Aspects énergétiques de la mobilité électrique : état des lieux et enjeux généraux pour le territoire du canton de Genève - Systèmes ...
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Aspects énergétiques de la mobilité électrique : état
des lieux et enjeux généraux pour le territoire du
canton de Genève
Jérôme FAESSLER
Stefan HUNZIKER
Pierre HOLLMULLER
Bernard LACHAL
Mai 2012
Réalisé dans le cadre du Partenariat SIG – UNIGE
Responsable UNIGE : B. Lachal
Responsable SIG : R. Völki
Groupe Energie
Institut Forel / Institut des Science de l’Environnement
Site Battelle ‐ Bat D ‐ 7 route de Drize ‐ CH 1227 Carouge
www.unige.ch/energie
UNIGE : Aspects énergétiques de la mobilité électrique
Remerciements
Nous tenons à remercier les institutions et personnes suivantes pour leurs apports dans le
cadre de l’élaboration de ce rapport :
Pr Pini et ses collaborateurs de l’Observatoire de l’Université (OUM) ;
M. Christian Bach et le département moteur à combustion interne de l’EMPA ;
MM. Heinrich et Michel des Transports Publics Genevois (TPG).
2
UNIGE : Aspects énergétiques de la mobilité électrique
Liste des abréviations
AFVG : Agglomération Franco‐Valdo‐Genevoise
AIE : Agence Internationale de l’Energie
AIG : Aéroport International de Genève
ATE : Association Transport et Environnement
CFF : Chemins de Fer Fédéraux
EMPA : Laboratoire fédéral d'essai des matériaux et de recherche
FIT : Forum International des Transports
LEP : Litre Equivalent Pétrole
OFEN : Office Fédéral de l’Energie
OCSTAT : Office Cantonal de la statistique
SIG : Services Industriels de Genève
TC : Transports Collectifs
TCS : Touring Club Suisse
TPG : Transports Publics Genevois
UNIGE : Université de Genève
VP : Voiture Privée
VIM : Véhicule Individuel Motorisé
3
UNIGE : Aspects énergétiques de la mobilité électrique
Table des matières
Résumé ....................................................................................................................................... 6
Avant‐Propos .............................................................................................................................. 8
Contexte général .................................................................................................................... 8
Objectifs du rapport ............................................................................................................... 8
1 Introduction générale sur les liens entre mobilité et énergie ........................................... 9
1.1 Statistiques énergétiques internationales des transports ........................................ 10
1.2 Différentes visions de la mobilité .............................................................................. 11
1.3 Enjeux locaux de la mobilité électrique..................................................................... 13
2 Mobilité électrique ........................................................................................................... 14
2.1 Filières énergétiques des véhicules à moteurs ......................................................... 15
2.2 Définitions des systèmes à propulsion électrique..................................................... 16
2.3 Etat des lieux des systèmes à propulsion électrique :............................................... 18
2.3.1 Alimentation directe par caténaire (train, tram, trolley) ................................... 18
2.3.2 Véhicule électrique (voiture, scooter) ............................................................... 18
2.3.3 Véhicule hybride (voiture, vélo) ......................................................................... 19
2.4 Analyse simplifiée de quelques filières énergétiques des véhicules à moteurs ....... 21
2.4.1 Filières électriques ............................................................................................. 21
2.4.2 Filières fossiles traditionnelles ........................................................................... 27
3 Etat des lieux des statistiques de transports, mobilité et énergie................................... 32
3.1 Données Suisse .......................................................................................................... 33
3.1.1 Infrastructures et coûts des transports.............................................................. 33
3.1.2 Mobilité des personnes ...................................................................................... 35
3.1.3 Transport des marchandises .............................................................................. 38
3.1.4 Energie ................................................................................................................ 40
3.1.5 Résumé des données énergétiques des transports en Suisse ........................... 46
3.2 Données genevoises .................................................................................................. 47
3.2.1 Infrastructures et coûts des transports.............................................................. 47
3.2.2 Mobilité des personnes ...................................................................................... 48
