Efficacité énergétique des voitures électriques

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L'efficacité énergétique des voitures électriques est le rapport entre le déplacement effectué par une voiture électrique et l'énergie dépensée pour le réaliser. Cette efficacité énergétique de transport se mesure généralement par l'énergie consommée, exprimée en kilowatt-heure pour 100 kilomètres parcourus, c'est-à-dire en kWh/100 km. Ce rendement énergétique est difficile à établir, car il dépend de nombreuses hypothèses relatives au chauffage, à la climatisation, à la récupération de l'énergie du freinage et à la masse du véhicule. C'est ainsi que le rapport entre l'efficacité énergétique des voitures électriques et des voitures thermiques va de 2,5 à 4 selon les sources utilisées.

Les discussions actuelles semblent porter davantage sur les émissions de CO2 que sur la consommation énergétique. Aux hypothèses évoquées s'ajoutent alors celles liées aux stations de recharge et à la production d'électricité, donc au mix électrique du pays considéré et à son contenu moyen en CO2. En raison de la multiplicité des situations, aucun consensus ne se dessine en 2020, même si pour la majorité des études, l'avantage va au véhicule électrique. Il ressort des données disponibles que, dans le cas des voitures thermiques, les rejets de CO2 sont approximativement une fonction linéaire de la consommation. Dans le cas des voitures électriques, le même CO2 baisse plus que proportionnellement en fonction de la consommation, car l'électricité est supposée être progressivement plus décarbonée.

Consommations[modifier | modifier le code]

La consommation minimale d'une voiture électrique, d'après le département de l'Énergie des États-Unis, est de 16,8 kWh/100 km dans le cas de la BMW i3[1]. Le site allemand heise autos obtient, quant à lui, la valeur minimale de 15,0 kWh/100 km également dans le cas de la BMW i3[2], en accord avec le chiffre moyen retenu par le site dd magazine[3]. Dans une étude de l'université technique de Dresde, la consommation moyenne des véhicules électriques est estimée à 15 kWh/100 km[4]. Enfin, l'Association nucléaire mondiale estime que les consommations des véhicules électriques vont de 13 à 20 kWh/100 km, la moyenne s'établissant autour de 15 kWh/100 km, sans chauffage ni climatisation[5]. La consommation de la Renault ZOE est estimée par heise autos à 14,8−15,7 kWh/100 km[6]. Les valeurs réelles de consommation seraient de 15 à 20 kWh/100 km[7], avec de forts écarts en période de chauffage ou de climatisation et selon le style de conduite[8]. Selon Florian Kobloch et al., cette valeur est actuellement de 19 kWh/100 km[9]. L'association négaWatt fait l'hypothèse d'une consommation moyenne de 18 kWh/100 km[10]. Pour The Shift Project, la valeur moyenne est de 16 kWh/100 km[11].

Le site Spritmonitor[12] et l'ADAC[13] allemande proposent un classement des voitures électriques les plus économes, à partir de consommations constatées ou mesurées. La consommation du véhicule n'est pas tout, car les pertes lors de la charge sont à prendre en compte : « avec un moteur à essence, cela reviendrait à renverser quelques litres au moment de faire le plein »[13]. Cette perte lors de la recharge irait de 9,9 à 24,9 %[14].

Pour comparaison, le cas extrême d'une voiture électrique minimale est un vélomobile à assistance électrique. Il s'agit d'un tricycle procurant une assise semi-couchée confortable, entièrement entouré d'un carénage aérodynamique. Sa consommation est de 0,7 kWh/100km pour des vitesses réglementaires de l'ordre de 50 km/h[Note 1] (en utilisant le moteur seul, sans les pédales). Pour ce type de véhicule très léger (une trentaine de kilogrammes), la masse de l'ensemble mobile est dominée par celle du conducteur, l'énergie dépensée sert donc principalement à mouvoir celui-ci, plutôt que la masse du véhicule lui-même comme c'est le cas habituellement.

États-Unis[modifier | modifier le code]

Voiture électrique Tesla.

