La conduite électrique fait un bond en avant: la recharge rapide devient la nouvelle norme

État des lieux et perspectives d'avenir

Il se passe beaucoup de choses dans le secteur de la mobilité électrique. Parcourir de longues distances avec une voiture électrique n'est plus une utopie et les camions aussi suivent progressivement la voie de l'électrification. Le réseau de recharge constitue encore un défi, même si nous constatons de nombreuses innovations dans ce domaine également. Où en sommes-nous aujourd'hui et où allons-nous? Lors d'une séance d'information de la fédération sectorielle Volta, le professeur Johan Driesen (KU Leuven et EnergyVille) a dressé un état des lieux.

Pourquoi électrifier?

"Électrifier? Pourquoi le faisons-nous, en fait?" C'est avec cette question que le professeur Johan Driesen a commencé.  On entend souvent dire que c'est à cause de la transition énergétique. Mais LA transition énergétique n'existe pas. Il vaut mieux parler d'UNE transition énergétique, car nous en avons eu plusieurs par le passé. Il suffit de penser au passage du cheval et de la charrette au train et à la voiture. Le secteur de l'énergie a également évolué: de l'avoine au charbon, puis au diesel et maintenant à l'électricité.

"Cette transition énergétique est motivée par trois raisons principales. Premièrement, nous voulons 'défossiliser' pour réduire les émissions de carbone et ainsi ralentir le changement climatique. Deuxièmement, nous visons une plus grande autonomie énergétique afin d'être moins dépendants des combustibles importés. Enfin, l'évolution du marché de l'énergie joue également un rôle: le marché libre de l'énergie est de plus en plus axé sur l'électricité en tant que vecteur énergétique central."

Pourquoi la conduite électrique?

"Les émissions de CO₂ par kilomètre sont très faibles avec la conduite électrique: de 0 à 60 g. Lorsqu'on recharge à la maison avec sa propre énergie solaire, elles sont même de 0 g, et lorsqu'on recharge dans un pays où il n'y a que des centrales à charbon, elles ne sont que de 60 g. En comparaison, une voiture à essence émet 100 à 120 g de CO₂ pour le même kilomètre. En outre, la conduite au carburant entraîne des émissions de NOx et de particules et génère un bruit considérable."

"Et ce qui est certainement aussi important, c'est qu'un moteur électrique est particulièrement économe en énergie. Un moteur à combustion interne n'atteint qu'un rendement de 20%, alors qu'un moteur électrique dépasse largement les 90%. Et alors que la consommation était autrefois d'environ 20 kWh aux 100 kilomètres, elle n'est plus que de 15 kWh aux 100 kilomètres en moyenne dans les voitures électriques modernes."

Le marché international ne reste pas les bras croisés

"En effet, les véhicules électriques deviennent plus légers et plus efficaces, et les batteries s'améliorent également. Aujourd'hui, la batterie est intégrée dans la plaque de plancher, car elle a de toute façon la même durée de vie que la voiture. Elle contribue ainsi à la rigidité du châssis. En outre, il n'y a plus besoin de transmission ou de boîte de vitesses et le poids est beaucoup mieux réparti. Résultat: la nouvelle génération de voitures électriques roule exceptionnellement bien."

"Les choses évoluent également dans le bon sens en termes de prix. Grâce à une forte concurrence, notamment de la part de la Chine, les voitures électriques sont de moins en moins chères. En théorie, d'ici deux à trois ans, les modèles électriques coûteront le même prix que certaines catégories de voitures à carburant."

Existe-t-il des alternatives à l'électricité?

"Pour certaines applications, les vecteurs d'énergie moléculaire restent nécessaires, comme dans le transport maritime ou l'aviation longue distance. Dans ce cas, l'hydrogène ou ce que l'on appelle les électrocarburants, produits à partir de l'hydrogène, pourraient constituer une solution. Mais pour presque toutes les autres formes de transport, ce n'est pas une bonne idée, surtout si l'on considère le parcours de l'énergie générée et la quantité d'énergie perdue dans le transport et les conversions."

