[Dossier de veille] Quelle trajectoire technologique pour les voitures électriques ?

(10 minutes)

Plan :

• Principales caractéristiques techniques, principaux atouts et faiblesses des deux technologies
  • Les batteries
  • L’hydrogène via les piles à combustible
  • Quels sont les points forts et points faibles de ces deux technologies ?
• Tendances marché actuelles, perspectives d’évolution, prospective
  • Le marché des véhicules à batterie
  • Le marché des véhicules hydrogène à pile à combustible
  • Les stations de recharge
  • Quelques perspectives
• Que font les constructeurs et les équipementiers ?
• Conclusion
• Apports de la filière Carnauto

Principales caractéristiques techniques, principaux atouts et faiblesses des deux technologies

Les batteries

Le plus souvent composée de plusieurs accumulateurs montés en série, une batterie de traction exploitée par une voiture électrique stocke et redistribue de l’électricité selon l’action du conducteur sur les pédales d’accélérateur et des freins. Une batterie est un système électrochimique, qui stocke de l’énergie sous forme chimique et la restitue sous forme électrique. Le courant est produit par la circulation d’électrons entre 2 plaques ou électrodes : l’anode et la cathode. Lorsque le conducteur demande de la puissance en appuyant sur la pédale d’accélérateur, un phénomène se produit au niveau des électrodes. Les électrons de la cathode sont libérés pour rejoindre les électrodes de l’anode. Cette migration d’électrons crée un courant électrique. Lorsque la batterie est ‘’vide’’ il faut la recharger, le phénomène inverse se produit. Les électrodes sont plongées dans un électrolyte (liquide, gel ou solide) qui assure le transport de l’électricité par conduction ionique.

Aujourd’hui, la technologie qui l’emporte pour les véhicules électriques est la batterie Lithium-ion, basée sur l’échange réversible de l’ion lithium entre une électrode positive (dioxyde de cobalt ou manganèse avec lithium et oxygène) et une électrode négative en graphite.

L’hydrogène via les piles à combustible

  Un véhicule à pile à combustible est une voiture électrique dont l’électricité est fournie par l’hydrogène , via la pile à combustible. L’énergie n’est pas stockée dans une batterie, mais dans des réservoirs d’hydrogène. Du dihydrogène (H₂) y est stocké sous pression. Via une réaction d’oxydation entre le dihydrogène, venu du réservoir, et le dioxygène contenu dans l’air, une pile à combustible produit de l’électricité et de la vapeur d’eau.

Comme pour la batterie, la pile à combustible est constituée de deux électrodes (une anode émettrice d’électrons et une cathode réceptrice d’électrons), séparées par un électrolyte permettant le passage des ions. Les électrodes sont de fines couches carbonées recouvertes d’un catalyseur, aujourd’hui en métal précieux (platine, iridium, etc…). Une membrane évite la mise en contact des réactifs à l’anode et à la cathode. Selon les paramètres souhaités ou les applications, il existe différents types de piles à combustible utilisant des électrolytes et des électrodes de nature différente. La PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell, ou pile à membrane à échange de protons) est, par exemple, la pile à combustible utilisée en mobilité car son électrolyte est solide (pas de risques de fuites), elle fonctionne à basse température (env. 80°C), ne nécessite pas de chauffage préalable et ‘’démarre’’ rapidement.

Pour « recharger » une voiture à hydrogène, son réservoir sous pression ( 3 à 5 kg sous 700 bar) doit être rempli dans des stations-service spécifiques.

Quels sont les points forts et points faibles de ces deux technologies ?

Le tableau ci-dessous synthétise les différentes caractéristiques des 2 technologies.