Le tableau suivant compare les classements officiels d'économie de carburant pour les véhicules tout électriques évalués par l'Environmental Protection Agency (EPA) en novembre 2016[15],[16] par rapport aux véhicules hybrides rechargeables à longue distance les plus énergétiquement efficaces (Chevrolet Volt deuxième génération), aux véhicules hybrides essence-électricité (Toyota Prius Eco, quatrième génération)[17],[18],[19] et aux véhicules neufs moyens 2016 de l'EPA, dont la consommation de carburant est de 9,4 L/100 km[15],[17].

Tableau synoptique[modifier | modifier le code]

Consommation d’énergie en kWh/100 km
Véhicule Modèle (année) Cycle combiné Ville Autoroute
Hyundai Ioniq Electric 2017 15,7 14,0 17,5
BMW i3 (60 A,h) 2014/2015/2016 17,2 15,6 19,3
Scion iQ EV 2013 17,7 15,5 20,4
Chevrolet Bolt EV 2017 17,7 16,7 19,0
Chevrolet Spark EV 2014/2015/2016 18,0 16,7 19,6
BMW i3 (94 A,h) 2017 18,1 16,6 20,2
Honda Fit EV 2013/2014 18,1 16,2 20,4
Fiat 500e 2013/2014/2015 18,4 17,5 19,8
Volkswagen e-Golf 2015/2016 18,4 17,0 20,4
Nissan Leaf (24 kWh) 2013/2014/2015/2016 18,7 17,0 21,0
Mitsubishi 2012/2013/2014/2016 19,1 17,0 22,0
Nissan Leaf (30 kWh) 2016 19,1 17,2 21,0
Fiat 500e 2016 19,1 17,7 21,0
Smart electric drive 2013/2014/2015/2016 20,0 17,5 23,0
Kia Soul EV 2015/2016 20,4 18,0 23,0
Ford Focus Electric 2012/2013/2014/2015/2016 20,4 19,0 22,0
Tesla Model S AWD-70D 2015/2016 21,0 21,0 21,0
Tesla Model S AWD-85D 2015/2016 21,0 22,0 20,2
Tesla Model S AWD-90D 2015/2016 21,0 22,0 20,2
Tesla Model S (60 kWh) 2014/2015/2016 22,0 23,0 22,0
Tesla Model S AWD-P85D 2015/2016 23,0 24,0 22,0
Tesla Model S AWD-P90D 2015/2016 23,0 24,0 22,0
Tesla Model X AWD-90D 2016 23,0 24,0 23,0
Tesla Model X AWD-P90D 2016 24,0 24,0 24,0
Tesla Model S (85 kWh) 2012/2013/2014/2015 24,0 24,0 24,0
Mercedes-Benz B-Class Electric Drive 2014/2015/2016 25,0 25,0 26,0
Toyota RAV4 EV 2012/2013/2014 28,0 27,0 29,0
BYD e6 2012/2013/2014/2015/2016 34,0 35,0 33,0

Production d'électricité[modifier | modifier le code]

Le charbon compte pour 36,4 % de la production mondiale d'électricité en 2019 ; au total, 62,8 % de la production mondiale d’électricité est carbonée en 2019[20]. En France, où la production d'électricité est principalement d'origine nucléaire, les émissions de CO2 liées ont été, en 2015, de 23,1 Mt pour 546 TWh, soit 0,06 kg(CO2)/kWh[21],[22].

