2011 RAPPORTS no 37 & DOCUMENTS La voiture de demain : carburants et électricité Développement durable Rapport de la mission présidée par Jean Syrota POUR UNE CONSOMMATION DURABLE 2 sommaire La voiture de demain : carburants et électricité 2011 Jean Syrota président Philippe Hirtzman, CGIET Dominique Auverlot, CAS coordinateurs Avec la participation de la DGCIS, Direction générale de la compétitivité, de l’industrie et des services, ministère de l’Économie, des Finances et de l’Industrie LA VOITURE DE DEMAIN : CARBURANTS ET ÉLECTRICITÉ 2 CHAPitre 1 RecHercHE batterie SÛRE, Peu CHÈRE, avec Grande autonomie... 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 développement des véhicules grand public à motorisation électrique – véhicule électrique, véhicule hybride rechargeable ou non – 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. Ces évolutions ont été présentées dans le rapport du Centre d’analyse stratégique (2008), Perspectives concernant le véhicule « grand public » d’ici 2030, disponible sur le site Internet du Centre. 3 LA VOITURE DE DEMAIN : CARBURANTS ET ÉLECTRICITÉ 4 CHAPitre 1 RecHercHE batterie SÛRE, Peu CHÈRE, avec Grande autonomie... Avant-propos e système automobile tel qu’il s’est bâti au fil du L 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, ali- Vincent Chriqui, menté par la forte croissance des pays émergents. directeur général Une première approche consiste à revoir l’usage que du Centre d’analyse nous faisons de la voiture, en développant l’auto- stratégique partage et le covoiturage, en promouvant partout où c’est possible les transports en commun ou le vélo. 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 Jean Syrota avait pour mission d’étu- dier 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 rapport à leurs équivalents thermiques. Surtout, l’autonomie demeure leur talon d’Achille, avec en particulier la contrainte de recharges fréquentes. À l’heure actuelle, (1) Centre d’analyse stratégique (2010), Les nouvelles mobilités. Adapter l’automobile aux modes de vie de demain, rapport de la mission présidée par Olivier Paul-Dubois-Taine, Paris, La Documentation française. 5 LA VOITURE DE DEMAIN : CARBURANTS ET ÉLECTRICITÉ 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 parais- sent prometteuses à terme, notamment les batteries lithium-air. L’usage des véhicules électriques pourrait ainsi se développer progressivement, d’abord dans des marchés spécialisés – flottes 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. Ces véhicules auront l’immense mérite de contribuer à réduire la pollution dans nos métropoles. Cependant, comme le souligne le rapport, on ne peut pas à proprement parler de véhicules « zéro émission ». Une voiture électrique ne pollue pas lorsqu’elle roule, mais le bilan environnemental 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 élec- trique de chaque pays. Quant au véhicule thermique, il n’a certainement pas épuisé ses marges d’amé- lioration. 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 d’ici à 2030. Le downsizing, l’injection directe, la commande électromagnétique des soupapes pourraient diviser par deux les émissions de CO2. Ces voies d’amélioration joueront un rôle crucial à court-moyen terme : selon les constructeurs, la voiture à moteur thermique représentera encore près de 90 % des ventes en 2020. On devrait donc assister à une électrification progressive du véhicule thermi- que. Les systèmes « stop & start » coupent le moteur lorsque la voiture est à l’arrêt et le redémarrent ensuite (ou, dans une version améliorée, le coupent sous le seuil des 10-20 kilomètres/heure) : dans les zones congestionnées, ces systèmes réduiraient les consommations de 20 % à 25 %. Les véhicules hybrides, qui associent un moteur thermique et un moteur électrique (celui-ci 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 6 AVANT-PROPOS (à l’achat ou à l’usage) il est également possible de favoriser 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 développement 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 pourrait rapidement accueillir des véhicules électriques légers, 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. 7 LA VOITURE DE DEMAIN : CARBURANTS ET ÉLECTRICITÉ 8 SOMMAIRE Sommaire Les grandes orientations 13 Les préconisations 25 Quelques définitions en préambule 31 Introduction Pourquoi parle-t-on à nouveau du véhicule électrique ? 35 Chapitre 1 Recherche batterie sûre, peu chère, avec grande autonomie et longue durée de vie 51 1 n Un historique de l’évolution des batteries et de leurs applications au véhicule électrique 52 1.1. Les accumulateurs au plomb ont marqué les débuts des véhicules électriques à la fin du XIXe siècle 52 1.2. Au début du XXe siècle, les batteries nickel-fer sont à l’origine d’une deuxième génération de véhicules électriques 58 1.3. Apparues au début du XXe siècle, les batteries nickel-cadmium ne sont vraiment utilisées pour les véhicules électriques que dans les années 1990 58 1.4. Les batteries nickel-hydrure métallique constituent désormais le standard des véhicules hybrides 60 1.5. D’autres batteries ont été étudiées mais n’ont pas réussi à trouver leur application dans le domaine du transport 62 1.6. Les accumulateurs classiques n’offrent qu’une autonomie de quelques dizaines de kilomètres 65 2 n Les batteries au lithium : une technologie porteuse de progrès 66 2.1. Certaines batteries au lithium présentent un risque d’incendie 67 2.2. Plusieurs technologies sont en concurrence 70 2.3. Les batteries de demain 76 3 n S’agissant des matières premières, les contraintes tiennent plus à la géopolitique qu’à l’état des ressources 87 3.1. Approvisionnement en lithium : des tensions possibles à court-moyen terme, le temps que l’offre s’adapte à la demande 87 3.2. Inquiétudes concernant d’autres matériaux ou métaux 91 3.3. Le monopole chinois sur la fourniture des terres rares 92 9 LA VOITURE DE DEMAIN : CARBURANTS ET ÉLECTRICITÉ 4 n Le recyclage des batteries lithium-ion est techniquement possible mais non rentable actuellement 94 4.1. Les techniques de recyclage des batteries lithium-ion : entre voie thermique et voie chimique 94 4.2. Les principaux déterminants de la rentabilité économique 96 5 n La compétition industrielle est dominée par les pays asiatiques 98 5.1. Le marché actuel des accumulateurs est dominé par les pays asiatiques 99 5.2. Les batteries du futur donnent lieu à de vastes programmes de recherche, notamment au Japon 101 5.3. Aux États-Unis, les programmes de recherche s’accompagnent d’aides financières à l’industrie 101 Conclusion : la nécessité d’un saut technologique 102 Chapitre 2 Les performances actuelles des véhicules électriques 109 1. n Autonomie 109 1.1. Les cycles normalisés existants ne reflètent pas de façon adéquate les consommations et l’autonomie des véhicules électriques 109 1.2. Impact de la vitesse et de la pente sur la consommation d’un véhicule électrique 117 1.3. L’autonomie du véhicule électrique dépend de l’utilisation des auxiliaires, spécialement du chauffage et de la climatisation 122 1.4. L’autonomie réelle des véhicules électriques dépendra beaucoup de l’usage qu’en feront les utilisateurs 125 1.5. Des systèmes performants d’information des conducteurs sont en cours de développement 128 2 n Puissance, accélération, vitesse, réduction de la pollution et du bruit 130 2.1.