La consommation d’énergie des voitures électriques

By 3 August 2012

II.2. Énergie et émissions

Nous nous sommes penchés sur la question de la batterie qui, en l’état actuel des connaissances, ne semble être responsable que d’une part peu importante des impacts environnementaux dans le bilan total d’une voiture électrique VE. Il est donc temps de se poser la question de la consommation d’énergie lors de la phase d’utilisation des véhicules électriques VE. C’est la question cruciale à laquelle il faut tenter de répondre pour savoir si la voiture électrique peut être en partie une meilleure solution que la voiture thermique. En effet, c’est lors de la phase d’utilisation que l’essentiel de l’énergie sera consommée et aussi que l’essentiel des gaz à effet de serre GES et des polluants seront émis. Nous allons donc tenter de savoir, pour chacun des deux types d’automobiles, quelle quantité d’énergie est consommée par unité d’énergie utile (c’est à dire réellement utilisée pour faire tourner les roues) et à quelle quantité de gaz à effet de serre GES et éventuellement de polluants cela correspond. Cet exercice n’est pas sans soulever des questions méthodologiques, qui expliquent d’une part la grande difficulté de cette tâche de quantification et de comparaison, et d’autre part la variété des résultats obtenus par les différents auteurs, selon les hypothèses qu’ils auront prises.

II.2.1. Questions méthodologiques

Les automobiles en vente sur les trois grands marchés « historiques » que sont les États-Unis, l’Europe et le Japon, doivent se soumettre, entre autres tests, à une évaluation de leur consommation et de leurs émissions. Dans un souci légitime de reproductibilité des tests et de comparabilité des résultats, ces tests ont toujours lieu dans des conditions semblables. Ils se déroulent en intérieur, sur des bancs à rouleaux et comportent une série d’accélérations, de décélérations, de temps à l’arrêt et à vitesse constante suivant un ordre précis. On établit ensuite la quantité de carburant utilisée tandis qu’une sonde au niveau de l’échappement calcule les émissions de CO2 et d’autres polluants. Ces tests sont réalisés à température définie, après avoir « chauffé » le moteur et avec tous les équipements auxiliaires éteints même si certains commencent à évoluer pour refléter plus fidèlement la réalité de la consommation.51 En Europe, depuis 2000, c’est le New European Driving Cycle d’une durée de 20 minutes et qui est censé refléter la consommation moyenne en ville et sur route des véhicules vendus sur le marché européen.

Ces tests théoriques ne sont en fait que peu représentatifs de la réalité : la consommation réelle d’une voiture est généralement très supérieure à celle annoncée. En dehors de considérations environnementales, énergétiques et économiques, cet écart a aussi des conséquences pratiques. Pour une voiture thermique, consommer plus ne sera en pratique qu’un désagrément qui obligera l’usager à aller plus souvent faire le plein. Pour une voiture électrique cet optimisme est potentiellement plus ennuyeux, puisque cela va affecter l’autonomie déjà considérée comme limitée des véhicules. Cette situation est aggravée par le fait que la batterie peut stocker généralement entre 20 et 30 kWh d’électricité suivant les modèles, alors qu’un réservoir d’hydrocarbures pourra contenir entre 400 et 600 kWh d’énergie thermique52 soit environ 20 fois plus. Une quantité fixe de kWh de consommation excédentaire non pris en compte aura donc un impact beaucoup plus important pour une voiture électrique que pour une voiture thermique. Cette procédure de test est de plus mal adaptée aux voitures thermiques qui risquent à notre avis de présenter des consommations réelles encore plus éloignées des résultats des tests. Ceci est dû notamment au fonctionnement du système de chauffage de l’habitacle, aux caractéristiques de la batterie et au fonctionnement du moteur électrique.

