Le bus électrique est-il dans vos moyens?

En ouverture de la table ronde organisée par l’IFP Énergies nouvelles (IFPEN) sur le thème « Électrification des transports: Quels potentiels pour quels usages? », Maxime Pasquier, chef de service adjoint du service transport et mobilité de l’Ademe rappelle la diversité des contraintes auxquelles est soumis le secteur des transports. Sur le plan de l’énergie, il doit diversifier ses technologies en raison de sa trop grande dépendance vis-à-vis du pétrole. D’un point de vue environnemental, il doit composer avec les émissions polluantes et avec l’épuisement des ressources. Il devrait s’interroger sur la pertinence du glissement actuel qui consiste à délaisser les énergies fossiles au profit de terres rares qui deviendront à leur tour des ressources pénuriques. À cela s’ajoutent la nécessaire réduction des émissions de gaz à effet de serre (GES), les aspects économiques, mais aussi réglementaires avec la mise en place de zones à faibles émissions (ZFE) ou celle des péages urbains. Face à tout cela, le marché réagit en multipliant les offres technologiques. Les motorisations GNV, GNV hybride, diesel hybride, hybride rechargeable, électrique à batterie, électrique à prolongateur d’autonomie ou électrique avec générateur à hydrogène ne sont que quelques exemples qui illustrent la diversité actuelle.

Or, Maxime Pasquier souligne qu’« il faut réfléchir à l’usage avant de réfléchir à l’offre. Certaines technologies sont mieux positionnées que d’autres pour certains cas d’usage. Face à la compétition entre les différentes alternatives au diesel, a-t-on les moyens de suivre toutes ces trajectoires? Jusqu’à quel stade de développement faut-il pousser une filière avant de l’abandonner ou de la conserver? On ne peut pas développer partout toutes les infrastructures nécessaires à toutes les technologies. C’est l’usage qui détermine le choix d’une technologie. À propos de transition énergétique, plus on fait les efforts tôt, plus on aura les gains rapidement ». Intervenant lors de la journée de la filière organisée par la Fédération française de carrosserie (FFC), Marc Mortureux, directeur général de la Plateforme automobile (PFA), tempère: « l’industrie du transport est perçue comme polluante et menteuse. Par ailleurs, il est important que le cadre réglementaire respecte le principe de la neutralité technologique. Or ce cadre réglementaire impose d’aller très vite vers l’électrification. »

« Le véhicule électrique ne doit pas être envisagé de manière isolée. Il fait partie d’un système qui comprend la production, la distribution et le stockage de l’énergie électrique. « Zéro émission » ou « zéro bruit » à propos des véhicules électriques, ce sont des slogans. Derrière ces slogans, il y a une réalité complexe. La vraie question à propos des véhicules électriques est celle du mode de production de l’électricité. S’il s’agit d’électricité produite à partir de charbon comme en Pologne, le bilan environnemental est calamiteux. Si l’électricité est produite à partir de panneaux photovoltaïques dont la fabrication a fait appel à des terres rares, il y a un problème environnemental d’épuisement de ressources non renouvelables. L’impact environnemental global est donc le résultat de différentes filières. Il s’agit non seulement de celle de l’énergie du puits à la roue, mais aussi de celle des matériaux dans leur capacité à être exploités, industrialisés et recyclés en économie circulaire. Le véhicule électrique a sûrement sa part parmi les solutions, mais est-ce une part de niche ou bien une part plus importante? » explique Bernard Favre, ancien directeur de la recherche de Volvo-Renault Trucks.

