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Faut-il construire de nouvelles centrales pour vendre des véhicules électriques ?

Guillaume Brousseau & Grégory Launay - Dernière mise à jour : 22 octobre 2011

 

L’électrification du parc automobile semble lancée pour de bon avec comme objectifs affichés de réduire la dépendance au pétrole et les émissions de CO2. Si l’impact sur la consommation de pétrole est indiscutable (voir le détail ici), l’effet réel sur les émissions de CO2 est beaucoup plus sujet à controverses. Il dépend non seulement des moyens de production de l’électricité mais aussi de la manière dont vont être gérés les recharges des véhicules électriques et autres hybrides rechargeables. La France, avec son parc de centrales électriques fortement nucléarisé, est l’un des pays pour lequel l’impact peut être le plus grand.

En retour, au vue de la place que prend l’automobile dans le bilan énergétique mondial, on peut logiquement s’interroger sur la capacité qu’ont les réseaux électriques à « absorber » ce nouveau type de consommation. C’est à cette question que je vous propose de répondre, en se penchant sur le cas de la France.


Comment sont utilisées des capacités actuelles ?

L’ensemble du parc des centrales électriques françaises donne une puissance totale installée de 123,3 GW. Les centrales nucléaires représentent la moitié de cette puissance, les centrales hydrauliques un quart, le dernier quart correspond à des centrales thermiques (gaz, charbon et fioul). Les parcs éoliens ainsi que quelques centrales solaires complètent le tableau.


Puissances installées par filière au 01/01/2011 – Source : RTE, bilan prévisionnel de l’équilibre offre-demande, 2011

Il s'agit de la deuxième puissance électrique installée dans l'Union européenne légèrement derrière l'Allemagne. EDF, l’électricien historique, est le propriétaire de la très grande majorité de ces installations (~100 GW).

En 2009, ces capacités ont permis de produire 542 TWh (lire Tera Wattheure) avec la répartition suivante :

  • 410 TWh par les centrales nucléaires (75% de la production totale)
  • 62 TWh par les centrales thermiques fossiles (charbon, gaz et fioul)
  • 70 TWh par les centrales à énergies renouvelables (hydraulique, éolienne et photovoltaïque)


Production d’électricité en France de 1970 à 2009, par type - Source : Commissariat Général au Développement Durable, Chiffres clés de l’énergie en France, 2010

On peut donc en conclure un taux de charge des capacités de production en comparant la production réelle à la production maximale théorique.


Taux de charge des capacités de production électrique en 2009 – Synthèse de l’auteur

Avec 75% de taux de charge, c’est sans surprise le parc nucléaire qui est le mieux exploité. Les 25% restants correspondent aux arrêts que nécessitent les opérations de maintenance.

Avec 30% de taux de charge, les installations renouvelables montrent ici une de leurs limites. L’intermittence naturelle de l’ensoleillement, des vents et du cycle hydrique limite l’exploitation de ces installations.

Quand aux centrales thermiques, elles sont utilisées en derniers recours pour répondre à des pointes de consommations auxquelles le nucléaire et les renouvelable ne peuvent plus répondre. Le taux de charge de 30% est la conséquence de cette utilisation mais on pourrait le faire monter à des niveaux bien supérieurs si le besoin s’en faisait sentir.

Jetons un œil, enfin, sur la manière dont est consommée cette énergie produite :

  • la consommation intérieure Française représente 485 TWh (~90%)

  • 26 TWh sont exportés vers d’autres pays de l’union européenne (c’est en faite le solde des échanges, la France ayant importé 19 TWh et exporté 45 TWh sur l’année 2009)
  • 7 TWh sont utilisée pour pomper de l’eau dans les barrages la nuit
  • 24 TWh, enfin, correspondent à la consommation des auxiliaires


Dispose-t-on de capacités nucléaires non exploitées la nuit ?

C’est un argument que l’on retrouve régulièrement pour promouvoir l’utilisation de véhicules électrifiés (électriques ou hybrides rechargeables) : il y aurait, la nuit, une sous exploitation du parc nucléaire français. Recharger des voitures la nuit  ne poserait non seulement aucun problème mais permettrait, en plus, de mieux exploiter nos capacités.

Alors, si l’on regarde de près, qu’en est-il vraiment ? Comme le montre cette courbe de production électrique du 1ier d’août dernier, cette affirmation est vraie au moins certains jours dans l’année.