Le système de chauffage, l’air conditionné ainsi que les autres équipements auxiliaires d’une voiture électrique tirent leur énergie directement de la batterie qui sert aussi à fournir l’énergie au moteur. Dans une voiture thermique par contre, le système de chauffage utilise l’énergie thermique « gratuite » du moteur.53 Ce dernier dégage de la chaleur lors du processus de combustion, chaleur qui n’est pas utile pour la traction de la voiture mais qui est récupérée pour chauffer l’habitacle. La voiture électrique qui n’a pas ce problème de perte d’énergie par dégagement de chaleur ne peut pas non plus en profiter et le chauffage de l’habitacle consomme donc de l’énergie provenant de la batterie qui réduit du même coup l’autonomie du véhicule.54 Il est cependant possible de diminuer quelque peu ce problème en préchauffant son véhicule en hiver lorsqu’il est branché sur le courant électrique. Son propriétaire peut programmer l’heure à laquelle il souhaite l’utiliser et demander au système de chauffage de préchauffer l’habitacle du véhicule en utilisant l’électricité du réseau électrique, pour éviter de décharger fortement la batterie au début de son trajet. Si l’utilisation des phares, du système audio et de l’électronique du véhicule n’est pas très gourmande en énergie et demande entre 0,6 kW et 1 kW, on estime qu’un système de climatisation peut nécessiter environ 2,5 kW voire jusqu’à 4 kW pour des utilisations à pleine puissance [Syrota, 2008 : 66].

La réaction de la batterie à des variations thermiques n’est pas davantage prise en compte dans les tests actuels. Sa capacité à stocker et à restituer de l’énergie peut être plus ou moins affectée par des températures extrêmes, c’est-à-dire très élevées ou très basses. Comme nous l’avons vu, il existe différents types de batteries et chacune a une plage de température idéale de fonctionnement en dehors de laquelle ses performances sont plus ou moins dégradées. La première génération d’EV1 de General Motors, fonctionnant avec des batteries au plomb, était peu à l’aise à faible température, ce qui a rendu l’utilisation de ce véhicule problématique en hiver.55 Des recherches sont bien évidemment en cours dans ce domaine pour limiter ce problème, mais il est important de noter que les tests actuels ne tiennent pas compte de cette problématique. Or il y a un effet d’addition, puisque lors de températures extérieures extrêmes, à la dégradation des performances des batteries s’ajoute la consommation des systèmes auxiliaires les plus énergivores, à savoir le système de chauffage en hiver ou d’air conditionné en été.

Un autre problème de la batterie non pris en compte par les tests est celui de l’auto-décharge. Un réservoir de voiture thermique stocke le carburant de façon étanche et après une semaine ou un mois sans l’utiliser, la voiture thermique contiendra toujours la même quantité de carburant. Ceci n’est pas le cas avec les batteries des voitures électriques qui perdent peu à peu l’énergie qu’elles stockent, dans des proportions différentes en fonction des technologies. La littérature scientifique rencontrée se penche sur la question, mais surtout dans le cadre de tests de laboratoire et souvent au niveau de la cellule [Prakash 2009]. On trouve par contre des études plus générales qui estiment l’auto- décharge entre 5% et 15% de diminution de la charge énergétique de la batterie dans le cadre d’une utilisation normale. En ce qui concerne les batteries au Lithium, il semble que l’auto-décharge soit de l’ordre de 10% par mois [ADEME, 2005].

Le fonctionnement du moteur électrique est également différent du moteur à combustion interne. Contrairement à ce dernier, un moteur électrique ne doit pas tourner au ralenti lorsque le moteur est allumé mais que la voiture est à l’arrêt. Il n’y a dès lors pas de consommation d’énergie dans une voiture électrique qui est à l’arrêt dans la circulation.56 Par ailleurs, les moteurs électriques qui équipent les voitures électriques disposent d’un système de récupération d’énergie au freinage et lors de décélérations. Ce système permet de récupérer une partie de l’énergie qui dans une voiture thermique serait dissipée en chaleur et perdue. Ce frein par le moteur permet en outre de limiter l’usure du système de freinage mécanique « traditionnel » qui n’est dès lors sollicité que pour des freinages d’urgence, et d’augmenter la durée de vie des éléments constitutifs du système de freinage. Notons que ces deux éléments (pas de consommation à l’arrêt et récupération d’énergie au freinage) participent à la plus grande efficacité de la voiture électrique par rapport à la voiture thermique en milieu urbain où les arrêts et fortes décélérations sont plus fréquents (en raison des feux de circulation, passages pour piétons, carrefours, embouteillages, etc.) qu’en milieu périurbain ou sur autoroute.

A propos du type de route, il est important de signaler que les voitures thermiques sont plus adaptées que les voitures thermiques à la vitesse réduite et au milieu urbain, comme nous le verrons plus loin. Ceci est dû notamment au fonctionnement du moteur électrique qui est très efficient sur une plage de régime plus large que le moteur thermique [Kendall, 2008].