Pour Rémi Berger, directeur de l’innovation de Cara, « il faut ramener l’humain au centre du débat et trouver des solutions innovantes pour la mobilité urbaine. Le véhicule doit s’intégrer dans les réseaux de données et d’énergie en innovant pour le stockage de l’énergie. Cara a été impliqué dans une réflexion sur la standardisation des interfaces de recharge pour les bus électriques. Il faut se demander qui va payer pour passer aux véhicules électriques. Ce problème économique est actuellement subi par les collectivités qui subventionnent massivement le transport de personnes. Aujourd’hui, les véhicules électriques ne sont que très faiblement déployés en France. Nous avons encore besoin d’un retour d’expérience après essai des innovations sur le terrain afin de nous assurer qu’elles sont assez matures pour aller à la rencontre du marché. Il faut par ailleurs envisager l’impact du véhicule électrique sur l’emploi car, sur l’ensemble de sa chaîne de valeur, il générerait six fois moins d’emplois que les véhicules thermiques ».

Et il en émet avant d’avoir roulé, même lorsqu’il utilise une électricité produite de manière décabornée. « Il faut distinguer les émissions de CO₂ liées à la fabrication de la batterie et celles qui le sont à la production de l’électricité. Le coût environnemental d’une batterie est loin d’être négligeable. Fabriquer une batterie de 300 kWh entraîne l’émission de 40 t de CO₂. Ce qui nous sauve en France, c’est d’avoir une électricité très peu carbonée. Cependant, le marché veut des véhicules électriques avec de l’autonomie, donc avec de grosses batteries dont la fabrication émet beaucoup de CO₂. Aujourd’hui, les véhicules hybrides réduisent nettement les émissions de CO₂ par rapport au diesel et ne nécessitent aucune modification des infrastructures ou des missions. L’hybride rechargeable est particulièrement intéressant si on démarre la journée avec une batterie pleine » déclare Cyprien Ternel, chef de projet mobilité durable à l’IFPEN.

L’annonce de la « neutralité carbone » en 2050 et la fin de la commercialisation des voitures particulières émettrices de GES en 2040 associées à la diabolisation mal justifiée du diesel Euro VI créent un contexte qui incite les élus à s’intéresser à l’électrification de leurs réseaux d’autobus. Rendu public en avril dernier, le rapport E4T (étude économique, énergétique et environnementale pour les technologies du transport routier français) de l’Ademe et de l’IFPEN précise que pour un kilométrage annuel de l’ordre de 40 000 km et une durée de détention de 12 ans, le bus électrique n’est pas une solution économiquement intéressante aujourd’hui. Il l’est d’autant moins si l’on considère l’infrastructure de recharge associée. Son TCO est pénalisé par le coût d’investissement et par celui du remplacement de la batterie.

Le TCO des solutions hybrides est aujourd’hui plus intéressant que celui de la référence conventionnelle, avec une image écologique qui permet actuellement de déployer massivement ce type de solution. Selon ce rapport, le bus électrique devrait approcher, voire dépasser les niveaux de rentabilité des solutions hybrides en 2030, surtout si l’on arrive à limiter la taille de la batterie par l’utilisation de recharges intermédiaires. Avec une électricité décarbonée, l’impact des bus électriques sur les GES est intéressant. En effet, le coût environnemental de la fabrication de la batterie est rapidement amorti grâce au nombre de kilomètres parcourus par ce type de véhicule. De plus, le cycle de roulage des bus est particulièrement favorable à la motorisation électrique.

Exploités en délégation de service public par la Semitag (marque TAG), les infrastructures et le matériel roulant des transports grenoblois appartiennent au syndicat mixte des transports en commun de l’agglomération grenobloise (SMTC). Dans un contexte de politique locale en faveur de la qualité de l’air, le SMTC a décidé en 2016 de sortir du diesel d’ici 2021, ce qui exclut l’achat de nouveaux bus hybrides. Sans expérience vis-à-vis des bus électriques, le SMTC a mené deux campagnes d’évaluations entre 2016 et 2018 en liaison avec l’Ademe, le CARA (ex-LUTB-RAAC) et le CEA. Ce dernier a conseillé de miser sur une durée de vie de batterie de 5 ans. Le SMTC a donc fondé son étude sur cette fréquence de remplacement et sur une durée de détention des bus fixée à 20 ans.