4
UNIGE : Aspects énergétiques de la mobilité électrique
3.2.3 Energie ................................................................................................................ 50
3.2.4 Résumé des données énergétiques des transports à Genève ........................... 53
3.3 Données AFVG ........................................................................................................... 54
3.4 Zoom sur le faible enjeu énergétique du développement des vélos et scooters
électriques ............................................................................................................................ 57
4 Enjeux quantitatifs pour SIG d’un transfert de la motorisation thermique vers une
motorisation électrique............................................................................................................ 58
4.1 Scénario simplifié d’un transfert de la motorisation thermique vers une
motorisation électrique........................................................................................................ 58
4.1.1 Véhicules individuels motorisés ......................................................................... 59
4.1.2 Transports publics (bus) ..................................................................................... 61
4.2 Enjeux globaux pour SIG ............................................................................................ 63
5 Conclusions....................................................................................................................... 67
Liste des tableaux ..................................................................................................................... 68
Liste des figures ........................................................................................................................ 68
Bibliographie ............................................................................................................................ 71
Annexe 1 : calculateur d’énergie pour trolley et tram (caténaire)
Annexe 2 : calculateur d’énergie pour véhicule électrique à batterie
Annexe 3 : calculateur d’énergie pour véhicule électrique à batterie ou caténaire (normalisé
à 100% = énergie utile sur la roue)
Annexe 4 : données détaillées des voitures électriques
Annexe 5 : données détaillées des voitures hybrides
Annexe 6 : évolution de la consommation énergétique des TPG (2000 à 2010)
Annexe 7 : production d’électricité nécessaire pour la même énergie utile sur la roue des
véhicules électriques que sur la roue d’un bus diesel
Annexe 8 : mesures TPG – campagne 2002
5UNIGE : Aspects énergétiques de la mobilité électrique
Résumé
La mobilité électrique est un thème complexe, étudiée ici dans le but d’extraire les
principaux enjeux réels et les impacts potentiels que cette nouvelle forme de mobilité peut
avoir sur une entreprise comme les SIG, fournisseur local d’électricité.
Formellement, le transport n’est pas équivalent à la mobilité mais représente une
consommation énergétique importante au niveau local et global, entre 25 et 30% de
l’énergie finale. En suisse, cette consommation énergétique par habitant est trois fois plus
élevée qu’au niveau mondial.
La mobilité annuelle d’un suisse représente environ un demi‐tour du monde (19'000 km),
dont plus de la moitié se parcourt en véhicule individuel motorisé (VIM). L’énergie finale
consacrée aux transports est d’environ 1'200 W/hab, dont 50 proviennent du vecteur
électricité.
A Genève, on observe une stabilité du temps de déplacement des personnes et une
diminution des kilomètres parcourus entre 2000 et 2005. L’énergie finale utilisée pour les
transports reste plus faible à Genève qu’en Suisse, ce qui paraît logique au vu de la structure
urbaine du canton. La répartition exacte des consommations de l’aéroport international de
Genève sur la population locale est sujette à débat.
Il existe de nombreuses filières énergétiques des véhicules à moteurs. Dans ce travail, la
mobilité électrique a été définie comme étant toute forme de déplacement utilisant de
l’électricité, de manière partielle ou totale, comme vecteur énergétique pour le transport.
Trois grands systèmes à propulsion électrique peuvent être spécifiés : véhicules à caténaire,
véhicules électrique et véhicules hybride. Les pertes minimales et maximales de ces
différentes filières sont détaillées dans ce rapport et restent assez variables tout en
dépendant de nombreux facteurs.
Globalement, en fixant les limites du système au vecteur d’énergie (essence/diesel ou
électricité), la mobilité électrique équivaut à une moyenne de 2.3 Lep1/100 km, nettement
plus efficace que la moyenne suisse des nouvelles immatriculations des véhicules à moteurs
thermiques de 6.62 l/100 km. Cependant, selon le mode de production d’électricité et les
modes de conduite, la mobilité électrique n’est globalement pas toujours plus efficiente que
la mobilité thermique. Les mesures effectuées par les transports publics genevois (TPG) il y a
une dizaine d’années ont permis de valider ponctuellement nos estimations théoriques pour
les véhicules à caténaire.
