La mobilité électrique – un peu d’histoire

L’histoire de la mobilité électrique a presque 200 ans et nous sommes justes à l’aube d’un véritable déploiement. Cette histoire est chaotique, faite de succès, d’enterrements et de renaissances de durées plus ou moins courtes. Les premiers véhicules furent conçus à l’aide de moteur électrique (1830). Le premier moteur à explosion arrivât en 1855. A partir de ce moment, la concurrence avec le véhicule thermique fut féroce. C’est la fabrication massive de véhicule thermique grâce à Henry Ford qui permit de remporter le match. Crises pétrolières obligent, 2 soubresauts de courte durée intervinrent alors entre 1975 et 1990.

Mais c’est seulement depuis 2007 qu’un renouveau massif pour le véhicule électrique s’amplifie.

La mobilité électrique – pourquoi revient-elle sur le devant de la scène ?

Contexte

Notre soif incommensurable de développement, réalisé à l’aide de quantités énormes d’énergie, entraine des conséquences négatives sur la vie et sur notre planète. Nous le percevons de plus en plus, jour après jour. Certaines de ces énergies – le pétrole par exemple – viennent même à diminuer à un point tel que les industries de référence doivent organiser leur reconversion.

Forts de ces constats, les pays s’organisent pour inverser les effets négatifs que l’homme a généré sur sa planète. Au travers d’accords internationaux, comme l’Accord de Paris pour la maitrise du réchauffement climatique, chaque zone géographique met en place des engagements à respecter par les acteurs économiques.

Mesures

Par exemple, en Europe, la taxe CAFE oblige les constructeurs à vendre des véhicules neufs moins polluants. Sur l’ensemble de leurs ventes annuelles, le plafond de 130 g/km d’émission de CO2 de 2019 doit passer à 95 g/km en 2020, puis 85 g/km jusqu’à fin 2024. À partir de 2025, les émissions seront réduites de 15 % par rapport à 2021, et de 37,5 % à partir de 2030.

Depuis quelques années, grâce à une prise de conscience sur l’impact environnemental, la mise en œuvre de solutions de mobilité différentes s’accélère. C’est le cas du recours aux solutions de mobilité électrique. Trottinette, vélo à assistance électrique, gyropode, triporteur, véhicule léger, utilitaire, bus, poids-lourds, bateau et même avion, transforment leurs systèmes de motricité. Le recours à l’énergie électrique à l’aide de batterie ou de transformation de gaz (comme l’hydrogène) en électricité se généralise.

Mix électrique

L’électricité produite par les pays de la planète n’est pas toujours très décarbonée. Elle est encore beaucoup issue de centrales à charbon ou à gaz. Néanmoins, certains pays présentent des mix de production électrique intéressants, de plus en plus décarbonés.

Ainsi, le véhicule électrique génère en France, du fait de son profil de production énergétique décarboné, un impact positif sur les émissions de gaz à effet de serre.

La mobilité électrique – comment ça marche ?

La très vaste majorité des véhicules électriques (de la trottinette au bus électrique) fonctionne selon le même principe. L’énergie électrique est transférée dans une batterie qui alimente un moteur électrique pour faire avancer le véhicule.

La batterie

En mobilité électrique le critère n°1, c’est l’autonomie. Cela va se traduire par la mise en place d’un pack de batteries avec une capacité d’énergie globale exprimée en kilowatt-heure (kWh).

Aujourd’hui, les capacités énergétiques des batteries de véhicules électriques sont de l’ordre de 40 kWh en moyenne.

Quel que soit le fabricant, la technologie de la batterie est la même, c’est le lithium-ion, parce qu’aujourd’hui c’est la plus performante.

Le principe de fonctionnement est l’échange des ions lithium entre deux électrodes. Pour proposer le maximum d’énergie sur une batterie, il faut optimiser la différence de potentiel entre les 2 électrodes, en associant une électrode à forte tension à une électrode à faible tension.