Six bus électriques de 12 mètres (Alstom, Bolloré, Heuliez, Irizar, Solaris, Yutong) ont été pris en location pendant un à trois mois et utilisés en service commercial. Pour ceux qu’il n’a pas été possible d’équiper pour ces missions, le service a été simulé au mieux. Lors des essais, ces bus avaient des capacités comprises entre 65 et 95 passagers. Certains souffraient donc d’une capacité inférieure d’un tiers à celle des bus thermiques. Cette situation a depuis évolué favorablement. Il ne faut pas oublier que pour rouler pendant une journée, un bus a besoin de batteries qui pèsent 3 tonnes, ce qui représente 40 passagers. Les essais menés pendant l’hiver 2017, relativement rigoureux à Grenoble, ont montré que le chauffage double la consommation électrique. Il est donc nécessaire de recourir à des brûleurs pour maintenir l’autonomie au détriment de l’aspect environnemental.

Globalement, les essais menés à Grenoble ont permis de recueillir des avis favorables de la part des conducteurs et des passagers. Ces derniers s’interrogent toutefois sur la production verte de l’électricité, sur le recyclage des batteries et sur l’impact de l’électrification sur le coût du titre de transport. Sur ce dernier point, les usagers peuvent être rassurés car il est exclu de leur faire supporter le surcoût. À propos de celui-ci, l’analyse de coûts réalisée par un cabinet spécialisé en début d’année 2017 révèle que le moins cher des bus électrique revient 50 % plus cher qu’un bus GNV en coût total de possession (TCO).

Constatant que le bus électrique n’est pas encore totalement mature et qu’il évolue très vite, les élus grenoblois décident d’acheter des bus GNV en 2017 et 2018. Ce choix est renforcé par la disponibilité des infrastructures de remplissage puisque la Semitag utilise des bus GNV depuis 2002. Toutefois, seul l’un de ses trois dépôts est équipé pour le GNV. L’équipement des deux autres n’étant pas prévu, le développement du parc GNV entraîne une augmentation des parcours haut-le-pied et donc, celles des coûts et des émissions de CO₂. Ceci dit, le GNV acheté par la Semitag est, pour un tiers, du biogaz produit localement et pour lequel elle paie une garantie d’origine. Fin 2018, le réseau grenoblois exploite 250 bus répartis entre diesel (28 %), hybrides (23 %) et GNV (49 %). En 2019, il va acquérir des bus articulés GNV ainsi que 5 à 10 bus électriques de 12 m.

Ce premier achat de bus électriques a des allures d’essais en vraie grandeur. « Le premier frein opérationnel du bus électrique est l’autonomie. Il est peu probable qu’il parvienne à réaliser le service conçu pour un bus thermique et il nécessite des adaptations de lignes par l’exploitant. On ne peut pas remplacer un bus thermique par un bus électrique, il en faut 1,2 ou 1,3 par bus thermique remplacé. Et encore, cela correspond à la situation de bus électriques avec des batteries neuves. La situation se dégrade avec le vieillissement des batteries. En outre, les constructeurs refusent de s’engager sur les performances de leurs batteries dans un contexte non déterminé à l’avance. Leur garantie est associée à une ligne et à des conditions d’emploi précises parmi lesquelles la vitesse est un facteur dimensionnant. Le bus électrique manque donc de souplesse opérationnelle », explique Stéphanie Cohen chargée de mission par le SMTC de l’agglomération grenobloise.

La réglementation européenne ne s’intéresse qu’au CO₂ émis par l’échappement. Elle ne considère pas le cycle du carbone. Dans ces conditions, un véhicule utilisant un carburant issu de la biomasse émet à ses yeux autant de CO₂ que celui qui roule avec un carburant fossile, même si ce biocarburant est neutre sur le cycle du carbone envisagé intégralement. Ce point de vue favorise les bus électriques mais s’ils roulent avec une électricité produite en brûlant du charbon. L’Ademe plaide donc pour que la réglementation européenne se fonde désormais sur l’analyse du cycle de vie (ACV) qui seule donne une vision sincère de l’impact environnemental d’une solution de transport. L’IFPEN dispose déjà de nombreux biocarburants, mais leur utilisation est freinée à la fois par la myopie de la réglementation européenne et par la diabolisation des moteurs Euro VI.