1
Litre équivalent pétrole
6UNIGE : Aspects énergétiques de la mobilité électrique
Quantitativement et qualitativement, les enjeux futurs pour les SIG peuvent être explicités
comme suit :
La massification des vélos et des scooters électriques correspond à un enjeu
négligeable, de l’ordre de 2 W/hab (moins de 10 GWh ou 0.3% de la consommation
électrique du canton) ;
Un transfert de l’ensemble de la flotte diesel des bus TPG vers des trolleybus
engendrerait une consommation supplémentaire de la part des TPG relativement
faible ‐ de l’ordre de 6 W/hab (25 GWh ou moins de 1% de la consommation
électrique du canton) ‐ soit grosso modo la consommation actuelle de 26 GWh ;
Enfin, concernant les véhicules individuels motorisés, en prenant en compte une
couverture de la moitié des distances actuellement accessibles avec des véhicules à
batterie (distance parcourue plus faible que 100 km, soit 30% du total, voir Figure
33), la consommation d’électricité supplémentaire serait de l’ordre de 45 à 70 W/hab
(180 à 280 GWh ou 6 à 10% de la consommation électrique du canton).
L’économie de carburant induite par cette substitution du fossile par de l’électricité pourrait
être réinvestie dans une turbine à gaz à cycle combiné avec cogénération, aboutissant à une
couverture complète des besoins d’électricité pour cette mobilité, voire un solde positif de
près de 100 GWh électrique, tout en obtenant un gain « net » de 200 GWh de chaleur à
injecter dans des réseaux thermiques. Schématiquement, on peut représenter ces différents
transferts et gains comme suit :
Economies
carburant ELECTRICITE
MOBILITE THERMIQUE
(hors mobilité)
‐ 675 GWh
+ 215 à 315 GWh ‐ 5 à + 95 GWh + 200 GWh
Solde Electricité Chaleur
Turbine à Gaz à
produite
cycle combiné
Electricité avec récupération
mobilité de chaleur
7UNIGE : Aspects énergétiques de la mobilité électrique
AvantPropos
Contexte général
L’énergie consacrée à la mobilité est en constante progression et constitue l’usage le
plus difficile à maitriser du point de vue énergétique. Dans les agglomérations, la
situation est plus contrastée avec des possibilités d’améliorer notablement l’efficacité
énergétique grâce à la faible distance de parcours, la haute densité de population ainsi
que la convergence avec d’autres politiques concernant l’aménagement de l’espace
public, la lutte contre la pollution de l’air et contre le bruit. La mobilité électrique peut
être une solution bien adaptée à l’espace urbain et péri‐urbain. Par mobilité électrique,
on entend non seulement la voiture électrique mais aussi les diverses autres
possibilités de se mouvoir grâce à la « fée électricité » : du vélo électrique au train en
passant par le tram et le trolley.
Objectifs du rapport
Face à la complexité de la thématique, ce rapport poursuit trois objectifs distincts mais
complémentaires :
1. Positionnement de la problématique de la mobilité électrique dans le système
énergétique ;
2. Analyse des données statistiques suisses et genevoises ;
3. Enjeux et impacts potentiels pour les SIG.
Après une introduction générale sur les liens entre les problématiques énergétiques et de
mobilité, un état des lieux des différents systèmes de propulsion pouvant influencer la
consommation électrique locale est détaillé. Quelques filières énergétiques simplifiées sont
explicitées pour les véhicules individuels motorisés et pour les transports publics. Les
différentes statistiques disponibles pour la Suisse et le canton de Genève (transport, énergie,
mobilité) sont examinées en détail afin d’en tirer quelques enseignements quant aux enjeux
réels que la mobilité électrique peut avoir sur une entreprise comme les SIG, fournisseur
local d’électricité.
8UNIGE : Aspects énergétiques de la mobilité électrique
1 Introduction générale sur les liens entre mobilité et
énergie
Afin d’éviter toute confusion entre les notions de mobilité et de transport, il est important
de bien définir ces termes pour pouvoir évaluer au mieux leurs relations avec l’énergie.