"Dans le cas de la conduite électrique, l'électricité produite est transportée et utilisée pour charger la batterie de la voiture. Cette batterie alimente ensuite un moteur électrique à haut rendement. Sur les 100% d'électricité produite, environ 80% sont finalement utilisés pour la conduite. Cela représente une perte de 20%, ce qui est très peu."

Hydrogène ou électrocarburants?

"Si nous choisissons de rouler à l'hydrogène, le processus est beaucoup plus complexe. En effet, une voiture à hydrogène dispose également d'un moteur électrique. Dans ce cas, l'électricité produite est d'abord utilisée pour produire de l'hydrogène. Cet hydrogène doit ensuite être transporté, stocké dans un réservoir, puis rechargé dans la pile à combustible de la voiture. La pile à combustible convertit à nouveau l'hydrogène en électricité, qui entraîne le moteur électrique. Sur les 100% d'électricité générés à l'origine, il n'en reste qu'environ 30% pour la conduite. En d'autres termes, avec la même quantité d'énergie, une voiture électrique vous emmènera presque trois fois plus loin qu'une voiture à hydrogène."

"Si l'on s'en tient au ravitaillement à la pompe, il faut d'abord produire des électrocarburants à partir de cette électricité. Dans ce cas, vous conservez à peine 15 à 20% de l'énergie d'origine. C'est pourquoi nous préférons rouler entièrement à l'électricité et non aux électrocarburants. Certaines marques automobiles continuent de promouvoir les électrocarburants, mais c'est principalement pour protéger les structures industrielles et les emplois existants, et non parce qu'il s'agit du meilleur choix en termes d'énergie et de prix."

Les matériaux utilisés dans les véhicules électriques sont-ils durables?

Qu'en est-il des batteries?

"Les batteries contiennent des matériaux essentiels qui sont extraits par le biais de l'exploitation minière. Cette opération est effectuée une seule fois, après quoi ces matériaux peuvent être réutilisés pendant toute la durée de vie de la batterie. Le lithium a longtemps été un composant essentiel des batteries mais aujourd'hui, les alternatives se sont multipliées, comme les batteries sodium-ion."

"Le cobalt, un matériau toxique souvent extrait dans des conditions peu éthiques, disparaît également de plus en plus du paysage des batteries. Alors qu'auparavant les batteries NMC (nickel, manganèse, cobalt) constituaient la norme, nous assistons aujourd'hui à une forte progression des batteries LFP (lithium, fer, phosphate). Les développeurs chinois ont mis à l'échelle et optimisé cette technologie à une vitesse fulgurante. Résultat: les batteries LFP atteignent aujourd'hui un contenu énergétique similaire à celui des batteries NMC, mais sont nettement moins chères. En outre, elles sont excellentes pour la charge rapide, car elles peuvent maintenir des capacités de charge plus élevées pendant plus longtemps sans surchauffe."

"Le développement ne s'arrête jamais. De nouveaux types de batteries arrivent, comme les batteries solid-stage qui, potentiellement, peuvent même être construites sans matériaux critiques."

"En outre, les batteries durent de plus en plus longtemps. Avec des durées de vie allant jusqu'à 20.000 cycles de charge, un marché croissant de la 'seconde vie' émerge, et une plus grande attention est accordée à un recyclage de qualité."

Qu'en est-il des composants des moteurs?

"Certains moteurs électriques contiennent également des matériaux critiques. C'est le cas, par exemple, des moteurs synchrones à aimant permanent: ils sont très efficaces, mais les aimants contiennent des terres rares qui peuvent devenir moins disponibles en raison de facteurs géopolitiques."

"Heureusement, il existe de nombreuses alternatives qui n'ont pas ce problème, comme les moteurs à induction, les moteurs à réluctance commutée, les moteurs synchrones à rotor bobiné et des types plus récents tels que les moteurs SynRM. Le passage à ces technologies n'est donc certainement pas une idée farfelue."

À quoi ressemble l'avenir de la recharge?