Le facteur entre l'énergie primaire et l'énergie finale (CEP) vaut 2,58 en France (bientôt 2,3 avec l'entrée en vigueur de la réglementation thermique 2020[23], voir Énergie grise#Électricité), et 1,8 en Allemagne, en raison du fort développement des énergies renouvelables. En effet, le CEP d'une énergie renouvelable est égal à 1, par convention (voir Bilan énergétique (statistique)#Conventions sur les énergies primaires). L'éco-comparateur de l'Union internationale des chemins de fer EcoPassenger (établi en collaboration avec l'Agence internationale de l'énergie) annoncerait une efficacité de 29 % de l'électricité utilisée dans les transports en France[24], ce qui correspondrait à un CEP de 3,45. Le CEP de 2,58 est lui une moyenne dominée par des centrales thermiques (nucléaires ou à combustible) dont le rendement avoisine les 30 %. Or, certaines centrales à combustibles fossiles, à cycle combiné, atteignent un rendement de 60 %. Certaines études sur les réacteurs nucléaires de quatrième génération portent sur des variantes à haute température, dont le rendement avoisinerait 50 %[25]. Enfin, le rendement peut encore être amélioré, moyennant des dépenses d'infrastructure, en exploitant la chaleur résiduelle des centrales thermiques au travers de la cogénération[26]. Elle peut notamment alimenter un réseau de chaleur pour chauffer les bâtiments[27].

Selon une étude parue dans Nature en 2020, même à supposer que le contenu en carbone de l'électricité ne présente pas d'amélioration, il y a quand même intérêt à passer aux voitures électriques pour les transports, et aux pompes à chaleur pour les bâtiments[9]. L'Agence internationale de l'énergie aboutit à la même conclusion. Elle envisage entre autres, pour décarboner l'électricité, la séquestration du CO2[28]. En matière de changement climatique et de qualité de l'air, les voitures électriques sont supérieures aux voitures thermiques selon l'Agence européenne pour l'environnement[29]. L'Union européenne promeut la voiture électrique au motif que la part d'énergies renouvelables y est la plus importante[30]. À l'échelle mondiale, selon Jean-Marc Jancovici, « dans de très nombreux pays (mais pas en France), l’électrification du parc ne [ferait] que déplacer le problème, puisque l’on a indirectement recours au charbon et au gaz des centrales électriques au lieu d’une utilisation directe de pétrole »[31]. Accessoirement, le problème de la comparaison des consommations résiderait dans le fait qu'on comparerait généralement des véhicules thermiques moyens, voire gros, à de petits véhicules électriques[32]. Pour l'association négaWatt, les pics de consommation en fin de journée solliciteraient des moyens de production fossile. Il serait donc « incorrect d’annoncer que le véhicule électrique permet une réduction notable des émissions de gaz à effet de serre » en France[33]. En Allemagne, selon, l'ADAC — qui s'appuie sur une étude du Joanneum Research (en) —, les voitures électriques présenteraient un bilan en matière de CO2 à peine meilleur que celui des voitures thermiques. Ce bilan deviendrait meilleur avec le développement des énergies renouvelables[34],[26]. Toutefois selon l'agence fédérale allemande de l'environnement (en), les chiffres de l'ADAC sont faux, car ils sous-estiment la part des énergies renouvelables[35].

Un paramètre important reste l'énergie dépensée pendant la phase d'utilisation des véhicules. Ainsi, un véhicule léger, de petite taille et qui roule lentement s'avère dans tous les cas favorable. Pour les systèmes de transport qui utilisent un taux élevé d'énergie renouvelable, l'énergie grise, dépensée lors de la fabrication, peut constituer proportionnellement un facteur élevé[26]. Selon Richard York, les énergies renouvelables ont plus tendance à s'ajouter aux énergies classiques qu'à les remplacer, en particulier dans le domaine de l'électricité[36],[37].

Le document du Joanneum Research permet de dresser le tableau des émissions de CO2 et de consommation d'énergie primaire cumulée, avec les abréviations anglaises BEVː Battery electric vehicle et ICEː Internal combustion engine.

Gaz à effet de serre (en gCO2éq./km) et énergie primaire cumulée (en kWh/100 km)[26]
- gaz à effet de serre (en gCO2éq./km) énergie primaire cumulée (en kWh/100 km)
ICE petrol E10 (2019) 225 à 235 90 à 100
ICE petrol E10 (2030) 195 à 205 82 à 92
ICE petrol E10 (2050) 160 à 170 69 à 79
ICE diesel B7 (2019) 180 à 190 69 à 79
ICE diesel B7 (2030) 160 à 170 64 à 74
ICE diesel B7 (2050) 130 à 140 54 à 64
BEV EU28 (2019) 140 à 150 75 à 85
BEV EU28 (2030) 91 à 100 60 à 70
BEV EU28 (2050) 49 à 59 44 à 54

Il ressort de ce tableau que dans le cas des voitures thermiques, le CO2 est une fonction plus ou moins linéaire de la consommation. Dans le cas des voitures électriques, le même CO2 baisse plus que proportionnellement en fonction de la consommation, car l'électricité est supposée être plus décarbonée en 2050 qu’actuellement.