Production électrique française le 1er août 2011 – Source : RTE

Le 1er aout donc, la production nucléaire a chuté la nuit pour atteindre un point bas à 4h du matin laissant disponible une puissance qui aurait pu être utilisée pour recharger des véhicules. Plus précisément, la moyenne de la puissance nucléaire utilisée en journée (de 7h à minuit) fut de 44 GW alors que celle utilisée la nuit (de minuit à 7h00) fut de 40 GW. Cette différence moyenne montre que ce jour là, environ 4 GW de puissance nucléaire auraient pu être utilisées.

L’observation d’une autre journée du mois d’aout montre un profil assez différent.


Production électrique française le 31 août 2011 – Source : RTE

Le 31 août 2011 donc, la baisse de la consommation pendant la nuit a permis de baisser la puissance fournie par les centrales thermiques et les centrales produisant de l’énergie renouvelable … mais pas le nucléaire. La demande n’est pas tombée suffisamment bas pour cela. Cette nuit là donc, recharger un parc de voiture électrique aurait nécessité de faire appel à des moyens autres que nucléaires : renouvelables peut être, mais plus probablement thermiques.

Mais alors, en moyenne, qu’est-ce que cela donne ? Pour tenter d’y répondre, je vous propose de regarder, pour chacune des journées du mois de septembre, la différence entre la puissance nucléaire utilisée en journée (de 7h à minuit) et celle utilisée la nuit (de minuit à 7h00). C’est cette différence que j’appelle ici « puissance nucléaire disponible ».


Puissance nucléaire disponible la nuit en septembre 2011 – Source : RTE

On retrouve de grandes différences d’un jour à l’autre avec des valeurs allant de 4 GW à moins de 0. On observe tout de même qu’une très grande majorité de journées donne des puissances disponibles d’au moins 1 GW. La valeur moyenne sur le mois se situe à 1,6 GW (le trait vert).

Il semble donc que la réponse soit oui, au moins en septembre ! Rendez vous après l’hiver pour voir si cette réponse se confirme …

 

Quels besoins en énergie pour un parc de voitures électriques ?

Le véhicule moyen vendu en France en 2010 consomme environ 5,1 litres aux 100 km (soit des émissions de CO2 de 129g par kilomètre). En considérant un rendement global du véhicule de 22% cela équivaut à un besoin énergétique à la roue d’environ 0,110 kWh par kilomètre.

En se basant sur le même besoin et en considérant des rendements moyens de 80% pour la batterie (avec l’électronique de puissance) et de 80% pour la machine électrique (transmission comprise) on obtient une consommation électrique « à la prise » d’environ 0,170 kWh par kilomètre (110 / 80% / 80%).

Une voiture française faisant en moyenne 13.000 km par an, la consommation en énergie d’une voiture électrique serait donc d’environ 2200 kWh par an (0,170 * 13.000).

Notons au passage qu’en répartissant 13.000 km sur 300 jours on obtient une moyenne journalière de 40 km ce qui est tout à fait compatible (en moyenne bien sûr) avec les autonomies annoncées des véhicules électriques. La répartition précise des usages quotidiens donnée par la récente enquête nationale transport & déplacement confirme ces chiffres (ENDT 2008).


Les déplacements journaliers en France – Source : Commissariat Général au Développement Durable, les véhicules électriques en perspectives, avril 2011

Revenons à notre consommation énergétique, 2200 kWh par véhicule signifient 2,2 TWh pour 1 million de véhicules, 22 TWh pour 10 millions de véhicules et 88 TWh pour l’ensemble du parc automobile français (environ 40 millions si l'on additionne les automobiles et les véhicules utilitaires) soit un peu plus de 15% de la production actuelle d’électricité.

Faire rouler l’ensemble du parc automobile à l’électricité nécessiterait donc d’augmenter notre production de 15 à 20% ce qui ne semble pas délirant. Il ne faut pourtant pas y voir de miracle, il n’y a aucune économie d’énergie dans tout cela. Ces 88 TWh représentent en énergie primaire environ 25 Mtep (lire millions de tonnes équivalent pétrole) c'est-à-dire la consommation de pétrole actuelle du parc automobile français. Répétons le, une voiture électrique ne permet pas de faire des économies d’énergie, il s’agit simplement ici d’un transfert.

Par contre, ce qui semble clair au vu des chiffres présentés c’est que notre parc électrique a largement de quoi produire le surplus d’énergie demandée par quelques millions de véhicules. Et nous pouvons retenir ce premier ordre de grandeur : 1 millions de voitures électriques = 0,5% d’augmentation de la production d’électricité.