"La recharge d'une voiture électrique se fait par courant alternatif (CA) ou par courant continu (CC). La puissance - exprimée en kW - détermine la vitesse à laquelle l'énergie du point de charge pénètre dans la batterie. La charge en courant alternatif se fait à des puissances relativement faibles: 22 kW au maximum, mais en pratique 11 kW. C'est la solution idéale pour la maison ou le bureau, où la voiture peut rester plus longtemps et se recharger calmement."

"Cependant, les gens ont de plus en plus besoin de pouvoir se recharger plus rapidement. Pensez aux conducteurs qui possèdent une voiture électrique mais qui n'ont pas de garage ou d'allée. Ceux qui vivent en ville dépendent souvent des stations de recharge publiques, qui sont de plus en plus encombrées. Par conséquent, l'accent est de plus en plus mis sur la charge rapide, qui s'effectue en courant continu et permet d'atteindre des puissances de 350 à 400 kW et donc de recharger la batterie en un temps beaucoup plus court."

Comment répondre à une demande de puissance plus élevée?

"Mais il y a aussi beaucoup de mouvement dans ce domaine. La fiche CCS2 actuelle pour la charge rapide permet d'atteindre des capacités de 400 kW, voire 500 kW dans les cas extrêmes. Les camions étant de plus en plus électrifiés, avec des batteries de 600 kWh et plus (la capacité de la batterie est exprimée en kWh), la norme CCS2 n'est plus suffisante."

"C'est pourquoi la prochaine génération de technologie de charge rapide arrive: la fiche MCS, la prise Megawatt Charging System refroidie. Alors que la norme CCS2 peut fournir des puissances allant de 400 à 800 kW à 400 V ou 800 V, la norme MCS fonctionne à des tensions allant jusqu'à 1.200 V et peut fournir une puissance de 1 MW et plus. Les essais de cette nouvelle norme battent actuellement leur plein et les premiers constructeurs de camions implémentent déjà cette technologie."

"Quoi qu'il en soit, nous ne pouvons pas l'ignorer: les bornes de recharge rapide devront être de plus en plus intégrées. Parallèlement, la charge en courant continu augmente également. Nous évoluons donc vers des systèmes où une plus grande partie de la station de recharge est alimentée en courant continu, voire entièrement alimentée en courant continu. Cela réduit le nombre d'étapes de conversion et rend la recharge plus efficace."

Comment allons-nous intégrer la recharge?

"Comment allons-nous intégrer la recharge des véhicules électriques dans notre système électrique? Si l'on examine le bilan énergétique d'un foyer moyen, on constate un pic de consommation le matin, une forte baisse au cours de la journée et un autre pic le soir. C'est justement à ce moment-là, en journée, que les panneaux solaires produisent beaucoup d'énergie, alors que la consommation de la maison est pratiquement nulle."

"Une batterie domestique peut apporter une solution à ce problème. Jusqu'à récemment, il était difficile d'en tirer un avantage financier, mais lorsque vous utilisez la batterie de manière systématique et que, par exemple, vous chargez votre voiture le soir avec l'énergie solaire stockée, l'ensemble devient soudain beaucoup plus intéressant."

La batterie de la voiture comme stockage?

"Une autre possibilité consiste à utiliser la batterie de la voiture comme stockage. En effet, une voiture électrique est une batterie sur roues. C'est ce qu'on appelle le V2G: la voiture se décharge, par exemple, en cas de pic de consommation. En théorie, cela semble parfait, mais la question est de savoir s'il y a également une bonne analyse de rentabilité derrière cela, parce que la voiture doit être là à ce moment-là, bien sûr."

"Parmi les voitures électriques les plus chères, les premiers modèles V2G apparaissent progressivement, principalement via le port CC. Des solutions à courant alternatif existent également, mais elles sont encore très limitées. Depuis avril, la décharge en courant alternatif est autorisée - tout comme les panneaux solaires rechargeables - mais la puissance est limitée à 800 W, ce qui est bien trop peu pour contribuer réellement à l'équilibrage du réseau. Pour une puissance plus élevée, il faut utiliser le port CC et un chargeur bidirectionnel plus coûteux. Il est donc difficile pour un particulier de trouver une solution rentable. Cependant, cela peut fonctionner si c'est organisé de manière intelligente au niveau de l'entreprise."