Pour la faible tension, le lithium est un matériau idéal. Il est instable à l’air en tant que métal. Maintenant, cette contrainte est très bien maîtrisé. Utilisé sous forme d’un ion, de taille très petite, il circule très rapidement.

Pour la forte tension, l’oxygène est associée avec d’autres éléments chimiques sous la forme d’un oxyde solide. C’est le cas du cobalt, du nickel et du manganèse qui constituent un matériau d’électrode positive.

Au cours des cycles de charge et décharge de la batterie, l’ion lithium est très vite inséré puis dés-inséré d’une électrode positive. Puis il l’est de nouveau d’une électrode négative, à travers le liquide appelé électrolyte. Des feutres isolants séparent les 2 électrodes pour éviter un court-circuit. Ils sont aussi toujours imbibées au sein d’un réservoir qui maintient le contact avec les ions lithium.

Évolutions

Pour améliorer la performance, la capacité de recyclage, la fabrication plus soucieuse de l’environnement et des ressources utilisées, la recherche, très avancée sur les batteries bascule vers le monde industriel. D’ici 2-3 ans, les batteries seront 4 fois plus puissante à taille identique. Les métaux utilisés sont aussi peu à peu remplacés par des composants moins difficiles à extraire et plus communs, comme le sodium qui est abondant dans l’eau de mer. Autre amélioration, le remplacement de l’électrolyte liquide entourant cathode et anode par une substance plus stable et moins flammable.

Le transfert d’énergie dans la batterie

Pour recharger sa trottinette électrique ou son vélo à assistance électrique, la batterie se recharge sur une prise électrique domestique standard. Pour un véhicule, il pourrait en être de même, à condition de renforcer sa prise pour des raisons de sécurité. L’ennui, c’est que la recharge sur une telle prise délivre une puissance de l’ordre de 3,7 kW. Pour recharger sa batterie de 40 kWh, il faudrait 12-13h.

Les bornes électriques

Pour résoudre cela, on a inventé les bornes de recharge électriques. Elles offrent des capacités de puissance différentes, tout en tenant compte de la sécurité des personnes et des biens. Les fabricants les ont aussi dotées de capacité de communication. Cela permet de les piloter à distance. Et aussi de les maintenir sans être obliger d’y accéder et d’obtenir les informations lorsqu’une recharge est terminée. Il est par exemple possible de programmer ou de démarrer ultérieurement la charge selon des mécanismes externes, comme des contacteurs heures creuses ou un gestionnaire d’énergie du bâtiment.

Pour alimenter les bornes de recharge, il faut les relier au réseau électrique. Dans le cas de puissances délivrées élevées, l’infrastructure nécessaire est plus importante, car il faut pouvoir délivrer de fortes tensions et ampérages au point de transfert d’énergie, tout en sécurisant et assurant la qualité du processus.

Pour les puissances inférieures ou égales à 22 kW, le courant alternatif ou AC est utilisé. Dans le cas de fortes puissances, à partir de 50 kW, on recourt au courant continu ou DC.

La recharge complète d’un seul
véhicule électrique pour 125 km…
… appelle une puissance équivalente à
Charge normale (3,7 kW) : en 8 heuresun chauffe-eau
Charge accélérée (22 kW) : en 1 heureUn petit collectif de 7 à 8 logements
Charge rapide (50KW) : en ½ heureUn immeuble collectif de 20 logements
Chargeur Tesla (120KW) : en ½ heure pour 300 KmUn immeuble collectif de 50 logements

Le moteur électrique

Globalement, le principe du moteur électrique est simple. C’est la raison pour laquelle, il ne suscite pas beaucoup de maintenance et est extrêmement robuste.

Un stator et un rotor constitue le moteur électrique. Le stator crée une magnétisation dans le sens de la longueur à l’aide d’enroulements ou d’aimants. Le rotor est constitué de bobines reliées à un collecteur rotatif qui maintient fixement la direction transversale de magnétisation du rotor lorsqu’il tourne. Les 2 magnétisations, rotorique et statorique, sont toujours décalées de façon optimale. Elles provoquent un couple selon la loi bien connue : un pôle nord attire un pôle sud. Cela permet la rotation du rotor et d’entrainer ensuite des roues ou autre élément roulant.