Tendances marché actuelles, perspectives d’évolution, prospective

Le marché des véhicules à batterie

Comme nous l’indiquions dans notre dossier de veille sur la recharge, en 2020, le marché automobile français a été fortement impacté par la crise sanitaire : le nombre d’immatriculations et de commandes a baissé de 25,5% sur toute l’année pour les voitures particulières (chiffres du Comité des Constructeurs Français d’Automobile). Cependant, les ventes de véhicules hybrides et électriques (à batterie) ont continué leur progression. En effet, sous l’effet des nouvelles réglementations, l’année 2020 a été marquée par une progression de 180% des immatriculations de véhicules électriques à batterie et hybrides rechargeables. Près de 195 000 véhicules électriques et hybrides rechargeables ont été immatriculés en 2020, soit 125 000 de plus qu’en 2019. En décembre 2020, les véhicules électriques et hybrides rechargeables ont représenté plus de 16 % du marché français. Aujourd’hui le cumul de parc roulant électrifié de véhicules légers est d’environ 470 000 véhicules. L’objectif du contrat stratégique de la filière est d’atteindre le million (en cumulé) de véhicules électriques ou hybrides rechargeables en 2022 en France. L’objectif de la commission européenne est lui d’au moins 30 millions de véhicules à zéro émission sur les routes européennes à l’horizon 2030.

Le marché des véhicules hydrogène à pile à combustible

Si elles demeurent encore confidentielles en Europe, les ventes de voitures à hydrogène ont enregistré en 2020 une progression de 40 % par rapport à 2019.

Pour l’année 2020, l’Allemagne conserve le leadership du marché européen avec 311 immatriculations. La France est à la deuxième place avec 211 immatriculations tandis que les Pays-Bas terminent troisième avec 147 unités écoulées. Sur l’ensemble de l’année 2020, 864 voitures à hydrogène ont été écoulées sur l’ensemble du continent. C’est 40 % de plus que les 611 immatriculations enregistrées en 2019.

Les stations de recharge

Concernant le véhicule électrique à batterie, fin décembre 2020  la France comptabilisait 30 838 points de recharge, l’objectif du contrat stratégique de filière étant de 100 000 points à la fin de l’année 2021. Au total, on comptait 271 337 points de recharge installés en Europe à fin octobre 2020, l’objectif de la commission européenne étant de 3 millions de bornes à l’horizon 2030. Si le nombre de ces bornes sur le territoire français est en constante augmentation depuis quelques années (entre 2015 et 2019 il a en effet été multiplié par trois et a augmenté de 15 % entre 2019 et 2020), il n’a que très peu progressé au cours de l’année 2020. La cause est en partie la crise sanitaire, mais également une correction de la base de données précédente : certaines stations disposant de plusieurs types de connecteurs déclaraient deux à trois points de recharge différents alors qu’il ne s’agissait en réalité que d’une seule et même borne. 2020 a également été marquée par la fermeture de certains réseaux, tels que Bluely (à Lyon) et Bluecub (à Bordeaux), soit 868 points de recharge en moins. Selon l’AVERE, le nombre de points de recharge stagne, la dynamique doit être relancée, l’objectif du gouvernement de 100 000 points de recharge à fin 2021 va nécessiter la mobilisation de tous les outils existants, tant financiers que législatifs, pour être atteint. Un décret français paru en février dernier oblige les concessionnaires d’autoroutes à installer une station de recharge sur toutes les aires de service avant le 1er janvier 2023. Le gouvernement français va débloquer une enveloppe de 100 millions d’euros pour chaque aider les sociétés souhaitant développer les stations de recharge.

Concernant le véhicule hydrogène à pile à combustible, il y avait en 2019 137 stations hydrogène en Europe réparties dans 12 pays, 16 états membres n’en possédant aucune et la moitié étant située en Allemagne. Il n’y en avait que 12 en France. Au total dans le monde il y en avait 432 fin 2019.

Mais le nombre de station hydrogène a connu une forte hausse en 2020. En France, selon les données de France Hydrogène, il y a actuellement 41 stations hydrogène ouvertes, 7 en construction et 43 en projet. Une majorité des stations ouvertes renseignées sur la carte de France Hydrogène sont indiquées être accessibles uniquement pour les véhicules utilitaires. Le plan hydrogène français prévoit 100 stations en 2023, puis 400 à 800 en 2028.