« À propos du véhicule électrique, quand on se demande “J’y vais-j’y vais pas?”, la première préoccupation doit être celle de la recharge », rappelle Stéphane Kodjabachian, responsable du département stratégie mobilité durable chez Enedis, dont 10 % des 18 000 véhicules légers sont aujourd’hui électriques. Il raconte que lors de leur introduction, les véhicules électriques faisaient un peu peur. Il a fallu accompagner le changement en formant le personnel à l’écoconduite et en lui expliquant l’impact qu’ont certains équipements sur l’autonomie, notamment le chauffage. À l’horizon 2035, Enedis prévoit qu’il y aura entre 3 et 9 millions de véhicules électriques en France. Avec l’hypothèse la plus élevée, 12 millions de points de charge seraient nécessaires. Cela entraînerait un coût d’insertion compris entre 400 et 850 euros par véhicule léger électrique.

« Même avec 9 millions de véhicules électriques, les simulations sont rassurantes et il n’y a pas de dégradation de la qualité de la fourniture d’électricité à craindre », déclare François Dispot, chef de service études stratégiques au sein de la direction de la planification et de l’économie des réseaux chez Enedis. Face aux coûts, il avertit: « On ne peut pas développer la mobilité électrique pendant une période de vaches maigres. » Pour équiper les quelque 500 stations-service d’autoroute avec une puissance de 5 MWh pour chacune, il serait nécessaire de les raccorder au réseau moyenne tension, ce qui ne pose pas de problème particulier. Le hic, c’est le stationnement d’un nombre élevé de véhicules pendant plusieurs dizaines de minutes. Cela oblige à revoir totalement les aires de repos.

En laissant de côté la production de l’électricité, toutes les contraintes subies par le véhicule électrique tournent autour de sa batterie (masse, encombrement, autonomie, sécurité, temps de charge). Or la batterie n’est pas une fatalité, surtout sur des lignes régulières urbaines où la solution électrique la plus raisonnable est le trolleybus. Oui, mais le trolleybus, ça nécessite des lignes de contact aériennes perçues comme une pollution visuelle. Il faut que l’on m’explique pourquoi ces câbles sont acceptés lorsqu’un tramway roule dessous alors qu’ils sont refusés lorsqu’il s’agit d’un trolleybus.

Curieusement, le tramway est à la mode depuis le milieu des années 1980 et déploie sans problème ses lignes de contact. Inversement, le trolleybus est vu comme un moyen de transport démodé et ses câbles sont rejetés. Parmi les 25 réseaux français qui ont introduit ou réintroduit le tramway depuis 1985, seuls quatre recourent, en général partiellement, à l’alimentation par le sol (APS d’Alstom). Disponible, cette solution est transposable au bus électrique qui peut dès lors diviser par dix la capacité de ses batteries. De manière surprenante, il n’y a pas de demande de la part des agglomérations françaises pour cette solution de bon sens qui a l’avantage de fournir une infrastructure de recharge en roulant qui est utilisable par tous les véhicules, depuis la voiture particulière jusqu’au poids lourd.

Professeur en génie électrique industriel et en automatisation à l’université de Lund en Suède, Mats Alaküla est spécialiste des véhicules électriques et hybrides ainsi que des routes électrifiées. En Suède, le gouvernement s’intéresse à l’électrification des routes et compare les différents procédés de captage. Le système à deux fils et à pantographes proposé par Siemens n’est destiné qu’aux poids lourds. Or une infrastructure de charge associée à la voirie doit être utilisable par tous les usagers. C’est le cas pour les bandes conductrices noyées dans l’enrobé (Elways), pour le rail proéminent Elonroad posé sur l’enrobé et, bien sûr, pour l’APS d’Alstom utilisé par des tramways depuis 2003.