"Dans la pratique, la recharge bidirectionnelle se heurte à un certain nombre de goulets d'étranglement fiscaux dans notre pays. Il suffit de penser aux situations où une personne recharge une voiture de fonction au travail et utilise ensuite cette énergie à la maison pour cuisiner ou alimenter la maison en électricité. Cela pose aujourd'hui toutes sortes de problèmes fiscaux. La question de savoir si la recharge bidirectionnelle se répandra à grande échelle dépendra principalement de l'évolution de la réglementation dans les années à venir."

Comment charger plusieurs véhicules à la fois?

"Une autre question importante est de savoir comment charger efficacement plusieurs véhicules à la fois. Lorsque tout le monde se met à charger en même temps dans un parking d'entreprise, par exemple, il faut éviter de créer un pic énorme et de faire grimper les coûts en flèche. Vous pouvez demander une grande capacité de connexion, mais chez Fluvius, vous vous retrouverez tout en bas de la file d'attente. Deux solutions s'offrent à vous: l'équilibrage de la charge ou la recharge intelligente."

L'équilibrage de la charge comme solution?

L'équilibrage de la charge signifie que vous divisez simplement la puissance de connexion disponible de manière égale entre toutes les voitures qui rechargent. Si vous disposez de 50 kW et que 5 voitures sont en train de charger, tout le monde reçoit 10 kW. S'il y a 50 voitures en train de charger, cela tombe théoriquement à 1 kW par voiture. Il s'agit d'une solution simple, peu complexe, qui peut être mise en place rapidement dans un point de charge.

"Mais l'équilibrage de la charge n'est pas si intelligent que cela. Avec EnergyVille, nous avons mesuré l'efficacité de la charge des voitures électriques, en examinant la part de l'énergie fournie qui aboutit effectivement dans la batterie."

"Qu'avons-nous découvert? En dessous d'environ 3 kW, les pertes augmentent fortement: une partie de l'énergie fournie est perdue sous forme de chaleur et n'atteint même pas la batterie. D'ailleurs, on observe ce phénomène dans presque toute l'électronique de puissance, par exemple dans les onduleurs photovoltaïques."

"C'est pourquoi l'équilibrage de la charge, où chacun reçoit un peu d'énergie à l'aveuglette, est loin d'être idéal. En faisant ça, à long terme, vous ne faites que chauffer votre garage ou votre parking."

Vaut-il mieux une recharge intelligente?

"Avec la recharge intelligente, lorsque vous vous branchez, vous indiquez l'heure à laquelle vous partez et le niveau de charge de la batterie dont vous avez besoin. Un système de gestion de l'énergie programme alors automatiquement des sessions de charge tout au long de la journée. Il tient compte de la puissance disponible, du rendement solaire, du prix du kWh et d'autres facteurs pertinents. Celui qui doit partir en premier a tout simplement la priorité."

Et si les camions viennent s'ajouter? 

"L'électrification des camions n'est plus très loin. Aujourd'hui, les camions électriques les plus récents consomment environ 1 kWh par kilomètre, ce qui est particulièrement impressionnant pour un véhicule entièrement chargé. Et grâce à l'augmentation constante de la capacité des batteries, de nombreux camions peuvent désormais parcourir jusqu'à 500 kilomètres environ, ce qui rend le transport de marchandises électrique réellement viable."

"Mais si tous ces camions deviennent électriques, où se chargeront-ils? Une solution possible consiste à les faire se charger dans des centres logistiques et des entrepôts. Les camions y sont de toute façon régulièrement à l'arrêt, ce qui en fait des moments idéaux pour recharger les batteries. Jusqu'à présent, ces centres logistiques présentaient un problème: ils disposaient souvent de grandes surfaces de toit, mais ne pouvaient pas installer de panneaux solaires car leur capacité de connexion au réseau était trop limitée."

"En équipant ces sites de conteneurs de batteries et en planifiant intelligemment les déplacements, en chargeant le jour et en roulant la nuit, on résout deux problèmes à la fois: l'énergie est stockée localement et on réduit l'impact sur le réseau. Et en prime, on contribue à atténuer le problème de la congestion du trafic."