La mobilité électrique – quels sont les acteurs et leurs rôles ?

En réalité, c’est un système de mobilité électrique complet qui se construit.

Le système de mobilité électrique

Pour le comprendre, prenons cette visualisation :

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Description générée automatiquement

Le constructeur automobile fabrique un véhicule électrique qu’il vend à un nouveau conducteur heureux. Celui-ci va se charger sur une infrastructure de recharge dotée de bornes. C’est l’opérateur d’infrastructure de recharge qui pilote l’infrastructure de recharge. Celui-ci se fait distribuer de l’énergie électrique qu’il a souscrite auprès d’un fournisseur d’électricité. Ce dernier va lui-même acheter son électricité auprès d’un producteur, qu’il soit local, régional, national ou international.

Quand vous êtes dans une maison, c’est le propriétaire de la maison qui joue le rôle d’opérateur d’infrastructure. Il possède sa borne, souscrit un contrat d’électricité lui permettant de recharger sa voiture électrique. Par exemple, un contrat spécifique lie les conditions d’usages d’électricité de sa maison avec heures creuses et pleines et recharges de son véhicule. Le propriétaire peut même se doter d’un panneau photovoltaïque pour baisser la facture.

L’itinérance

Quand vous êtes en déplacement et que vous souhaitez recharger votre véhicule électrique, on dit que vous êtes en itinérance. Par simplification, un opérateur de mobilités vous fait une offre pour accéder à des milliers de bornes partout en Europe. Après identification à la borne de votre choix, votre session de charge démarre. Vous êtes facturé en fin de mois pour toutes les recharges réalisées en itinérance. Les opérateurs de mobilités sont de moins en moins nombreux car la filière mobilité électrique se concentrent. Total, Engie, EDF, Shell sont devenus par exemple des opérateurs de mobilité.

La facilité d’itinérance offerte à l’utilisateur du véhicule électrique est assurée grâce aux technologies télécoms et informatiques. Un acteur joue le rôle d’intermédiaire entre celui qui opère la station de recharge et l’opérateur de mobilité auprès duquel vous avez un contrat… et des factures. En France, ce rôle intermédiaire est celui de Gireve qui fournit ses services et sa plateforme logicielle.

La mobilité électrique – nouveaux véhicules, nouveaux usages

Le développement de la mobilité électrique est assuré grâce à un double effet, un travail sur l’offre et un autre sur la demande.

Contraintes environnementales et réglementations

Les contraintes environnementales imposées aux constructeurs via la taxe CAFE permettent l’arrivée de nombreux modèles pour satisfaire une gamme de clientèle de plus en plus large.

Contraintes identiques pour le verdissement des flottes de véhicules d’entreprises privées ou publics.

Les zones urbaines soumises à pollution atmosphérique excessive limitent l’accès aux véhicules propres, favorisant la mobilité électrique.

Pour favoriser l’infrastructure permettant de recharger les véhicules électriques, de nouveaux textes législatifs imposent l’installation de bornes sur les parkings privés et publics.

Aides et incitations

Déploiement de plusieurs mesures incitatives :

  • Bonus et primes, nationales et locales, en faveur de l’achat de véhicules électriques neufs pour les particuliers et les entreprises.
  • Assouplissement fiscal pour encourager les initiatives des entreprises pour la mobilité électrique (taxes aménagées, avantages sociaux sur les recharges, conversion de flottes, revente aux salariés, etc.).

Financement, innovation et production

Des mécanismes financiers basés sur la conversion de certificats d’énergie, permettent d’accélérer le financement des infrastructures de recharge. Elles seront nécessaires pour assurer la confiance des conducteurs.