Une fois les tests réalisés, les résultats sont exprimés, en Europe, en litres de carburant permettant de parcourir 100 km (pour le cycle urbain, le cycle périurbain et la moyenne des deux) pour la consommation ainsi qu’en g de CO2 par km pour les émissions directes.57 Aux Etats-Unis, le résultat est exprimé en miles per gallon de carburant (MPG). Une fiche reprenant diverses informations de consommation est rédigée par l’Environmental Protection Agency (EPA) et renseigne également les émissions de gaz à effet de serre GES et de polluants. A partir de la consommation, un montant moyen de coût annuel en carburant est aussi indiqué et la différence (positive ou négative) par rapport à la moyenne des véhicules comparables, disponibles sur le marché. Mais ces mesures ne sont pas adaptées aux voitures électriques d’abord parce que celles-ci n’utilisant pas de carburant, il n’est pas possible de définir un nombre de litres pour faire 100 km ou un nombre de miles qu’on peut parcourir avec un gallon. Ensuite parce que au contraire d’une quantité de carburant issu du pétrole, qui lors de sa combustion dégage une quantité définie de gaz,58 le moteur électrique n’émet directement aucun gaz. Il faut donc se pencher sur la production d’électricité mais celle-ci émet des quantités très variables en fonction de la source énergétique utilisée, du rendement de l’installation et du périmètre qu’on prend en compte. Pour pouvoir comparer les voitures thermiques et les voitures électriques avec un minimum de rigueur scientifique, il faudra donc considérer un périmètre le plus large possible, afin qu’il soit le plus proche possible de la réalité, comme nous le verrons plus loin.

Le marché américain, sur lequel une voiture électrique et une voiture électrique hybride rechargeable (VEHR) viennent d’être lancées, a été confronté à ce problème de labélisation de consommation énergétique et d’émissions. La solution trouvée par l’EPA a été de simplifier la réalité et de donner des informations considérées comme utiles au consommateur en fonction du type de motorisation.

Pour la voiture électrique (en l’occurrence la Nissan Leaf), l’Environmental Protection Agency EPA a tenté de trouver une équivalence entre la consommation d’électricité et la consommation de carburant d’origine pétrolière qui s’exprime traditionnellement en miles per gallon de carburant (MPG. Considérant qu’un gallon d’essence contient 33,7 kWh, il a été calculé la distance que la voiture électrique considérée peut parcourir avec cette quantité d’électricité. La voiture électrique étant, comme nous le verrons, plus efficiente que la voiture thermique, elle obtient donc des scores de consommation plus favorables que les voitures thermiques.59 Le score des voitures électriques ne dit donc pas grand-chose en soi, sinon qu’il rappelle que les voitures électriques sont plus efficientes et qu’il permet une comparaison facile quoique peu utile avec les voitures thermiques. En plus de la consommation, la fiche indique deux informations importantes pour les voitures thermiques: l’autonomie moyenne ainsi que le temps de recharge sur une prise à 240 V.60 Pour finir, notons que l’information donnée par l’Environmental Protection Agency tombe dans la facilité concernant son évaluation environnementale de la voiture électrique, en annonçant des rejets directs de 0 g de CO2 par mile et un score de 10/10 pour les rejets de polluants atmosphériques. Des résultats corrects stricto sensu mais masquant la réalité en ne tenant compte que des rejets directs.

Pour ce véhicule, un test a été également réalisé qui montre bien à quel point les conditions extérieures peuvent faire varier considérablement l’autonomie d’une voiture électrique. Avec une même quantité d’énergie il est possible de réaliser entre 222 et 76 km en fonction du type de circulation rencontrée, de la vitesse et des conséquences des conditions climatiques (influençant à la fois le fonctionnement de la batterie et surtout pénalisant l’autonomie dans le cas d’une utilisation intensive de la climatisation), comme le montre le tableau ci-dessous.