Selon le petit Larousse, les transports correspondent à l’« ensemble des divers modes
d’acheminement des marchandises ou des personnes », tandis que la mobilité est la « facilité
à se mouvoir, à être mis en mouvement, à changer, à se déplacer ». En fait, la notion de
mobilité est relative à l’individu tandis que le transport correspond aux différents modes
possibles pour déplacer des personnes ou des marchandises (voiture, train, bus, vélo, etc…).
De manière générale, on peut dire que « chaque individu dispose d’un potentiel de mobilité
qu’il utilise pour profiter des opportunités offertes par la société. Une partie de la mobilité
réalisée est obligée : par le motif, par la localisation du lieu de départ ou d’arrivée, par la
temporalité. La réalisation de la mobilité engendre une demande de transport » (PINI G.,
2011).
La mobilité réalisée a tendance à augmenter avec l’augmentation de l’offre de transport,
mais l’organisation spatiale, les infrastructures et le comportement des individus jouent
chacun un rôle important dans cet accroissement. De nos jours, un des grands enjeux de la
mobilité est de conserver ses potentialités, de maximiser les effets positifs tout en réduisant
les externalités négatives, notamment la consommation d’énergie fossile.
Les liens entre la mobilité et l’énergie ne sont pas manifestes, même si les modes de
transport influencent grandement les quantités d’énergie consommées. En réalité, la
mobilité est relativement indépendante du prix de l’énergie car on considère que
l’organisation spatiale du territoire et le comportement des individus sont décisif dans les
critères de choix du type de mobilité. Certains auteurs prétendent même que « les
transports sont une activité très complexe, dont l’analyse énergétique est loin d’être
pertinente » (p.36, FRIBOURG Y., 1999).
Très souvent, en parlant de mobilité, on pense à un mode de transport spécifique, la voiture.
Cette focalisation sur la voiture est liée à notre système de valeur occidental, à
l’individualisation de nos sociétés, à l’esprit de liberté associé à ce mode de transport et,
bien entendu, aux statistiques énergétiques.
Aujourd’hui, la dépendance au pétrole du secteur des transports est extrêmement forte et
demeure « le noyau dur des consommations pétrolières » (p.6, BOSSEBOEUF D., 1999).
Toutefois, nous vivons dans un monde qui ne comptabilise que les litres d’essence, de diesel
et de kérosène. En réalité, les kilomètres parcourus à pied restent le mode de transport
majoritaire parmi la population mondiale en terme de temps de parcours journalier.
9UNIGE : Aspects énergétiques de la mobilité électrique
1.1 Statistiques énergétiques internationales des transports
Au niveau international, la consommation d’énergie finale des transports a été multipliée
par 2,2 entre 1971 et 2005 (DESSUS B. et GIRARD P., 2008). Les statistiques de l’agence
internationale de l’énergie (AIE) montrent une croissance de près de 50% de la demande
énergétique des transports entre 1990 et 2009 pour atteindre une somme de 2’283 Mtep
d’énergie finale, dont 23 via de l’électricité (IEA, 2011). Ces 23 Mtep représentent environ
1% de la consommation électrique mondiale ou quatre fois la consommation électrique de la
Suisse.
Selon le mode de transport, les statistiques énergétiques indiquent les chiffres suivants pour
2005 (voir le Tableau 1 ci‐dessous) :
MONDE Energie Finale 2005
Mtep W/hab %
Transports routiers 1630 333 77
Transports aériens 235 48 11
Transports ferroviaires 61 12 3
Transports maritimes 206 42 9
TOTAL Transports 2132 435 100
Tableau 1 : Energie finale par mode de transport en 2005 (DESSUS B. et GIRARD P., 2008)
On observe que les trois quarts de la consommation énergétique des transports concernent
le transport routier, dont le tiers correspond au transport routier de marchandises (DESSUS
B. et GIRARD P., 2008). Les transports aériens représentent le mode au plus fort taux de
croissance relatif mais reste encore dans un ordre de grandeur plus faible que les transports
routiers.
