Automobile de demain : question énergétique et la demande

By 16 March 2013

L’avenir de l’automobile et de sa filière – Chapitre IV :
A – L’automobile de demain

1. La question énergétique

Depuis ses origines, l’automobile est étroitement dépendante des combustibles fossiles et son développement est lié à la fois à la disponibilité du pétrole et au faible coût de cette matière première.

Le contexte énergétique évolue sensiblement. L’ère du pétrole bon marché est probablement derrière nous, à la fois pour des raisons techniques et géologiques mais, aussi, économiques, voire politiques.

Les préoccupations environnementales devraient devenir encore plus déterminantes contribuant à la mise en place d’une société plus sobre.

Les effets de ces facteurs sur l’automobile sont importants.

2. L’évolution de la demande

Selon l’Agence internationale de l’énergie (AIE), le demande d’énergie primaire devrait continuer d’augmenter dans des proportions importantes, dans les trente prochaines années, tirées par les économies émergentes, notamment la Chine et l’Inde.

La demande pétrolière pourrait, toujours selon l’AIE, avoir à cet horizon, pour destination essentielle, le secteur des transports. C’est dire si la question du « peak oil » revêt une importance cruciale pour le secteur dans son ensemble.

Il est impossible de prévoir la date, probablement lointaine, à laquelle la dernière goutte de pétrole aura été extraite – si jamais dernière goutte il y aura – mais on peut conjecturer qu’elle sera utilisée dans le transport (probablement aérien, car on imagine mal que les avions puissent utiliser avant longtemps autre chose qu’un carburant liquide d’origine pétrolière ou de synthèse).

Les tensions, actuelles et futures sur la demande, ont plusieurs causes : d’une part, la raréfaction relative de la ressource; d’autre part, les insuffisances constatées dans l’investissement notamment des capacités de raffinage; enfin, des considérations d’ordre à la fois géopolitiques et économiques.

Cela étant, les ressources pétrolières sont encore importantes et leur appréciation est complexe tant elles mêlent différentes notions et ne prennent pas en compte l’amélioration possible des taux de récupération.

Cette contrainte conduira l’automobile à envisager des carburants alternatifs, parallèlement à la rationalisation des carburants conventionnels.

Automobile de demain : question énergétique et la demande

3. Les enjeux pour le secteur des transports

Économie d’énergie et réduction des gaz à effets de serre vont de pair dans la stratégie des constructeurs. À l’image des véhicules diesel qui consomment moins de carburant et rejettent par conséquent moins de gaz à effet de serre, ces

2 objectifs constituent à la fois une nécessité compte tenu de la diminution de ressources en hydrocarbures et un devoir pour le respect de l’environnement. L’aspect environnemental ayant déjà été présenté dans les chapitres II et III, les paragraphes qui suivent traiteront principalement de l’effort réalisé par les constructeurs et les équipementiers afin de sortir progressivement du tout pétrole, sachant naturellement que « le meilleur substitut au pétrole sera toujours celui que l’on ne gaspille pas » selon l’expression d’Olivier Appert, président de l’Institut français du pétrole (IFP).

a) Rationaliser l’utilisation des carburants conventionnels

• Le diesel

Actuellement, la diésélisation constitue la technologie la plus efficace en terme de réduction de consommation en carburants. Le diesel offre déjà, par son principe de combustion, une consommation en carburant inférieure d’environ 20 à 25 % à celles d’un moteur à essence de même performance.

À moyen terme, l’hybridation du diesel permettra un gain supplémentaire mais le déploiement de cette technologie restera conditionné par l’hypothèse de maîtrise de son coût. Par ailleurs, le renouvellement du parc automobile verra la mise en circulation progressive d’automobiles moins gourmandes en carburants. Enfin, les nouvelles générations de moteurs et de pneus permettront de diminuer de manière significative la consommation en carburants et de prolonger les réserves en hydrocarbures.