L’étude « Global Market for Hydrogen Fueling Station », du cabinet Information Trends, dénombre près de 600 stations-service hydrogène à travers le monde à fin 2020. A la fin 2020, seuls 33 pays sont dotés de stations-service hydrogène. Leader incontesté, le Japon compte 150 infrastructures. Néanmoins la Chine, avec plus de 100 stations mises en service en 2020 pourrait rapidement rattraper son retard dans le domaine. Pour 2035, l’étude indique que les stations d’hydrogène couvriront largement les États-Unis, l’Europe occidentale, la Chine, le Japon et la Corée du Sud.

Quelques perspectives

Les objectifs de la France sont clairs : le pays souhaite atteindre un parc d’un million de véhicules électriques ou hybrides rechargeables en 2022. Quant au plan hydrogène, il vise plutôt la mobilité lourde (véhicules utilitaires, poids lourds, bus, trains, bateaux)

L’Avere-France, le Comité des Constructeurs Français d’Automobiles (CCFA), France Hydrogène (ex-AFHYPAC), la Plateforme Automobile (PFA) ainsi que l’Union Française de l’Electricité ont publié en décembre 2020 un rapport commun autour de l’objectif 2040 inscrit dans la loi d’orientation des mobilités (LOM) et du rôle que l’électromobilité joue et jouera dans l’accélération des ventes de véhicules à faibles émissions. A moyen terme, les projections de la filière tablent sur une part de marché de près de 64 % de véhicules légers en bas-carbone en 2030, dont 39 % de véhicules électriques à batteries, 24 % d’hybrides rechargeables et 1 % véhicules hydrogène à pile à combustible, soit environ un parc de véhicules électrifiés d’environ 7,5 millions d’unités dont 300 000 véhicules hydrogène.

Pour le think Tank Carbone 4, concernant les véhicules particuliers ou les utilitaires légers, il faut que l’électrolyse soit faite avec un mix électrique très bas-carbone (de l’ordre de 20 gCO2e/kWh, typiquement 100% renouvelable) pour que le véhicule à hydrogène se place au même niveau que le véhicule au bioGNV ou à batteries. Avec le mix électrique moyen français de 50 gCO2/kWh (ce qui est très faible), le véhicule hydrogène est déjà 40% plus émissif que les alternatives précitées. Pour les véhicules lourds, les calculs de Carbone 4 montrent que sur autobus et poids lourds (type tracteurs routiers), l’hydrogène produit à partir d’un mix 100% renouvelable permet d’obtenir des performances carbone meilleures que le bioGNV, et très proches de la technologie batteries. Par ailleurs, sur ces types de véhicules, non seulement les batteries seront régulièrement confrontées à leurs limites (perte de chargement utile, contraintes opérationnelles), mais en plus le bioGNV ne sera sans doute pas produit en quantité suffisante pour l’ensemble de ces besoins de transport lourd. L’hydrogène pour se révéler pertinent pour le ferroviaire pour certains usages où l’électrification, même frugale (à l’aide de batteries), est disqualifiée économiquement ou techniquement. Quant à l’aviation, c’est le gros point d’interrogation, le directeur de la DGAC ayant annoncé récemment qu’il faudra attendre 2025 pour affirmer ou non si les technologies seront suffisamment matures pour lancer un tel avion.

En conclusion pour Carbone 4, tant que l’offre d’hydrogène « vert » n’existe pas sur le marché (ou reste embryonnaire), il est contreproductif de pousser les applications de l’hydrogène dans les transports (surtout la mobilité légère), puisqu’il existe déjà des alternatives matures, disponibles et au moins autant décarbonées, comme le bioGNV ou les batteries.