Les scénarios de l’AIE imaginent une consommation croissante de la demande énergétique
pour les transports avec un taux annuel de 1.4% qui aboutirait à 3’257 Mtep en 2035, dont
58 Mtep via l’électricité, soit une multiplication par 2.5 de la mobilité électrique par rapport
aux statistiques 2009 (IEA, 2011).
D’autres scénarios tels que ceux du Forum International des Transports (FIT) de l’OCDE
supposent une forte expansion de la mobilité mondiale d’ici 2050, avec des multiplications
de 3 à 4 en terme de voyageurs‐kilomètres (personnes) et de 2.5 à 3.5 en terme de tonnes‐
kilomètres (marchandises). L’augmentation se ferait essentiellement dans les pays hors
10UNIGE : Aspects énergétiques de la mobilité électrique
OCDE au vu de l’apparent « effet de saturation » dans les économies à revenu élevés (FIT,
2011).
Ces différents scénarios sont dépendants de nombreux paramètres et l’objectif ici n’est pas
de rentrer dans les détails. On retiendra que tous les scénarios imaginent une croissance
mondiale de l’énergie consacrée aux transports avec une forte croissance de la mobilité
électrique. Globalement, cette dernière n’impacte aujourd’hui que faiblement les transports
et l’énergie ‐ de l’ordre de 2% ‐ à la fois relativement à la consommation énergétique liée
aux transports et relativement à la consommation électrique totale mondiale.
1.2 Différentes visions de la mobilité
En fait, la mobilité impacte la consommation d’énergie mais n’en dépend pas vraiment, dans
le sens où d’autres aspects priment généralement sur le choix de se mouvoir et sur le mode
de transport utilisé. On peut citer trois facteurs principaux générant la mobilité réalisée (PINI
G., 2011) :
l’organisation spatiale, soit la localisation des lieux de domicile, de travail, de loisirs,
d’achats ;
l’offre de transport, soit les moyens de transport disponibles ;
l’individu, soit les caractéristiques socio‐économiques (âge, sexe, revenu, etc…) des
individus.
Ces trois facteurs sont imbriqués et ne se modifient que sur le long terme, d’où une certaine
inertie dans l’évolution de la mobilité, un peu comme dans le cas des mutations du système
énergétique.
On pense parfois qu’il suffit de donner accès aux gens aux transports collectifs (TC) pour
qu’ils les prennent et diminuent donc leur consommation spécifique en énergie pour les
transports. Cependant, une recherche effectuée dans les années nonante auprès des
usagers a permis de montrer qu’en situation théorique de choix modal, « la
complémentarité entre les transports publics et l’automobile n’existe pas du point de vue de
nombreux usagers. Dès lors, susciter un transfert modal suppose avant tout une politique
d’aménagement du territoire axée sur les transports publics et une politique volontariste de
gestion du stationnement. » (KAUFMANN V., 1999).
Lorsqu’on réfléchit aux enjeux de la mobilité, d’éventuelles contraintes liées à l’énergie ne
rentrent en général pas vraiment en ligne de compte, même si l’objectif d’augmenter la part
des TC dans la mobilité des personnes permet une efficacité accrue du système et donc une
diminution globale de la consommation énergétique.
11UNIGE : Aspects énergétiques de la mobilité électrique
Au niveau économique, la tarification de l’usage de l’infrastructure a normalement
beaucoup plus d’impact que le niveau de prix du carburant sur le mode de transport.
Dans une vision prospective, on peut imaginer que de nouvelles formes de mobilité sont
amenées à se développer en ville, comme le montre le schéma ci‐dessous (Figure 1).
Figure 1 : typologies de mobilité selon différentes institutions gestionnaires et différents usages (CERTU, 2007)
Entre une vision purement Voiture Privée (VP) en bas à gauche et une vision purement
Transports Collectifs (TC) en haut à droite, la diversité des formes de mobilité est grande : on
peut partager le véhicule ou le trajet, avoir des système plus ou moins collectifs, avec des
gestionnaires qui peuvent être des entreprises, des associations ou des collectivités
publiques.