En 2030, en Europe, la demande en électricité de ces voitures représenterait entre 4 et 6 % de la production[38]. En 2050, dans l'Union européenne, avec 80 % de voitures électriques, la demande en électricité de ces voitures correspondrait à 9,5 % de la production[39].

Hydrogène[modifier | modifier le code]

Rendement[modifier | modifier le code]

Efficacité énergétique des voitures thermiques en ville et sur autoroute[40].
Flux d'énergie dans les voitures électriques en ville et sur autoroute (récupération en vert)[Note 2],[41].

D'après Jean-Marc Jancovici, « la chaîne électrique est 2,5 fois plus efficace que la chaîne thermique »[32], et donc un véhicule électrique est 2,5 fois plus efficace énergétiquement qu'un véhicule thermique (tout en prenant en compte le chauffage et la climatisation). Éditions techniques de l'ingénieur avance une efficacité trois fois plus élevée[42]. Selon RTE, le rendement d'un véhicule électrique est trois à quatre fois celui d'un véhicule thermique[43]. Abstraction est faite du CEP[44]. Le ratio d'efficacité de 2,5 avancé par Jean-Marc Jancovici et rapporté au CEP montrerait qu'actuellement, en France, à véhicule égal, le rendement entre un véhicule électrique et thermique serait approximativement identique. L'ADEME arriverait à cette même conclusion que la consommation en énergie primaire des véhicules thermiques et électriques serait approximativement équivalente[45]. Le ratio d'efficacité de 3 à 4 selon RTE, toujours rapporté au CEP, montre que les véhicules électriques présentent globalement une bien meilleure efficacité.

Même au Québec, où le froid aurait pu être un inconvénient, un très large consensus en faveur de l’électrification des transports se fait jour[46].

D'après le département de l'Énergie des États-Unis (voir schémas ci-contre), le rendement « du réservoir à la roue » des véhicules thermiques se situe entre 15 % (circulation urbaine) et 22 % (circulation sur autoroute), en intégrant la consommation des accessoires. Le rendement du seul moteur varie alors de 21 % en circuit urbain à 27 % sur autoroute[40],[Note 3]. Cependant, ce chiffre est obtenu à partir du carburant, qui n'est pas une énergie primaire, car il a fallu en dépenser pour extraire le pétrole, le transporter, le raffiner et le distribuer. Si, pour tenir compte de ces étapes préliminaires, on applique un coefficient de 1,14[47], on ramène le rendement des véhicules thermiques à 16,6 % en conduite urbaine et 21,9 % sur autoroute. Ce coefficient se dégrade progressivement à mesure que les ressources les plus faciles d'accès s'épuisent, il serait par exemple de 1,3 pour une extraction à partir de schistes bitumineux[48],[49]. Toujours selon le département de l'Énergie des États-Unis, les véhicules électriques sont très efficaces énergétiquement, en particulier grâce à la récupération en ville (le gain est beaucoup plus important dans une agglomération avec un trafic erratique et avec une conduite souple que sur une autoroute fluide). Le freinage régénératif permet d'augmenter de 17 points le rendement du véhicule électrique[41].

Quoi qu'il en soit, l'essor des véhicules électriques répond avant tout aux enjeux climatiques, l'amélioration des rendements étant secondaire. Or, l'objectif est atteint même en présence de rendements faibles, si la source d'énergie primaire est peu ou pas carbonée (nucléaire, hydraulique, solaire, éolien...)[50],[51],[52]. Des rendements élevés permettent d'économiser les ressources, mais substituer d'autres énergies au pétrole dans les transports permettra déjà de préserver ce dernier pour d'autres usages. De plus, la notion de rendement est moins pertinente quand elle concerne des sources renouvelables ou très abondantes[53]. Par ailleurs, le temps que le parc automobile soit renouvelé, le mix électrique sera en partie décarboné[54],[55].