Pour Mats Alaküla, « il est important que les intérêts des entreprises privées et la volonté politique se rejoignent pour mettre en place des routes électriques car le modèle choisi doit permettre une croissance rapide. Quand une société veut évoluer vers l’électromobilité, le choix de la technique de recharge est très important ». Selon lui, la route électrique est cinq fois moins chère que la solution actuellement appliquée et qui consiste à embarquer le plus de batteries possible à bord des véhicules et à les recharger pendant qu’ils sont à l’arrêt.

Hors route électrique, le schéma actuel d’électrification du parc français conduirait à terme à mettre en place un parc de 35 millions de voitures électriques (avec une capacité moyenne de 75 kWh) et de 800 000 poids lourds électriques (avec une capacité moyenne de 500 kWh). Le parc lourd serait chargé par 350 000 chargeurs de 150 kWh coûtant 500 euros par kWh et ayant une durée de vie de 25 ans. Avec des batteries coûtant 100 euros par kWh et ayant une durée de vie de 10 ans sur les voitures et de 2 ans sur les camions, l’électrification du parc représente un coût de 47 milliards d’euros par an. Ce prix ne comprend que les batteries et leurs systèmes de charge. Avec la route électrique, ce coût annuel est ramené à 10 milliards d’euros car le parc roulant se contente de batteries plus petites (15 kWh sur les voitures, 100 kWh sur les camions). Cela nécessite toutefois l’installation de « routes électriques » sur le réseau national et autoroutier (21 000 km) pour un coût d’un million par kilomètre et une durée de vie des installations fixes estimée à 20 ans. La route électrique amène son lot de contraintes qui concernent l’adhérence, la réparabilité de la chaussée et la viabilité hivernale. Développée depuis 2011, la version routière de l’APS comprend un dispositif de positionnement automatique du frotteur sur la bande de contact.

Responsable de la solution route électrique d’Alstom, Patrick Duprat déclare: « Un véhicule est fait pour transporter des personnes ou des marchandises, pas des batteries. Le modèle défendu par Tesla n’est donc pas viable. Avec une batterie de capacité modeste, on se donne l’autonomie nécessaire aux parcours entre les zones électrifiées. Celles-ci peuvent être optimisées, par exemple en équipant les montées, mais pas les descentes. Le modèle français se prête plutôt bien à l’électrification des autoroutes. Les entreprises concessionnaires des autoroutes pourraient être prêtes à investir dans l’électrification de leurs réseaux contre un allongement de la durée de leurs concessions. »

À Grenoble, le captage du courant par le véhicule électrique est envisagé hors du centre-ville, où le trolleybus s’alimenterait à partir d’une batterie embarquée. C’est un compromis. L’APS présente toutefois des avantages environnementaux évidents et il élimine les problèmes de recharge et d’autonomie. Si la réglementation veut imposer le véhicule électrique, qu’elle commence par électrifier l’infrastructure afin que l’exploitation des véhicules électriques lourds et légers se débarrasse des contraintes liées à la batterie.

Marion Perrin, docteur en électrochimie et chef du service stockage et systèmes électriques du CEA, nous rappelle que les batteries lithium-ion actuelles sont toutes constituées d’éléments unitaires de 3,6 ou 3,7 V montés en série ou parallèle. Elle explique « toutes les technologies de batteries ne marchent pas à -20 °C et à + 70 °C. Il faut déterminer la méthode d’utilisation d’une batterie de manière à ne pas précipiter la dégradation de ses performances ». À propos du recyclage des batteries, « on a une solution pour recycler le lithium des batteries, mais elle est chère. Elle deviendra compétitive quand les ressources naturelles de lithium s’épuiseront », précise Marion Perrin. Utilisé pour les appareils électroniques et pour les véhicules, le principe lithium-ion n’est pas une panacée. Par exemple, pour un stockage en grande quantité comme à La Réunion, on utilise plutôt le sodium-soufre.