En résumé, une grande diversité est possible dans la mobilité en ville. Dans ce cadre là, la
mobilité électrique a sans doute beaucoup d’avenir.
12UNIGE : Aspects énergétiques de la mobilité électrique
1.3 Enjeux locaux de la mobilité électrique
Le sujet de la mobilité électrique est fortement lié à la ville et à son organisation spatiale
complexe. En effet, les villes et les agglomérations concentrent aujourd’hui la majorité des
problèmes liés à une mobilité dépendante de modes de transport à énergie fossile :
engorgements, pollutions locales (particules fines, NOx, bruit, hydrocarbures imbrûlés),
impacts négatifs sur l’activité économique, accidents, etc…
Les pollutions locales peuvent être attribuées à l’utilisation de moteurs à combustion
interne. Un véhicule à propulsion électrique ne produit en principe que très peu de pollution
locale et peut donc contribuer à l’amélioration de la qualité environnementale d’une ville ou
d’une agglomération.
Concernant des aspects plus globaux liés aux filières thermiques ou électriques comme les
émissions de CO2, cela dépend des frontières du système et de nombreux rendements qu’il
n’est pas toujours aisé de calculer précisément. Cette problématique est traitée plus
spécifiquement dans le prochain chapitre, après un tour d’horizon des différents systèmes
de propulsion électriques.
Les aspects de cycle de vie de l’ensemble du véhicule et des infrastructures liées ne sont pas
traités dans ce rapport.
13UNIGE : Aspects énergétiques de la mobilité électrique
2 Mobilité électrique
Durant tout le développement des transports motorisés, l’électricité a joué un rôle
important. Les premiers véhicules électriques datent du milieu du 19ème siècle
(www.voitureelectrique.net/histoire‐de‐la‐voiture‐electrique, consulté en février 2012) et
précédait de 50 ans les voitures avec moteur à combustion. Pendant les premières années
du 20ème siècle, les voitures à essence et les voitures électriques se partageaient le marché
de l’automobile à parts égales. La première voiture à avoir dépassé les 100 km/h en 1899
était électrique, la première voiture 4x4 en 1900 était électrique et, dès la fin du 19ème siècle,
les trains et trams abandonnaient la vapeur pour l’électricité. (www.snotpg.ch, consulté en
février 2012).
Pour les transports publics (trains, trams, et trolleybus), l’électricité a gardé son rôle de
vecteur principal d’énergie grâce aux infrastructures de lignes mises en place, permettant
une alimentation continue en courant.
Pour les transports individuels motorisés, le besoin d’embarquer dans le véhicule l’ensemble
de l’énergie pour se déplacer pose la question de l’autonomie temporelle et spatiale. En
effet, le grand désavantage de la propulsion électrique est la faible densité énergétique des
batteries : 35 à 200 Wh/kg selon le type de batterie (http://batteryuniversity.com, consulté
en février 2012), à comparer aux 12'000 Wh/kg de l’essence. Cette question de l’autonomie
explique pourquoi à partir de la première guerre mondiale, les voitures électriques ont
quasiment disparu au profit des voitures à combustibles fossiles.
Aujourd’hui, avec la fin programmée des ressources fossiles et la problématique lancinante
des changements climatiques liés à leur utilisation, la propulsion électrique est souvent
considérée comme une solution « miracle » qui va reprendre une place importante dans le
transport individuel. Encore faut‐il que l’électricité produite soit réellement « verte » et que
les filières soient globalement « meilleures » que pour les filières fossiles. Ce sont les
questions que nous approfondissons dans ce chapitre.