Pour le train, une étude de l’ADEME publiée en septembre 2020 souligne l’opportunité de la solution hydrogène pour le train, qui reste complémentaire notamment à celle de l’électrification des voies tant par sa pertinence économique sur des lignes régionales ayant un trafic moins dense, que par sa capacité à stimuler des écosystèmes hydrogène locaux et à valoriser l’expertise française à l’international.

Enfin, selon le consortium européen Fuel Cells and Hydrogen Joint Undertaking, les poids lourds à hydrogène seraient économiquement rentables d’ici 2027, si les volumes de production augmentent rapidement. Sous réserve de l’amélioration des performances techniques et économiques, le rapport évalue à 110.000 le nombre de camions à pile à combustible qui pourraient être utilisés sur les routes européennes d’ici 2030 ; pour une économie de 11 millions de tonnes de CO2 rejeté.

Que font les constructeurs et les équipementiers ?

Certains constructeurs automobiles se sont engagés fortement dans l’hydrogène, comme Toyota qui est historiquement le pionnier de l’hydrogène et de la technologie de la pile à combustible. Toyota vient d’ailleurs de lancer la deuxième génération de la Mirai en commande sur le marché (la première génération datait de 2014), avec un prix qui s’aligne avec ceux des voitures électriques à batterie, 67 900 € soit 15% moins cher que la première génération. Les premiers véhicules seront livrés au printemps prochain. Toyota travaille également sur les bus et camions hydrogène. La société, également pionnière de l’hybride, n’est pas favorable aux véhicules 100% électriques. En effet, selon Akio Toyoda son président, le manque d’infrastructures et la problématique de la demande en électricité ne permettent pas d’envisager le véhicule 100% électrique à batterie comme solution pour la mobilité. Selon lui, le Japon pourrait se retrouver à court d’électricité durant l’été si toutes les voitures fonctionnaient exclusivement sur batterie. Toyota mise donc sur l’hydrogène car le temps de recharge très bref et l’autonomie comparable à celle d’un modèle à essence pallient les défauts rédhibitoires de l’électrique. De plus, Toyota croit énormément dans le potentiel de progrès de la technologie hydrogène. Il faut noter par ailleurs que le Japon va investir plus de quinze milliards d’euros, d’ici 2030, pour accroître sa capacité à produire de l’hydrogène.

Parmi les précurseurs des voitures à hydrogène, on trouve également Honda (avec le modèle Clarity Fuel Cell) et Hyundai avec le modèle Nexo. Le groupe Hyundai croit d’ailleurs fermement en l’hydrogène et vient d’entamer la construction de sa première usine de systèmes de pile à combustible en Chine. Pour Hyundai, il s’agit de se positionner dès maintenant sur le marché chinois du véhicule à hydrogène qui devrait connaitre une forte croissance au cours des prochaines années.

Mais certaines marques font part de leurs réserves concernant l’hydrogène. Audi a par exemple effectué un revirement en 2020. En effet, en 2019, la marque annonçait des développements pour l’hydrogène. Fin 2020, son patron affirmait ne pas croire pas en ce carburant, dont la production pose toujours problème. Les projets hydrogène sont gelés pour le moment chez ce constructeur. Même scepticisme du côté de Volkswagen : le PDG du groupe allemand est un farouche opposant à l’hydrogène. Scania (la filiale poids-lourds) a d’ailleurs annoncé son intention d’abandonner l’hydrogène au profit de la batterie.

Les autres constructeurs allemands sont plus nuancés et investissent à la fois dans la technologie batterie et la technologie hydrogène. Ainsi, BMW a prévu de sortir en 2022 un SUV X5 à hydrogène. La marque va profiter du partenariat qui la lie à Toyota depuis 2013 pour exploiter la technologie. Par ailleurs, BMW cible 20 % d’électriques batteries et hybrides rechargeables d’ici 2023. Daimler, qui a une usine de production de pile à combustible (dans laquelle il avait investi avec l’aide de Ford, et qu’il a rachetée à Ballard), a préféré arrêter les frais dans l’hydrogène pour l’automobile et a transféré cette activité au sein de sa branche camions. Et il va travailler avec Volvo pour lancer des poids-lourds à l’hydrogène à partir de 2023. Quant à Opel, qui a travaillé sur l’hydrogène du temps où il appartenait à General Motors et a sorti plusieurs véhicules, il va mettre à profit son expertise pour aider le groupe PSA à se lancer dans cette forme d’énergie.