Tableau 1: Autonomie de la Nissan Leaf dans différentes conditions d’utilisation
Autonomie de la Nissan Leaf dans différentes conditions d'utilisation
(Source : Forbes61 et Autobloggreen62)

Pour la véhicule hybride électrique rechargeable VEHR (en l’occurrence la Chevrolet Volt), l’EPA a décidé de renseigner une consommation en utilisation purement électrique, une en utilisation avec le moteur thermique continuellement en fonctionnement et une sur un parcours mixte (comprenant une partie en mode électrique et une partie avec le moteur thermique). Par ailleurs le rayon d’action moyen à la fois en mode électrique seul et avec le moteur thermique est également renseigné, en plus des consommations électriques moyennes en fonction d’une série de distances parcourues.

II.2.2. Solutions proposées pour répondre à ces questions méthodologiques

Pour éviter de devoir torturer les chiffres pour rendre la comparaison possible entre les différents types de motorisation, une solution plus élégante serait de trouver une unité commune. C’est ce que propose Kendall qui suggère de passer du litre ou du gallon de carburant au kWh [Kendall, 2008]. On calculerait donc, pour un véhicule donné et peu importe sa motorisation, le nombre de km parcourus par kWh ou le nombre de kWh nécessaires par km (ou pour 100 km afin de garder une parenté avec les mesures actuelles). Cette idée semble bonne puisqu’elle fait ressortir l’aspect de consommation énergétique mais fait perdre la dimension environnementale d’émission de CO2 chère au législateur européen.

On pourrait, pour pallier ce problème, ajouter une indication de grammes de CO2 par km parcouru pour chaque VE, mais cette quantité dépendra alors fortement de l’hypothèse de production d’électricité retenue pour faire le calcul. En effet, on peut prendre différentes approches sans qu’aucune ne soit forcément meilleure que les autres. On peut considérer les émissions de production d’électricité selon des périmètres différents, soit :
– au niveau d’un (sous-)continent : en partant du principe que les véhicules seront introduits sur des marchés et que les marchés en question sont souvent (sous-)continentaux (l’Amérique, l’Europe, l’Inde, etc.) ;
– au niveau d’un groupe de pays limitrophes : en partant du principe que les marchés de l’électricité sont interconnectés par groupes de pays. En cas d’une forte augmentation de la demande en Belgique par exemple, le réseau belge étant très interconnecté avec ses voisins français et néerlandais, il pourra éventuellement se voir injecter de l’électricité en provenance de ces pays [CREG, 2010 : 11];
– au niveau d’un pays : en partant du principe que la majorité de l’électricité consommée dans un pays est produite par ce pays ;
– sur la base de la production de nuit d’un pays ou d’une zone plus large : en posant l’hypothèse que les voitures thermiques seront principalement rechargées la nuit quand l’électricité est moins chère ;
– sur la base de la production supplémentaire : en partant du principe que s’il faut produire de l’électricité en plus pour le transport automobile de façon relativement inattendue pour le réseau qui a une certaine inertie, c’est ce type de production qu’il faut prendre en compte et non ce qui est déjà produit pour les autres usages. Or la difficulté réside dans le fait que le type de production supplémentaire varie au long de la journée ;
– sur la base du type de production d’un fournisseur d’électricité précis : puisque le marché de l’électricité en Europe est ouvert à la concurrence, les fournisseurs d’électricité d’un même pays ou région ont des mix énergétiques63 différents pour la production d’électricité.

Comme on le voit les hypothèses sont très nombreuses d’autant que certaines reprises dans cette liste sont combinables.

Certains périmètres poseront cependant des problèmes de pertinence. On pense notamment au problème que soulèvent des décisions politiques à grande échelle qui doivent s’appliquer sur de plus petits territoires présentant des réalités très disparates. L’exemple du périmètre européen, pourtant très utilisé pour la prise de décisions, est à cet égard un cas d’école. La moyenne d’émission de CO2 de la production d’électricité européenne qui se situe à 359 gCO2 par kWh64 cache en fait des disparités gigantesques : on trouve, au sommet du classement dégressif des émetteurs, la Grèce avec 736 gCO2 par kWh et à la fin de ce classement l’Islande et la Norvège avec respectivement 1 et 7 gCO2 par kWh. Cette situation rendra donc les calculs peu pertinents si on se place au niveau d’un pays particulier en préconisant une politique basée sur des calculs faits avec la moyenne européenne.