14UNIGE : Aspects énergétiques de la mobilité électrique
2.1 Filières énergétiques des véhicules à moteurs
Schématiquement, on peut illustrer les différentes filières énergétiques des véhicules à
moteur en partant d’une énergie primaire (fossile, renouvelable ou nucléaire), puis en
passant par différentes énergies secondaires afin d’aboutir au moteur qui permettra le
déplacement (Figure 2) :
Energie et Transport
utilisation
énergie brute vecteur d’énergie
d’énergie
hydraulique
électricité caténaire
solaire moteur
éolien électrique
batterie
biogaz
nucléaire
pile à moteur
H2
biodiesel combustible hybride
essence, diesel
gaz naturel
GPL, charbon
bioéthanol
moteur à
biomasses
(déchets organiques
combustion
coproduits agricoles interne
déchets de bois)
Figure 2 : schéma général des filières énergétiques des véhicules à moteurs
On distingue trois familles de filières issues des différentes énergies brutes :
1. Les filières à énergie non renouvelable (en noir sur la Figure 2) :
La filière fossile classique qui part d’un combustible fossile pour propulser un
véhicule par un moteur à combustion interne ;
La filière fossile‐électrique où un combustible fossile est transformé en électricité
pour propulser un véhicule à l’aide d’un moteur électrique. L’électricité peut être
stockée dans un accumulateur à bord du véhicule ou passer par un réseau de
caténaires ;
Les filières hydrogène, où celui‐ci est produit soit par thermolyse d’hydrocarbures,
soit par électrolyse de l’eau grâce à l’électricité ou encore par thermolyse de l’eau
avec des combustibles fossiles. Cet hydrogène est ensuite utilisé pour propulser un
15UNIGE : Aspects énergétiques de la mobilité électrique
véhicule par un moteur à combustion interne ou à travers une pile à combustible
pour alimenter un moteur électrique. Cette dernière filière n’existe pour l’instant
qu’à l’état de prototype.
2. Les filières à énergies renouvelables (en bleu ou vert sur la Figure 2) :
Les filières de production d’électricité à partir d’hydraulique, de solaire ou d’éolien
(en bleu), utilisée pour propulser un véhicule électrique. L’électricité peut être
stockée dans un accumulateur à bord du véhicule ou passer par un réseau de
caténaires. Il est aussi envisageable de passer par un système à hydrogène déjà décrit
précédemment ;
Les filières issues de la biomasse (en vert) : il s’agit de la transformation de biomasse
en différents vecteurs énergétiques (biogaz, biodiesel, bioéthanol, ou électricité). On
représente seulement le cas des biocarburants issus de déchets ou de coproduits
agricoles car la filière de production énergétique pose des problèmes éthiques
importants (concurrence avec l’alimentation).
3. Les filières à énergie nucléaire (en rouge sur la Figure 2) :
Cette filière de production d’électricité est simplement explicitée ici mais n’est pas
détaillée. L’électricité ainsi produite peut alimenter plusieurs des systèmes déjà
développés ci‐dessus.
2.2 Définitions des systèmes à propulsion électrique
La mobilité électrique peut être définie comme toute forme de déplacement utilisant de
l’électricité, de manière partielle ou totale, comme vecteur énergétique pour le transport.
Trois grandes catégories de mobilité électrique avec plusieurs sous‐catégories peuvent être
définies :
1. Alimentation électrique directe par caténaire :
o Train
o Tram
o Bus Trolley
2. Véhicule électrique :
o Voiture
o Scooter
o Bus
3. Véhicule hybride :
o Voiture
o Vélo électrique
16UNIGE : Aspects énergétiques de la mobilité électrique
Schématiquement, les différentes filières utilisant la propulsion électrique peuvent être
symbolisées comme suit (Figure 3) :
Electricité et Transport
électricité caténaire moteur électrique
moteur électrique
batterie
moteur hybride
carburant
type «hybride plug in»
moteur hybride
type «hybride léger»
Figure 3 : schéma simplifié des différents systèmes à propulsion électrique
Les différents systèmes explicités ci‐après correspondent à des types de véhicules en cours
de commercialisation ou se trouvant déjà sur le marché. Chacun de ces dispositifs a des
avantages et des désavantages, certains ont déjà fait leurs preuves dans la réalité tandis que
d’autres sont au stade de prototype avancé.
