermique est le meilleur compromis à l'heure actuelle. Il couple les avantages de la voiture thermique (autonomie, infrastructure existante, coût comparable) et de la voiture tout électrique en ville (sobriété énergétique et pollution atmosphérique limitées).