• Le gaz naturel

– le Gaz de pétrole liquéfié carburant (GPLc) : un impact environnemental favorable

Mélange de butane et de propane, le GPLc présente de bonnes performances environnementales : pas (ou peu) de rejets de soufre, plomb ou benzène, peu d’évaporations et des émissions de polluants réglementés réduites. Au niveau mondial, le parc de véhicules utilisant le GPL progresse régulièrement. En Europe, son utilisation a été introduite dans les années 1950. Aujourd’hui, les pays de l’Europe de l’Est lui accordent une place importante. Aux États-Unis, c’est surtout dans le cadre de flottes captives qu’il est utilisé : taxis, véhicules postaux, bus ou camions de livraisons. Sur les 800 millions de véhicules dans le monde, près de 10 millions utilisent du GPLc. L’inconvénient du GPLc réside dans le surcoût occasionné lors de l’achat du véhicule et du service après-vente, et dans sa disponibilité forcément limitée. Les véhicules qui utilisent le GPL sont majoritairement équipés d’un système de bicarburation (fonctionnement à l’essence ou au GPLc), ce qui permet de pallier le manque actuel de stations de ravitaillement sans pour autant permettre un fonctionnement optimisé de l’un ou l’autre de ces carburants. Aujourd’hui, 170 000 voitures circulent au GPLc et 2000 pompes sont réparties sur l’ensemble du territoire.

– le Gaz naturel utilisé pour les véhicules (GNV) : une énergie fossile avantageuse

Le Gaz naturel utilisé pour les véhicules (GNV) est une voie qui offre de nombreux avantages, parmi lesquels, une aptitude réelle à réduire l’effet de serre (- 25 % d’émissions de CO2 par rapport à l’essence), des réserves importantes et une répartition géographique plus homogène à l’échelle de la planète que le pétrole. Son utilisation est compatible avec les progrès des moteurs. Sur les 800 millions de véhicules dans le monde, 4 millions roulent au GNV. Toutefois, il s’agit d’une énergie fossile non renouvelable, appelée elle aussi à voir à terme ses réserves diminuer. En outre, le GNV nécessite la mise en place d’infrastructures lourdes de stockage et d’approvisionnement qui doivent encore faire l’objet d’innovations technologiques. L’utilisation du GNV est encore limitée : environ 2000 bus l’utilisent en France.

Bien que présentant certaines qualités en termes de réduction des émissions polluantes, le gaz naturel reste malgré tout peu utilisé compte tenu de ses contraintes techniques, économiques et des exigences qu’il implique en matière de sécurité.

• Les carburants de synthèse : des atouts pour l’automobile

Les carburants liquides de synthèse, produits via une étape de gazéification à partir d’autres ressources que le pétrole, sont des carburants essence ou gazole de bonne qualité et qui ne nécessitent pas d’adaptation particulière des véhicules. On peut les produire à partir de biomasse lignocellulosique (bois ou paille) – ce qui offre le double avantage de réduire la dépendance énergétique vis-à-vis du pétrole et de diminuer les émissions de gaz à effet de serre – ou à partir d’autres énergies fossiles (charbon/CTL ou gaz/GTL). Cette dernière filière ne peut être envisagée massivement que si les émissions de CO2 sont traitées via leur stockage géologique. Deux unités de GTL et une unité de CTL fonctionnent aujourd’hui dans le monde. S’agissant de la technologie Biomasse To Liquid, on en est encore au stade de l’unité de démonstration. L’IFP mise fortement sur ces carburants dont certains pensent qu’ils pourraient avoir une part de marché de 5 à 10 % d’ici 2020.

b) Développer les carburants alternatifs

L’automobile est dépendante à 98 % du pétrole, énergie fossile constituée de carbone et d’hydrogène. Dans sa stratégie long terme, le secteur automobile se donne donc pour objectif de sortir du tout pétrole. L’avenir est à la diversification des sources d’énergie utilisées dans les transports, avec une introduction progressive de carburants offrant de nettes améliorations sur le plan des émissions de CO2.

• Les biocarburants

Les carburants d’origine végétale, biodiesel pour le moteur diesel, Ethanol ou ETBE pour le moteur à essence, peuvent être mélangés aux carburants actuels, à des teneurs variables, sans dommage ni adaptation particulière du véhicule. En outre, les futures filières de production de biocarburants offrent de nouvelles perspectives en termes de coût et de volume. Ces carburants n’ont pas encore vocation à se substituer entièrement au pétrole mais ont actuellement un statut de composant, ajouté en mélange aux essence et gazole; l’objectif étant de passer de quelques pourcent à plus de 10 %. La production de biocarburants dans le monde s’élève actuellement à 20 millions de tonnes. Une énergie complémentaire non négligeable et qui représente un moyen de limiter les émissions de CO2 dans le secteur des transports.

Les biocarburants ont été encouragés par les pouvoirs publics suite aux deux chocs pétroliers des années 70. Après plus de 20 ans de développement industriel, ces carburants d’origine végétale sont à nouveau à la « une » de l’actualité, en raison notamment de leur bilan positif en matière de rejets de gaz à effet de serre.

