La voiture de demain : carburants et électricité.

De
Ce rapport a pour objectif d'étudier, pour la vingtaine d'années à venir, les perspectives de développement des véhicules grand public à motorisation électrique, véhicule hybride rechargeable ou non, véhicule électrique, avec une attention particulière pour les données technico-économiques relatives aux batteries. Il examine également les conditions dans lesquelles pourraient se développer les différents types de véhicules, en prenant comme référence les évolutions probables du véhicule thermique.
Beeker (E), Bryden (A), Buba (J), Le Moign (C), Syrota (J), Von Pechmann (F). Paris. http://temis.documentation.developpement-durable.gouv.fr/document.xsp?id=Temis-0069796
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RAPPORTS Juin 2011& DOCUMENTS
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Développement durable
Rapport de la mission présidée parJean Syrota
Avec la participation de laDirection générale de la compétitivité, de l'industrie et des services (DGCIS)
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  La voiture de demain : carburants et électricité      
Jean Syrota Président  Philippe Hirtzman, CGIET  Dominique Auverlot, CAS Coordonnateurs    Juin 2011       Avec la participation de la DGCIS, Direction générale de la compétitivit é, de l’industrie et des services, ministère de l’Économie, des Finances et de l’Industrie  
 
 
                  
    
 
 
 
 
 
 
Rapporteurs  Étienne Beeker, CAS  Alan Bryden, CGIET  Johanne Buba, CAS  Caroline Le Moign, CAS Felix Von Pechmann, Mines ParisTech   avec le concours de Gaëlle Hossié, CAS
Avertissement  Ce rapport a pour objet d’étudier, pour la vingtaine d’années à venir, les perspectives de développe ment des véhicules grand public à motorisation électrique – véhicule hybride rechargeable ou non, véhicule électrique – avec une attention particulière pour les données technico-économiques relatives aux batteries. Il examine également les cond itions dans lesquelles pourraient se développer les différents ty pes de véhicules, en pr enant comme référence les évolutions probables du véhicule thermi que. Ces évolutions ont été présentées dans le rapport du Centre danalyse stratégique (2008), Perspectives concernant le véhicule « grand public » dici 2030, disponible sur le site Internet du Centre, rubrique Publications. 
 