Tandis que l’on tire 10 kWh d’un litre de pétrole, les batteries lithium-ion fournissent au mieux 250 Wh/kg. Experte en systèmes de stockage de l’énergie au CEA, Florence Fusalba rappelle que les premières batteries lithium-ion ne dépassaient pas 100 Wh/kg et qu’elles devraient atteindre jusqu’à 500 Wh/kg. Le CEA travaille sur le lithium-soufre en visant 600-700 Wh/kg et fonde de grands espoirs sur les solutions qui utilisent les gaz de l’air comme le fait la « pile à hydrogène ». Elles permettent de ne pas embarquer toute la pile, contrairement aux systèmes actuels qui doivent contenir à la fois le carburant et le comburant. Dans cette perspective, on obtiendrait 1 kWh/kg avec le lithium-air qui nécessite à la fois un flux d’air et de la tuyauterie. Comme le lithium-air, le zinc-air a besoin d’une électrode à air réversible. C’est cette électrode qui pose actuellement des problèmes. Parmi les autres pistes, le sodium-ion s’appuie sur un élément très abondant. Le CEA travaille également sur les batteries calcium-ion et magnésium-ion.

Pour un bus diesel, le carburant représente 40 % du TCO alors que pour un bus électrique, l’électricité n’en représente que 10 %. En raison de son coût d’achat très élevé et du remplacement de ses packs de batteries, un bus électrique a un TCO supérieur d’au moins 50 % à celui d’un bus thermique. Les performances des véhicules actuels imposent par ailleurs de remplacer un bus thermique par au moins 1,2 bus électrique. Cela porte le surcoût à 80 %, sans compter le prix des infrastructures de recharge et la dispendieuse protection des dépôts contre l’incendie. En incluant le surcoût d’un bioGNV qui permet de rouler « totalement décarboné », un bus GNV revient toujours beaucoup moins cher qu’un bus électrique.

En hiver, les passagers gardent naturellement leurs vêtements chauds à bord du bus, ce qui permet de limiter le chauffage. En revanche, la clientèle a aujourd’hui pris l’habitude de circuler l’été à bord de véhicules climatisés. La climatisation a un très fort impact sur l’autonomie. Cela explique les efforts déployés dans ce domaine par Mercedes pour son eCitaro.

Vous cherchez plus cher que le bus électrique? Pensez à l’hydrogène! Un bus électrique à batteries est cher à l’achat, mais il compense partiellement son surcoût par le faible prix de l’électricité. Avec une « pile à combustible » qui utilise l’hydrogène, c’est la double punition. Non seulement le véhicule est encore plus cher qu’un bus à batterie, mais en plus, il subit le coût de l’hydrogène dont la production, la compression, voire le transport, sont onéreux. Ils ne le sont pas que pour le portefeuille. Ils le sont aussi sur le plan énergétique puisque, globalement un bus hydrogène consomme trois fois plus d’électricité qu’un bus à batteries. Il n’en reste pas moins que la solution hydrogène tente de se justifier pour des missions aujourd’hui incompatibles avec la capacité des batteries. Portée par la dynamique de la Zero Emission Valley qui verra la mise en place de 20 stations hydrogène, l’agglomération grenobloise envisage l’hydrogène pour certaines de ses lignes de bus articulés mais ne prévoit pas d’achat à court terme.

En 45 minutes, la Terre reçoit du Soleil l’énergie consommée par l’humanité en une année. Si la Terre reçoit 1 kWh d’énergie solaire par mètre carré, 300 m² de panneaux photovoltaïques ayant un rendement de 17 % produiraient 50 kWh et permettraient de recharger un bus (300 kWh) en six heures. Oui, mais le soleil ne brille pas sur demande et se fait discret pendant la nuit tandis que les bus sont au dépôt. D’autre part, la production de panneaux photovoltaïques est elle-même très énergivore.