Actuellement, les pouvoirs publics encouragent la mise en place de solutions efficaces permettant de gagner en autonomie vis-à-vis du pétrole et de réduire les émissions de gaz à effet de serre. Les biocarburants répondent à ce double objectif. C’est pourquoi la France et l’Union européenne ont décidé d’accélérer leur développement : une directive de la Commission européenne datant de 2003 fixe à 5,75 % (pourcentage en énergie) la part de biocarburants dans les essences et le gazole à l’horizon 2010. La France a pour sa part décidé en 2006 d’aller au-delà des directives européennes en se fixant des objectifs ambitieux d’incorporation de biocarburants dans les carburants : de 5,75 % en valeur énergétique dès 2008, 7 % en 2010 et 10 % à l’horizon 2015.

Pour rappel, 2 filières dominent aujourd’hui le marché :- l’éthanol, pour le moteur à essence, qui est issu de plantes sucrières (betterave, canne à sucre), du blé ou du maïs. Il est surtout utilisé au Brésil et aux États-Unis où il est mélangé à l’essence, respectivement à hauteur de 25 %, et de 10 % à 5 %, voire même à des teneurs supérieures à 85 %. En Europe, notamment en France, l’éthanol est incorporé à l’essence après transformation en ETBE (Ethyl tertio butyl éther). L’ETBE a l’avantage d’être mieux adapté aux moteurs et plus facile à distribuer que l’éthanol. Sa distribution est limitée à 15 % dans les essences, autrement dit, la présence d’ETBE ou non à la pompe est totalement transparente pour l’automobiliste;
– le biodiesel pour le moteur diesel : les biocarburants adaptés aux moteurs diesels sont produits à partir d’huile végétale de colza ou de tournesol (Europe) et de soja (États-Unis). Pour pouvoir alimenter les moteurs diesels, ces huiles sont transformées en EMHV (ester méthylique d’huile végétale) avec du méthanol. Le mélange des EMHV au gazole ne pose quasiment aucun problème. L’EMHV est aujourd’hui distribué à la pompe à hauteur de 5 % sans identification particulière.

L’utilisation des biocarburants permet une réelle réduction des émissions de gaz à effet de serre. De plus, utilisés en mélange, ils ne nécessitent pas de réseau de distribution spécifique ni d’adaptation des véhicules. Néanmoins, il reste quelques obstacles à leur diffusion : d’une part un coût plus élevé que celui des carburants fossiles, d’autre part une difficulté à les produire en quantités suffisantes (notamment pour répondre aux objectifs de la directive européenne) avec la concurrence du marché de l’alimentaire pour l’attribution des terres. Enfin, l’adaptation et la fiabilité des moteurs face à ces nouveaux types de carburants font l’objet de nombreuses études et de tests par les constructeurs.

• La biomasse

Pour pallier ces difficultés, de nouvelles filières de production de biocarburants sont à l’étude. Elles utilisent comme matière première la biomasse lignocellulosique : résidus agricoles (tiges de mais, pailles de céréales) et forestiers, cultures dédiées de peupliers notamment et déchets organiques comme les boues de stations d’épuration. Par ailleurs, la transformation en éthanol par la voie biochimique est étudiée. De même, pour le diesel, la transformation de cette biomasse en carburants synthétiques liquides selon le procédé Fischer-Tropsch fait l’objet de travaux de R&D un peu partout dans le monde. Ces filières présentent de nombreux avantages : des coûts potentiellement réduits, pas de compétition avec la filière alimentaire et pas de limites de volumes de production, pas de co-produits à valoriser. Mais des recherches sont encore nécessaires pour leur mise au point.

• L’énergie électrique

La voiture électrique apparaît sur le plan environnemental comme la solution « zéro émission ».

Or, l’impact sur l’environnement du véhicule dépend de la manière dont est produite l’électricité stockée à bord de ce véhicule. En France, le véhicule électrique est en quelque sorte « nucléaire », ce type de génération d’électricité étant très majoritaire. En Allemagne, ou plus encore au États-Unis, c’est un véhicule qui roule en grande partie au charbon (l’électricité y est surtout produite à partir de ce combustible fossile), d’où un bilan CO2 pouvant être plus mauvais que celui des solutions traditionnelles.