Du côté des français, l’heure est également au développement des deux technologies en fonction des gammes. Renault a lancé une nouvelle joint-venture avec le spécialiste américain Plug Power pour concevoir et développer en France une nouvelle gamme de véhicules utilitaires à hydrogène. PSA va également proposer des versions hydrogène de ses utilitaires. Ces véhicules vont intégrer de la technologie française avec une pile à combustible de Symbio et des réservoirs de Faurecia. Les premiers véhicules, destinés aux professionnels, seront lancés fin 2021. Le constructeur prévoit de passer à une phase plus industrielle (il faudrait environ 30 000 véhicules /an) entre 2022 et 2023 pour baisser les coûts.

Le groupe Volvo a créé une filiale dédiée à l’électrification de ses gammes pour contribuer à développer l’activité batteries du groupe tout au long du cycle de vie ainsi que l’offre client pour l’infrastructure de charge. Par ailleurs, Volvo a signé en novembre dernier un accord avec Daimler actant la création d’une entreprise commune pour développer, produire et commercialiser des systèmes de piles à combustible dédiés aux poids lourds. Volvo se positionne donc sur les batteries pour les véhicules légers et l’hydrogène pour les véhicules lourds.

Il existe de nombreux projets et expérimentations concernant les bus et poids lourds hydrogène à pile à combustible. Voici les dernières annonces lues dans la presse :

• En Suisse, Gebruder Weiss teste son premier camion à hydrogène avec Hyundai ;
• Navistar va travailler avec General Motors et oneh2 dans les camions à hydrogène ;
• Toyota développe des prototypes de camions à hydrogène avec plus de 480 km d’autonomie ;
• MAN prévoit de tester des camions à hydrogène en 2023 ;
• Des bus à hydrogène bientôt testés à Delhi ;
• Toyota entre au capital de deux entreprises portugaises en vue du déploiement d’autobus à hydrogène ;
• L’Italien Rampini (fabricant de bus) se lance dans l’hydrogène ;
• Les bus à hydrogène Van Hool ont parcouru plus de 10 millions de kilomètres ;
• Suède : Transdev commande deux bus à hydrogène à Solaris ;
• Barcelone commande huit bus à hydrogène à CaetanoBus ;
• Irlande : un bus à hydrogène en test à Dublin ;
• Go4City : un nouveau projet allemand de bus urbain à hydrogène ;
• Les groupes RATP et CaetanoBus testent un bus hydrogène ;

Mais l’électrification des bus et des poids lourds se fait également via la technologie des batteries. On peut citer entre autres :

• RATP et Enedis collaborent pour électrifier les bus ;
• Heuliez Bus verdit à tout prix avec ses bus électriques ;
• Van Hool a expédié son premier car électrique CX45E aux USA ;
• VDL Bus & Coach lance la nouvelle génération de Citea électriques, un concept de bus entièrement basé sur une chaîne de traction électrique ;
• Effenco propose des poids lourds électriques au même prix que les diesel ;
• Volta Trucks et Petit Forestier électrifient la distribution frigorifique;
• Renault lance le premier camion de chantier électrique.

Concernant le train Alstom, Talgo, Canadian Pacific, Siemens, Snam, développent ou projettent de développer des trains à hydrogène. Le constructeur ferroviaire français Alstom a misé depuis plusieurs années, avant tout le monde, sur le train à hydrogène et pile à combustible pour remplacer les rames locales fonctionnant au diesel. L’entreprise qui a une longueur d’avance sur les autres, a établi des partenariats en Italie, Allemagne, aux Pays-Bas, en Autriche et attend des décisions en Suède, Royaume-Unis et France pour tester son train à hydrogène, baptisé Coradia iLint.