Encore faut-il que les recharges soient majoritairement lentes, ce qui est le cas en 2020 puisque 90 % des recharges sont effectuées à domicile ou sur le lieu de travail ; les stations de recharge publiques viennent en complément, pour des utilisations occasionnelles[56]. L'Allemagne entend s'équiper de stations de recharge rapides[57],[58], ce qui conduirait à l'augmentation, donc à la détérioration du CEP allemand de 1,8, en raison du recours à des centrales thermiques. Mais même à partir de ressources fossiles (en particulier le gaz, moins carboné, dans les centrales à cycle combiné), le gain de la chaîne électrique peut devenir ultérieurement très important en matière de rendement, et même plus favorable en matière de gaz à effet de serre que l'utilisation directe de carburant dans un véhicule thermique.

Pour tenir compte du taux d'occupation des moyens de transport, les statisticiens préfèrent exprimer la consommation en kWh/(100 voyageur-kilomètre)[59]. En 2008, en France, le taux d’occupation moyen des voitures par déplacement était de 1,4 personne[60].

Notes et références[modifier | modifier le code]

Notes[modifier | modifier le code]

  1. Soit une puissance de 350 W, voir Consommation des véhicules électriques.
  2. Pour une énergie fournie de 100, l'énergie « utile » (pertes aérodynamiques, pertes de roulement et pertes de freinage) est estimée à 66 en conduite urbaine et 74 en conduite sur autoroute. Avec récupération (freinage régénératif), l'énergie à fournir n'est plus que de 100-27 = 73 en ville et 100-7 = 93 sur autoroute.
  3. Ce rendement moteur peut atteindre 36 % pour un moteur à essence et 42 % pour un moteur Diesel dans des conditions optimales, c'est-à-dire à charge élevée[44].

Références[modifier | modifier le code]

  1. (en) 2016 Small Cars - Sorting is based on EPA Combined City/Hwy MPG, fueleconomy.gov (département de l'Énergie des États-Unis)
    Sur cette page, la consommation est fournie par ordre croissant. Le premier véhicule indiqué affiche la consommation la plus faible. Le chiffre de 27 kWh/100 miles correspond approximativement à 16,8 kWh/100 km.
  2. (de)Comparaison, sur heise.de
    Dans le tableau en bas de la page, on trouve 18,8 kWh pour 125 km, soit environ 15,0 kWh/100 km par beau temps frais, en plein jour, sans climatisation et sans éclairage.
  3. combien-de-kWh-aux-cent, sur ddmagazine.com
  4. (en) Prospects of Electricity Demand and Demand Side Management Potentials of Residential Customers, Université technique de Dresde, voir diapositive no 9.
  5. (en) Electricity and cars, sur world-nuclear.org, 30 juin 2016 (consulté le 21 août 2016).
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    We can assume a realistic electricity consumption of 15 to 20 kWh/100 km for urban and extra-urban traffic.