Il faudra en tous cas veiller à prendre en compte, sur le modèle des analyses cycles de vie ACV, un ensemble plus large d’activités ayant permis de faire fonctionner le véhicule. La terminologie utilisée pour spécifier le périmètre pris en compte sera alors le puits, le réservoir et la roue. Ces expressions ayant été inventées dans le contexte de l’hégémonie des voitures thermiques, les termes « puits » et « réservoir » doivent être compris comme des fonctions plus que comme des objets. Pour les voitures thermiques il faut donc comprendre « source d’énergie utilisée pour la transformation en électricité » à la place de puits et « batterie » à la place de réservoir. On distinguera alors généralement deux temps qui, pris ensemble, permettent d’avoir une vision globale de l’utilisation de l’énergie ou des émissions de gaz à effet de serre GES :
– du puits au réservoir (Well-to-tank ou WTT) : on prend en compte la prospection, l’extraction, la transformation et le transport du carburant jusqu’à son arrivée dans le réservoir du véhicule ;
– du réservoir à la roue (Tank-to-wheel ou TTW) : on prend en compte l’utilisation du carburant par le moteur;
– du puits à la roue (Well-to-wheel ou WTW) : on multiplie (pour des rendements énergétiques) ou on additionne (pour des émissions) les deux premiers, ce qui offre la vue la plus complète.

Lire le mémoire complet ==> (La voiture électrique : révolution ou fausse bonne idée ?)
Master en Sciences et Gestion de l’Environnement – Université Libre de Bruxelles
Institut de Gestion de l’Environnement et d’Aménagement du Territoire
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51 Le nouveau test d’application aux États-Unis depuis 2008 prévoit une portion du test réalisée avec le système d’air conditionné allumé.
52 En considérant des réservoirs de 40 à 60 litres et 10 kWh par litre de carburant.
53 L’utilisation de l’air conditionné engendre lui dans une voiture thermique une surconsommation de carburant de l’ordre de 2,5 à 7,5% [GIEC, 2007b : 331].
54 Le constructeur automobile Volvo a contourné ce problème en équipant son prototype de voiture électrique d’un système de chauffage d’environ 6kW pouvant fonctionner avec différents types de combustibles (essence, bioéthanol, etc) pour éviter de puiser dans l’énergie contenue dans la batterie. Voir http://green.autoblog.com/2010/01/21/volvo-c30- electric-vehicle-uses-ethanol-for-heat/
55 William Borthwick (de la DG Energie et Transport de la CE) rapporte lors d’une conférence que les EV1 de General Motors en test à New-York avaient une autonomie de seulement 20 km au plus froid de l’hiver contre 120 à 160 km en conditions optimales d’utilisation.
56 Il en sera de même pour les voitures thermiques équipées du système « stop & start » dont le moteur est automatiquement coupé lorsque le véhicule est à l’arrêt.
57 Le périmètre pris en compte ne concerne donc que les émissions directes, c.-à-d. ce qui sort du pot d’échappement et non les émissions de l’ensemble de la filière.
58 Celle-ci pourra différer légèrement en fonction de l’efficience du moteur.
59 La Nissan Leaf est ainsi considérée comme ayant une consommation de 99 miles per gallon de carburant (MPGe (miles per gallon équivalent) à comparer avec la Toyota Prius qui est la voiture la plus sobre du marché et qui obtient 50 miles per gallon de carburant (MPG. La moyenne du parc automobile aux Etats-Unis était de 23 miles per gallon de carburant (MPG en 2008. Voir http://www.eia.doe.gov/emeu/aer/pdf/perspectives_2009.pdf
60 Notons que l’ampérage n’est pas précisé.
61 Voir http://blogs.forbes.com/energysource/2010/06/11/warning-your-mileage-may-vary/
62 Voir http://green.autoblog.com/2010/06/14/nissan-pegs-leaf-range-between-47-and-138-miles-individual-resu/
63 Le mix énergétique désigne la proportion des différentes sources d’énergie permettant la production d’énergie finale pour une zone considérée.
64 C’est la quantité calculée sur la période 2006-2008. On peut supposer qu’en raison de la crise économique mondiale, l’IEA, pour ne pas fausser les chiffres de 2008 montrant une diminution des émissions de par la contraction de la demande en électricité, a choisi de publier, en plus des chiffres de 2008, une moyenne de 2006 à 2008 donnant une vue moins tronquée de la tendance [IEA, 2010a : 107].