Avant-propos
Le système automobile tel qu’il s’est bâti au fil du XXe siècle n’est plus soutenable. La raréfaction des ressources pétrolières, la réduction nécessaire des émissions de gaz à effet de serre, la congestion de nos métropoles, tout incite à le repenser, d’autant que le parc automobile mondial ne cesse de s’étendre, alimenté par la forte croissance des pays émergents.  Une première approche consiste à revoir l’usage que nous faisons de la voiture, en développant l’autopartage et le covoiturage, en promouvant partout où c’est possible les transports en commun ou le vé lo. Ces « nouvelles mobilités » ont fait l’objet d’un récent rapport du Centre d’analyse stratégique1. Une seconde approche pourrait imposer une rupture plus radicale : l’abandon du moteur thermique, grand consommateur de pétrole, au profit du moteur électrique. Le groupe de travail présidé par Je an Syrota avait pour mission d’étudier les probabilités d’une telle révolution, alors que la plupart des constructeurs automobiles se sont lancés dans une course à l’innovation dans ce domaine.  Les obstacles ne manquent pas. Il y a tout d’abord le prix, les modèles de véhicules électriques étant aujourd’hui encore relativement coûteux par ra pport à leurs équivalents thermiques. Surtout, l’autonomi e demeure leur talon d’Achille avec en particulier la contrainte de recharges fréquentes. À l’heure actuelle, il n’existe pas sur le marché de batterie à la fois peu onéreuse, fiable sur le plan technique, disposant d’une grande autonomie et d’une longue durée de vie. Les laboratoires y travaillent activement et un certain nombre de pistes paraissent prometteuses à terme, notamment les batteries lithium-air. L’usage des véhicules électriques pourrait ainsi se développer progressivement, d’abord dans des marchés spécialisés – flotte s d’entreprises, véhicules de transport en commun ou services postiers, par exemple –, puis plus largement, au fur et à mesure que les innovations technologiques le permettront.  
                                                     (1) Centre danalyse stratégique (2010), Les nouvelés. ilitter Adapm bosedom selebiux aaulmoto de vie de demain, rapport de la mission présidée par Olivier Paul-Dubois-Taine, Paris, La Documentation française, décembre.
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La voiture de demain 
- Avant-propos -
Ces véhicules auront l’immense mérite de co ntribuer à réduire la pollution dans nos métropoles. Bien entendu, comme le souligne le rapport, on ne peut pas à proprement parler les désigner comme « zéro émission ». Une voiture électrique ne pollue pas lorsqu’elle roule, mais le bilan environneme ntal global doit prendre en compte la production de l’électricité consommée (ainsi que celle utilisée pour la fabrication de la batterie) et dépend donc du mode de production électrique de chaque pays.  Quant au véhicule thermique, il n’a certainement pas épuisé ses marges d’amélioration. Dans les années 1950, une grosse voiture américaine ingurgitait 30 litres d’essence sur 100 km, une Citroën DS dans les années 1970 buvait encore 12 litres sur la même distance, nos berlines modernes se contentent de 6 litres... Le moteur thermique devrait encore voir son efficacité énergétique quasiment doubler dici à 2030. Le downsizing, linjection directe, la commande électromagnétique des soupapes devraient diviser par deux les émissions de CO2. Ces voies d’amélioration joueront un rôle crucial à court-moyen term e : selon les constructeurs, la voiture à moteur thermique devrait représenter enco re près de 90 % des ventes en 2020.  On devrait donc assister à une électrificat ion progressive du véhicule thermique. Les systèmes « stop and start » coupent le moteur lorsque la voiture est à larrêt et le redémarrent ensuite (ou, dans une version am éliorée, le coupent sous le seuil des 10-20 kilomètres/heure) : dans les zones cong estionnées, ces systèmes réduiraient les consommations de 20 % à 25 %. Les véhicu les hybrides, qui associent un moteur thermique et un moteur électrique (celui-c i fonctionnant à faible vitesse), sont également appelés à se développer, dans un premier temps sur le marché haut de gamme.  Les pouvoirs publics peuvent accélérer la transition de plusieurs manières. Il est évidemment souhaitable d’investir dans la recherche de long terme, notamment sur les batteries lithium-air. Par le jeu des incitations et des réglementations (à l’achat ou à l’usage) il est également possible de favorise r les véhicules tout électriques mais aussi les hybrides. Enfin, la puissance publique est seule à même d’instaurer les normes et les réglementations qui encadreront le déve loppement des infrastructures nécessaires aux véhicules électriques de demain (normes des prises et bornes de recharge).  La grosse berline routière et électrique ne sera peut-être pas pour demain. En revanche, notre environnement urbain pou rrait rapidement accueillir des véhicules légers électriques, à deux, trois ou quatre roues, qui feront évoluer notre conception des déplacements. Les Chinois ont ainsi mis en circulation plus de 120 millions de vélos électriques en quelques années… Il est clair que les formes de mobilité sont appelées à changer profondément, en France et dans le monde, au cours des années à venir : ce rapport n’a d’autre but que de contribuer à préparer, et accompagner, cette évolution.  
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Sommaire
Les grandes or ientations .......................................................................9 
Les préconisations...............................................................................19
Quelques définition s en préambule......................................................23
 
Introduction Pourquoi parle-t-on à nouveau du véhicule électrique ? ......................25
 
Chapitre 1 Recherche batterie sûre, peu ch ère, avec grande autonomie et longue duré e de vie .........................................................................37
1. Un historique de l’évolution des batteries et de leurs applications au véhicule électrique............................................................................................... 38 1.1. Les accumulateurs au plomb ont marqué les débuts des véhicules électriques à la fin du XIXesiècle .............................................................................................................. 38 1.2. Au début du XXesiècle, les batteries nickel-fer sont à l’origine d’une deuxième génération de véhicules électriques....................................................................................... 42 1.3. Les batteries nickel-cadmium apparaissent au début du XXesiècle mais ne sont vraiment utilisées dans les véhicules électriques que dans les années 1990 ....................... 42 1.4. Les batteries nickel-hydrure métallique constituent désormais le standard des véhicules hybrides......................................................................................................... .. 43 1.5. D’autres batteries ont été étudiées au cours du XXesiècle mais n’ont pas réussi à trouver leur application dans le domaine du transport ....................................................... 45 1.6. Les principaux accumulateurs classiques n’offrent qu’une autonomie de quelques dizaines de kilomètres aux véhicules électriques .................................................................. 46  2. Les batteries au lithium : une technologie porteuse de progrès .............................. 48 2.1. ..................................... 49 un risque d’incendie présententCertaines batteries au lithium 2.2. ncurrence ................................................................ 51Plusieurs technologies sont en co 2.3. in .................................................................................................Les batteries de dema 55  3. Les matières premières entrant dans la fabrication des véhicules électriques : des contraintes plus géopolitiques que de ressources............................................ 63 3.1. Des tensions possibles sur l’approvis ionnement en lithium à court-moyen terme, le temps que l’offre s’adapte à la demande ................................................................... 64 3.2. D’autres matériaux ou métaux inquiètent davantage..................................................... 66 3.3. Le monopole chinois sur la fourniture des terres rares ...... ............................................ 67  4. Le recyclage des batteries lithi um-ion est techniquement possible mais non rentable actuellement ............................................................................... 68 4.1. Les techniques de recyclage des batteries lithium-ion : entre voie thermique et voie chimique .............................................................................................................. 6 9 4.2. Les principaux déterminants de la rentabilité économique...... ...................................... 70
 