En décembre 2018, les ministres de l’économie français et allemand ont signé un engagement afin d’accroître les capacités industrielles de leurs territoires au service de l’UE. Et également pour soutenir une filière européenne de production de batteries plus vertueuse pour l’environnement et la santé publique. L’Allemagne a mis un milliard d’euros en subvention industrielle, la France devrait mettre 700 M€. Le Président de la République a déclaré : « en tant que président de la France, je ne peux pas être satisfait d’une solution où 100% des batteries de mes voitures électriques sont produites en Asie ». Des usines sont en cours d’installation dans les 2 pays.

Pour faciliter la croissance de filière mobilité électrique locale, les pouvoirs publics ont mis en place des mécanismes favorisant l’innovation autour des technologies de véhicules décarbonées. La production de l’ensemble des composants de la chaine de valeur au plus près de l’utilisateur est en effet beaucoup plus vertueuse pour tenir les engagements climatiques.

Évolution des usages

Même si le Véhicule Électrique apporte une ambiance plus zen, conduire un véhicule électrique, c’est différent. Cela amène une façon différente de voyage, plus apaisée. Quand recharger ? Comment organiser son voyage ? Combien de temps pour faire un trajet ? Quand l’énergie est -elle la plus intéressante économiquement ? Toutes ces composantes nécessiteront adoption et accompagnement. C’est d’ailleurs une nouvelle approche dans la communication pour éduquer habilement sur cette expérience de mobilité électrique qui devient un des principaux enjeux (Je roule en électrique).

La mobilité électrique – contribution écologique et nouvelles solutions

La mobilité électrique dans son ensemble continue de progresser. Nous allons avoir accès à plus de fonctionnalités, plus de facilités dans l’usage.

La mobilité électrique joue un effet de levier important sur la manière de consommer l’énergie.

Gestion du réseau électrique

La principale conclusion d’un rapport récent du think tank européen Transport & Environment affirme que l’arrivée massive de véhicules électriques pourraient permettre à la France, l’Italie, l’Espagne et au Royaume-Uni d’économiser entre 0,5 et 1,3 milliard d’euros par an. Ce sera réalisé en intégrant les énergies renouvelables avec les véhicules électriques sur le réseau grâce à des technologies de recharge intelligente.

Le véhicule électrique sera ainsi le catalyseur principal dans la transition vers une infrastructure énergétique à très faible teneur en carbone. La recharge intelligente peut jouer pour diminuer les pics de consommation d’électricité. Elle permet aussi de fournir des éléments de stockage supplémentaire sur le réseau électrique lorsqu’il y a une surproduction d’électricité renouvelable. Cela a pour impact de réduire le nombre de systèmes de stockage et des centrales de production supplémentaires, tout en garantissant au réseau son équilibre.

Mais pour pouvoir en tirer pleinement parti, et générer les économies correspondantes, les États membres de l’Union Européenne doivent s’assurer que le maximum de nouvelles infrastructures de recharge de véhicules électriques garantisse un pilotage intelligent.

Dans la lignée des études récentes, comme celle de l’AVERE et de RTE, les analystes confirment que loin de surcharger les réseaux, les véhicules électriques pourraient épargner des investissements coûteux et faciliter l’intégration des énergies renouvelables. Par exemple, recharger un véhicule électrique pendant la pause méridienne dans une zone très ensoleillée. Et à l’inverse, utiliser la batterie quasi-pleine d’un véhicule électrique pour décharger l’électricité dans le réseau quand la demande est forte, est intéressant.

Un cycle de vie long

L’utilisation d’anciennes batteries de véhicules électriques pour faire de ces batteries de seconde vie des systèmes de stockage de l’énergie permet de pérenniser le plus longtemps possible l’utilisation de matériaux. A leurs fins de vie, les processus de recyclage, élaborés en circuit court, commencent déjà à démontrer l’intérêt de boucler une réutilisation quasi-complète des composants pour les véhicules électriques neufs, et dans d’autres usages pour les éléments restants.

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