  8. (de) « Verbrauch und Reichweite von Elektroautos », sur sedl.at (consulté le 5 février 2020).
  9. a et b (en) Florian Kobloch et al., « Net emission reductions from electric cars and heat pumps in 59 world regions over time » [« Réductions nettes des émissions des voitures électriques et des pompes à chaleur dans 59 régions du monde en fonction du temps »], Nature,‎ (lire en ligne).
  10. Fermer 17 réacteurs nucléaires: une absurdité?, sur decrypterlenergie.org, site de l'association négaWatt.
    La note 14 du document, qui annonce le chiffre de 18 kWh/100 km.
  11. « Étude comparative de l'impact carbone de l'offre de véhicules » [PDF], sur The Shift Project, , p. 41.
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  14. (de) « Elektroautos: Stromverbrauch höher als vom Bordcomputer angezeigt » [« Voitures électriquesː consommation électrique plus élevée que celle indiquée par l'ordinateur de bord »], sur heise.de,
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    Le véhiculer moyen en 2016 fournit 25 mpg.
  16. (en) Environmental Protection Agency (EPA) et Département de l'Énergie des États-Unis, « Model Year 2017 Fuel Economy Guide » [PDF], sur fueleconomy.gov, EPA, (consulté le 19 novembre 2016), p. 53.
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    Sont exclus les véhicules électriques. Dans l'onglet "Top Fuel Sippers (EPA Ratings, All Years)", la Volt de 2016 présente une efficacité énergétique de 77 mpg-e ; la BMW i3 REx, 88 mpg-e et est la plus efficiente des véhicules certifiés par l'EPA de l'année.
  18. (en) Environmental Protection Agency (EPA) et Département de l'Énergie des États-Unis, « Compare Side-by-Side - 2015 Toyota Prius, 2016 Toyota Prius and 2016 Toyota Prius Eco », sur fueleconomy.gov, EPA, (consulté le 18 décembre 2015).
    Le véhicule moyen en 2016 atteint 25 mpg.
  19. Environmental Protection Agency (EPA) et Département de l'Énergie des États-Unis, « 2016 Best and Worst Fuel Economy Vehicles (excluding electric vehicles) », sur fueleconomy.gov, EPA, (consulté le 17 août 2015).
    Voir l'onglet « Cars excl. EVs » : la Prius c est la plus efficace énergétiquement parmi les compactes et la Prius standard parmi les familiales routières (segment D), les deux devançant toutes les autres catégories.
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    Sur le premier graphique, on voit que la part des énergies fossiles reste approximativement constante malgré la croissance récente des énergies renouvelables.
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  50. Fondation pour la nature et l'homme, European Climate Foundation, Carbone 4, Quelle contribution du véhicule électrique à la transition écologique en France ? : Enjeux environnementaux et perspectives d’intégration des écosystèmes Mobilité et Energie, , 112 p. (lire en ligne [PDF]).
  51. La France amorce le virage vers le VE, Carbone 4, , 20 p. (lire en ligne [PDF]).
  52. (en) Dr. Maarten Messagie, Life Cycle Analysis of the Climate Impact of Electric Vehicles, 14 p. (lire en ligne [PDF]).
  53. (en) Bernard L. Cohen, « Breeder reactors: A renewable energy source » [« Surgénérateurs: une énergie renouvelable »], American Journal of Physics, vol. 1, no 51,‎ , p. 1 (lire en ligne [PDF]).
  54. Cédric Ringenbach, « Faut-il électrifier la mobilité ? », Centrale Énergies — Flash, no 55,‎ (lire en ligne [PDF], consulté le 24 février 2019) :

    « À première vue, les émissions sont du même ordre de grandeur ; le moteur à explosion a un plus mauvais rendement que celui de la centrale thermique, mais le transport de l’électricité coûte également de l’énergie ; admettons que cela s’équilibre. »

  55. (en) Renewable electricity is a must to decarbonise land freight transport, Transport et Environnement, 25 juillet 2017 (consulté le 24 février 2019).
  56. « Voitures électriques : les zones blanches du réseau de recharge », Les Échos, 7 avril 2018.
  57. (de) Daimler - stations de recharge rapides, sur auto-service.de
  58. (de) « Europäischer 350 kW-Ladesäulen-Korridor » [« Corridor de stations de recharge de 350 kW »], sur heise.de, 21 octobre 2016.
  59. « Chiffres clés du transport Édition 2020 » [PDF], sur Commissariat général au développement durable, , p. 87.
  60. Commissariat général au développement durable, La mobilité des Français. Panorama issu de l’enquête nationale transports et déplacements 2008, Ministère de l'Écologie (France), décembre 2010 [PDF], p. 13.

Voir aussi[modifier | modifier le code]

Articles connexes[modifier | modifier le code]

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