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5. La compétition industrielle es t dominée par les pays asiatiques............................. 72 5.1.Le marché actuel des accumu lateurs est dominé par les pa ys asiatiques ................... 72 5.2. Les batteries du futur donnent lieu à de vastes programmes de recherche, notamment au Japon ...................................................................................................... 73 5.3. Aux États-Unis, les programmes de recherche s’accompagnent d’aides financières à l’industrie.................................................................................................................. .... 74  Conclusion : la nécessité d’un saut technologique ...................................................... 75  Chapitre 2 Les performances actuelles des véhicules électriques.........................81
1. Autonomie ................................................................................................................ 81 1.1. Les cycles normalisés existants ne reflètent pas de façon adéquate les consommations et l’autonomie des véhicule s électriques ....................................... 81 1.2. Impact de la vitesse et de la pente sur la consommation d’un véhicule électrique....... 87 1.3. L’autonomie du véhicu le électrique dépend de l’utilisation des auxiliaires, spécialement du chauffage et de la climatisation .......................................................... 91 1.4. L’autonomie réelle de s véhicules électriques dépendra beaucoup de l’usage qu’en feront les utilisateurs..... ........................................................................................ 94 1.5. Des systèmes performants d’inform ation des conducteurs sont en cours de développement .......................................................................................................... 97  2. Puissance, accélération, vitesse, rédu ction de la pollution et du bruit .................... 98 2.1. Les moteurs électr iques permettent une ac célération très linéaire et puissante grâce à un couple élevé disponible immédiatement ................................. 98 2.2. Les véhicules électriques pourra ient réduire les niveaux de pollution dans les zones urbaines................................................................................................ 100 2.3. Le bruit .................................................................................................................. ........ 102
 
Chapitre 3 Le VE est-il plus écono mique que le VTh ? ........................................ 109
1. Le prix d’achat et les coûts d’ut ilisation restent un facteur déterminant de succès pour un modèle..................................................................................... 109  2. Prix des batteries, kilométrage annuel, prix de l’énergie et taux d’actualisation sont les paramètres déterminants.......................................................................... 110  3. Les coûts de revient kilométriques du VE et du VTh ne sont comparables qu’à une double condition .................................................................................... 114  4. La compétitivité du VE se dégrade rapi dement si l’on s’écarte des hypothèses de référence ........................................................................................................... 115  5. La Renault Fluence ZE a un coût comp arable à son équivalent diesel grâce au super bonus de 5 000 euros et à condition de parcourir plus de 15 000 km/an .. 121  6. À son prix actuel, malgré le supe r bonus, la Peugeot iOn ne semble pas en mesure de concurrencer ses équivalents thermiques ...................................... 125  7. Économie des véhicules hybrides (VH) et hybrides rechargeables (VHR).............. 130  8. Les émissions de CO2du véhicule électrique résultent du contenu en carbone de l’électricité qu’il consomme et des batteries qu’il utilise................................... 135  9. L’exemple du projet Autolib’ .................................................................................. 139
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Chapitre 4 Réglementation, normes et standards pour le déploiement du véhicule électrique ........................................................................ 143
1. Le déploiement à grande échelle du véhicule électrique suppose une action volontariste en matière de réglementation et de normalisation ............................. 143  2. L’imbrication entre la réglementation , la normalisation et les standards............... 144 2.1. La référence aux normes dans les réglementations ............... ...................................... 145 2.2. Un contexte réglementaire qui doit être adapté pour le véhicule électrique................ 146  3. Normes et standards.............................................................................................. 153 3.1. La normalisation européenne et internatio nale est encore largement en chantier ...... 153 3.2. Des divergences et une pluralité de solutions pour les prises, les connecteurs et les câbles .................................................................................................................. 155 3.3. Des normes d’essais et de performances à compléter pour évaluer la sécurité et les performances des batterie s ................................................................................ 158 3.4. Des travaux à accélérer pour définir et harmoniser les protocoles et modalités de communication ........................................................................................................ 160 3.5. Des mandats européens de normalisatio n qui sont vitaux pour ouvrir un marché domestique significatif à l’indust rie européenne .......................................................... 161 3.6. Une position française en principe forte dans la normalisation européenne et internationale mais pénalisée par les divergences stratégiques des constructeurs nation aux ........................................................................................ 162 3.7. Des standards qui sous-tendent des modèles alternatifs de déploiement du véhicule électrique ................................................................................................... 162  4. Recommandations ................................................................................................. 163
 