Le véhicule électrique présente une autonomie réduite et un temps de recharge important, ce qui semble devoir limiter son développement en l’absence de marge de progrès réelle. En effet, il ne recharge ses batteries qu’au rythme de 1 à 2 kilomètres d’autonomie par minute de recharge. Les batteries actuelles n’offrent qu’une centaine de kilomètres d’autonomie contre près de 1 000 km pour les véhicules diesel. Des progrès sont néanmoins en cours dans ce domaine. Des batteries avancées de type lithium-ion ou lithium-polymère, proposées par les groupes Dassault et Bolloré, devraient permettre une autonomie de l’ordre de 250 à 300 km (toujours avec un temps de recharge de plusieurs heures).

Après avoir développé le véhicule 100 % électrique et observé ses contraintes notamment en terme d’autonomie et de temps de recharge, les constructeurs français orientent désormais leurs recherches sur le véhicule hybride, en attendant que d’éventuels progrès réalisés sur les batteries soient en mesure de les faire revenir sur le développement de la voiture entièrement électrique.

• L’hydrogène

Sans autres émissions que de la vapeur d’eau à l’échappement, le véhicule fonctionnant à l’hydrogène peut apparaître comme une solution inépuisable et propre. Mais c’est oublier que l’hydrogène doit être produit à partir d’une source d’énergie et que le bilan CO2 de la filière est complètement dépendant de son mode de production.

Si un réseau de distribution d’hydrogène devenait disponible, on pourrait envisager son utilisation dans des moteurs à combustion interne dédiés à l’hydrogène. Cette solution est souvent imaginée comme une étape vers la pile à combustible puisqu’elle permet de commencer la validation de toute la filière hydrogène. Mais c’est sur la Pile à combustible (PAC) – qui offre un meilleur rendement énergétique que celui des moteurs traditionnels – alimentée à l’hydrogène que les constructeurs automobiles misent, même si de nombreuses difficultés demeurent pour sa mise en œuvre à grande échelle :

– mise en place d’infrastructures de production;
– émissions de CO2 lors de la production d’hydrogène à partir d’énergie primaire fossile (pétrole, gaz ou charbon);
– création d’un réseau de distribution;
– stockage de l’hydrogène à bord du véhicule;
– coût relativement élevé des piles.

En ce qui concerne le problème posé par l’émission de CO2 lors de la production d’hydrogène, on peut imaginer que l’énergie électrique, si elle est produite sans émission de CO2, pourra à terme se substituer à l’utilisation d’énergies fossiles.

Plusieurs programmes de recherche s’organisent autour de la PAC et s’organisent de différentes manières. En France, l’Agence nationale de la recherche (ANR), a retenu d’emblée le thème de l’hydrogène et en a défini les modalités de développement au sein du Plan d’action national sur l’hydrogène et les piles à combustible (PAN-H). Ce plan donne le cadre d’un partenariat entre les constructeurs automobiles et des instituts de recherche, notamment l’Institut français du pétrole (IFP). Dans un premier temps en effet, l’hydrogène devra être produit à partir de gaz naturel ou de produits pétroliers. Dans cette configuration, la PAC sera moins intéressante, du point de vue de l’émission des gaz à effet de serre, que les motorisations hybrides, voire les moteurs à injection directe. Il serait surprenant qu’en l’absence de cet argument environnemental, les constructeurs proposent des motorisations à base de PAC. Le premier travail sera donc de développer des méthodes propres de production d’hydrogène.

En Europe, la plate-forme technologique dédiée à l’hydrogène et aux piles à combustible, baptisée HFP Europe (European hydrogen and fuel cell technology platform), structure les efforts. Le CEA y participe au sein d’un groupe de trente personnalités, représentants d’institutions ou de groupes industriels, qui élaborent des recommandations en direction des États membres et de la Commission européenne, via un groupe-miroir en relation avec les gouvernements nationaux. Des sous-groupes techniques se chargent des normes, de la sécurité, de la production, etc. Au niveau mondial, la collaboration IPHE (International Partnership for the Hydrogen Economy) réunit 17 pays, dont la France. Les orientations y sont différentes, les participants ne se retrouvant pas tous sur les mêmes objectifs. Le CEA participe aux comités techniques.

En dépit de ces nombreux programmes de recherche, certains experts se montrent très réservés sur l’avenir de la pile à combustible. Ils pointent en effet le médiocre vecteur énergétique constitué par l’hydrogène en termes de coûts aux trois stades essentiels de sa mise en œuvre : sa production, sa logistique tant massive que capillaire et son stockage à bord des véhicules.

La PAC reste donc une option sur le long terme. Une production en série de véhicules à piles à combustible n’est pas envisageable au minimum avant les années 2040.

L’automobile française : Une filière majeure en mutation
Avis et rapports du conseil économique et social
République française