Conclusion

Au vu des différents scenarios exposés précédemment, il semblerait qu’un compromis se dessine, avec un mix de motorisation constitué de véhicules légers à batterie et de véhicules lourds à hydrogène.

Plusieurs verrous doivent encore être levés. Lesquels constituent des opportunités pour nos entreprises françaises, si elles pensent disposer d’une solution qui pourrait aider à répondre aux défis identifiés.

Voici les principaux axes de développement/opportunités :

Pour la mobilité à batteries :

• Réduction du temps de recharge
• Déploiement du réseau de bornes de recharge
• Augmentation de la densité d’énergie (kWh/kg) et de puissance (kW/kg)
• Réduction de l’autodécharge (la voiture ne démarre plus après quelques semaines d’arrêt sans tourner)
• Mise au point de la filière de recyclage

Pour la mobilité à hydrogène :

• Durabilité PAC (aujourd’hui, il faut changer la PAC à mi vie du véhicule)
• Fiabilité des composants du système hydrogène (nombreux défauts liés à la casse prématurée des composants du système)
• Réduction des coûts (CAPEX ou coût d’achat, OPEX ou coût d’exploitation)
• Augmentation de la compacité des PAC (en Kw/litre)
• Mise au point de réservoirs conformables (éviter les réservoirs cylindriques, encombrants)
• Développement du réseau de stations-services, notamment haut débit pour les poids lourds
• Massification et automatisation de la production des composants (réduction des coûts)

Apports de la filière Carnauto 

Les experts de la filière Carnauto travaillent sur les axes d’innovations nécessaires au développement de ces technologies : batteries, piles à combustible, motorisation…On peut citer par exemple parmi nos partenaires :

• Institut Carnot ESP : Projet Recyclion : le Groupe de Physique des Matériaux, en partenariat avec le CRISMAT, a mis au point un procédé durable de recyclage des composés contenus dans les batteries lithium-ion, permettant d’isoler les éléments chimiques contenus dans ces matériaux, tels que le lithium, le cobalt, le nickel, le manganèse, le fer (déclaration d’invention en cours de rédaction). Cet Institut Carnot propose de plus la plateforme Véhicules hybrides et électriques pour développer des stratégies de gestion de l’énergie afin d’améliorer la fiabilité, la sûreté de fonctionnement et l’optimisation de la consommation énergétique des véhicules hybrides et électrifiés.
• L’Institut Carnot IFPEN Transport et Energies : propose la plateforme Bancs d’essais de machines électriques dont les activités concernent les systèmes moteurs et véhicules, l’amélioration des moteurs et des véhicules de demain, notamment l’électrification des véhicules et la conception de systèmes de véhicules hybrides.
• Institut Carnot Energies du Futur : propose la plateforme Pile à Combustible qui permet une approche unique au monde de conception et d’optimisation des piles de type PEMFC. Cet institut Carnot propose également la plateforme Réalisation Batterie qui rassemble les compétences et les équipements lourds permettant de développer et de fabriquer à petite échelle des batteries lithium-ion ainsi que la plateforme Stockage et Production d’hydrogène dont les activités visent l’exploitation de l’hydrogène en tant que source d’énergie, grâce à des procédés innovants de production et de stockage.

Pour en savoir plus : rendez-vous le 30/03 de 13h30 à 14h pour notre webinar, présenté par Pierre Leduc chef de projet “Véhicules électrifiés et pile à combustible” à l’institut Carnot IFP Energies Nouvelles Transports Energie.

Vous avez des questions? N’hésitez pas à nous les poser.

Notre contenu vous intéresse?  ABONNEZ-VOUS À NOTRE NEWSLETTer

Crédits

Battery by Xinh Studio from the Noun Project

fuel cell by Wuppdidu from the Noun Project

conclusion by Adrien Coquet from the Noun Project