Chapitre 5 Demande et marché potentiel des véhicules él ectriques ................... 167
1. Entre croissance forte dans les pays émergents et saturation de la demande dans les pays développés...................................................................................... 167 1.1. La crise économique fait ressortir le caractère atone du marché automobile dans les pays développés ............................................................................................ 167 1.2. Les pays émergents sont porteurs d’une forte demande, pas nécessairement écologique .................................................................................................................... 1 70 1.3. La transformation des co mportements des consommateur s est contrastée .............. 171  2. Les contraintes qui risquent de peser sur les consommateurs ............................. 173 2.1. Le prix demeure le principal facteur d’achat . ............................................................... 174 2.2. Les contraintes propres aux nouvelles mo torisations façonneront leur utilisation ...... 175  3. Comment sortir de la consommation de niche ? ................................................... 176 3.1. Une ouverture à la prestation de services ? .. ............................................................... 176 3.2. Une ouverture à la demande de deux-roues électriques ? .......................................... 177 3.3. Cibler le consommateur pote ntiel................................................................................. 178  
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ANNEXES
 
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 Annexe 1 Les batteries au lithium ........................................................................................ 183
Annexe 2 Le moteur thermique à essence ou diesel, en constante évolution, a encore un bel avenir devant lui .......................................................................... 209
Annexe 3 Les perspectives de progrès commun s à tous types de véhicules...................... 219 
Annexe 4 Synthèse d’une mission effectuée en Ch ine et au Japon en novembre 2010.......... 245 
Annexe 5 Liste des personnes auditionnées .............................................................................. 251
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Les grandes orientations  
1 euloicqigot soue eitiq polan,ltaoietnr tnienemnnrovienn  U en forte évolution  Le contexte international se caractérise par la perspective d’une forte croissance des parcs automobiles des pays ém ergents, en premier lieu la Chine et l’Inde. Il est également marqué par les anno nces de plusieurs construc teurs mondiaux concernant la mise sur le marché de véhicules électri ques. Trois grands pays asiatiques occupent d’ores et déjà des positions fortes dans le domaine des batteries : depuis une quinzaine d’années, grâce à l’avance prise avec les ordinateurs et les téléphones portables, le Japon, la Corée du Sud et la Chine ont réussi à concentrer l’essentiel de la production mondiale des batteries , notamment celles à base de lithium, considérées actuellement comme la voie d’avenir à moyen terme en matière de stockage d’énergie électrique embarquée.  Les intentions politiques en faveur des véhicules « décarbonés » (tout électriques et hybrides rechargeables) se sont intensifiées. Dans un contexte de mise en tension collective permanente par le défi climatique (rapports du GIEC1et de l’OCDE, plans et directives de la Communauté européenne, conférences de Copenhague et de Cancun) et par la hausse du prix du pétr ole perçue comme durable, des mesures sont prises dans différents pays en faveur des énergies nouvelles, des véhicules « décarbonés » et de nouveaux projets de mobilité.  Le contexte sociologique a évolué et peut être une source de surprises. L’opinion publique des pays industrialisés – en part iculier la France –, sans doute désorientée par une communication publique foisonnant e et par une multitude d’initiatives industrielles peu coordonnées (variété des st ratégies industrielles, normalisation en cours d’élaboration, etc.), semble s’accou tumer à l’idée que les habitudes de mobilité vont changer. Le mode de possession d’un véhicule est remis en cause et le modèle social qui l’accompagne semble atteindre se s limites (encombrements de circulation, pollution urbaine, peut-être prix des carbu rants). Dans ce cont exte, des sondages réalisés depuis deux ans font apparaître qu e les trois quarts des Français se déclarent prêts à acquérir un véhicule électrique, sous réserve qu’il ne coûte pas plus cher qu’un véhicule conventionnel équivalent et qu e le handicap de l’autonomie soit réduit. En revanche, en dehors des configurations urbaines spécifiques (qui concentrent quand même près de la moitié du parc auto mobile), la voiture particulière représente un « accessoire de vie » incontournable, synonyme de mobilité personnelle et de liberté, voire d’outil de travail indispensable.   
                                                     (1) GIEC : Groupe d’experts intergouvernemental sur l’évolution du climat.
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