Quels besoins en puissance pour un parc de voitures électriques ?

Etre capable de produire l’énergie c’est bien, mais pouvoir la produire au bon moment c’est mieux. Les véhicules électriques disposent de deux systèmes de charges différents :

  • un système de charge lente d’une puissance de 3 kW permettant de charger son véhicule en 8 heures (la nuit)

  • un système de charge rapide d’une puissance de 40 à 50 kW permettant de charger son véhicule en ½ heure

Sur le papier donc, vouloir charger 40 millions de véhicules simultanément en charge lente peut générer un appel de puissance de 120 GW (40 millions * 3 kW) soit la totalité de ce que le réseau peut fournir ! En charge rapide c’est évidement pire, 2,5 millions de véhicules suffisent à saturer les moyens de production.

On retrouve ici un constat simple : un réseau électrique est dimensionné pour répondre à des appels de puissance et non a un besoin en énergie à produire (voir le détail ici). Il n’est donc pas surprenant de constater que, pour un parc de véhicules électriques, ce sont ces mêmes appels de puissances qui vont êtres les plus gênants. Au delà de ce premier constat, essayons d’y voir un peu plus clair à partir de quelques considérations concrètes.

Tout d’abord, la grande majorité des recharges (environ 90%) se déroulera le soir et la nuit, très probablement en heure creuse, au moment ou le réseau est le moins chargé. C’est du moins l’hypothèse retenue et mise en avant dans le récent rapport du sénat sur le sujet.


Courbe de charge moyenne journalière estimée pour la ville de Rouen en 2015 - Source : Livre Vert sur les infrastructures de recharge, Avril 2011

Ensuite, à raison de 40 km réalisés par jour, un véhicule n’aura pas besoin de recharger la totalité de sa batterie tous les soirs mais 1/3 uniquement ou encore une recharge complète tout les 3 jours (les voitures sont données pour environ 150 km d’autonomie).

Enfin, une partie des recharges (les 10% restants) se fera de jour ou en début de soirée au moment où le réseau est déjà très encombré. C’est probablement pour ce type de recharges que les charges rapides vont être plébiscitées.

Imaginons alors qu’arrivent demain dans la rue 100 000 véhicules de ce type. Ils vont parcourir chacun 40 km soit 4 millions de km au total, soit une demande d’énergie totale de 0,7 GWh. 90% de ce besoin énergétique (soit 0,63 GWh) devra être fournit en charge lente en heure creuse. Les 10% restant (soit 0,07 GWh) devra être fournit en charge rapide aux heures de pointe.

Si l’on fait l’hypothèse sévère que tout le monde branche son véhicule en même temps, on arrive à un pic d’appel de puissance de 270 MW en heure creuse et à un pic de 400 à 500 MW en heure de pointe.

Dans la réalité il sera possible d’étaler ces recharges dans le temps. Si l’on considère un étalement des charges lentes sur une durée de 7h (avec éventuellement un système de régulation automatique de la demande la nuit) et des charges rapides sur une durée de 2 heures, les pics de puissance tombent respectivement à 90 MW et 80 MW. Pour 1 million de véhicules, c’est proportionnel, on atteindrait un pic de 900 MW en charge lente et 800 MW en heure de pointe.

Nous voilà donc avec un bon ordre de grandeur de la puissance appelée par un parc de voiture électrique : environ 100 MW en heures de pointe et en 100 MW en heures creuses pour 100 000 véhicules.


Au final, quel parc de voiture le réseau français peut il absorber ?

Comme nous venons de le voir, un réseau électrique n’est jamais dimensionné pour produire une quantité d’énergie donnée mais pour répondre à des appels de puissance.

Si l’on met de coté les émissions de CO2, le réseau électrique français semble pouvoir accueillir un nombre important de véhicules. Les pointes de production peuvent en effet être facilement comblées par les centrales thermiques.

Si l’on souhaite en revanche profiter du faible contenu en carbone des centrales nucléaire, il faut alors considérer une puissance disponible la nuit d’environ 1,6 GW. Peut être un peu plus au cœur de l’été, probablement moins au cœur de l’hiver. Au premier ordre, avec un besoin de 100 MW pour 100.000 véhicules, la France semble donc avoir les capacités d’accueillir entre 1 et 2 millions de véhicules électriques avant de devoir envisager d’augmenter son parc de centrales.