17UNIGE : Aspects énergétiques de la mobilité électrique
2.3 Etat des lieux des systèmes à propulsion électrique :
2.3.1 Alimentation directe par caténaire (train, tram, trolley)
L’électricité est distribuée sur un réseau de caténaires sur lesquels le moteur du véhicule est
branché directement. Il n’y a pas de stockage intermédiaire dans le véhicule et donc pas de
pertes de stockage ni de pertes de temps liées à la recharge de ce stockage intermédiaire.
Dans le cas des trains, la récupération de l’énergie de freinage fonctionne très bien et
contribue à un rendement énergétique très élevé.
Selon l’analyse de l’Association Transport et Environnement (ATE), un passager de train
consomme sept fois moins d’énergie qu’un passager de voiture (ATE, 2011). Par rapport aux
véhicules à diesel ou à essence, le bilan de CO2 est excellent si l’électricité est produite avec
des énergies renouvelables.
Un point négatif à relever est l’installation d’un système complexe et peu esthétique de
caténaires le long des trajets des bus, qui empêche l’adaptation facile des itinéraires.
A Genève, le nombre de trolley bus est passé de 73 à 91 unités entre 1998 et 2010 tandis
que le nombre de trams augmentait de 46 à 82 unités (OCSTAT : tableau T 11.04.1.01,
disponible sous www.ge.ch/statistique).
2.3.2 Véhicule électrique (voiture, scooter)
Les véhicules 100% électriques sont des voitures (par exemple Nissan Leaf, Tesla Roadster),
des scooters (par exemple Peugeot e‐vivacity, el‐moto), voire des bus (voir annexe 4).
L’électricité est distribuée par le réseau et stockée dans une batterie à bord du véhicule. La
propulsion se fait uniquement via un moteur électrique. Par rapport aux véhicules à diesel
ou essence, la pollution locale et le bruit diminuent fortement.
Le rendement du moteur électrique est supérieur au moteur thermique et certains systèmes
permettent d’augmenter le rendement de propulsion en récupérant l’énergie de freinage.
Si l’électricité provient d’énergies renouvelables, le bilan de CO2 est meilleur que pour une
voiture avec moteur à combustion. Les pertes se situent surtout au niveau du cycle de
charge et de décharge de la batterie.
Les problèmes typiques sont l’autonomie réduite pour les voitures et le temps de recharge
important pour tous les types de véhicules électriques. La duré de vie des batteries et les
couts énergétiques de fabrication et de recyclage des batteries posent aussi des difficultés.
(NOTTER D. et al., 2010).
Concernant le scooter électrique, il aurait probablement un grand potentiel à Genève, mais
pour le moment, son développement reste marginal (environ 3’000 scooters électriques
vendus en Suisse entre 2009 et 2011 selon www.motosuisse.ch, consulté en février 2012).
18UNIGE : Aspects énergétiques de la mobilité électrique
2.3.3 Véhicule hybride (voiture, vélo)
La voiture hybride combine deux technologies de propulsion, un moteur à combustion
interne et un moteur électrique avec batterie.
Les avantages par rapport à une motorisation classique sont les suivants : la combinaison du
moteur électrique et du moteur à combustion interne permet l’utilisation d’un moteur
thermique plus petit et plus économe. Pour la phase d’accélération, le moteur électrique est
couplé au moteur thermique, ce qui garantit des accélérations correctes malgré la petite
taille du moteur à combustion interne.
Pour les trajets courts et à basse vitesse comme en ville, le moteur électrique assure seul la
propulsion. En phase de freinage, le moteur électrique récupère l’énergie en fonctionnant en
mode générateur pour recharger la batterie.
Sur les longs trajets à haute vitesse (autoroute) le moteur thermique reprend la propulsion.
Dans certains concepts, le moteur thermique est découplé complètement des roues et
tourne seulement pour recharger la batterie. L’idée est de toujours conserver le moteur
thermique à un régime optimal afin d’assurer une consommation minimale et de profiter du
meilleur rendement énergétique du moteur électrique.
Les désavantages du concept hybride sont la complexité et le poids élevé du système par
rapport à un véhicule classique ainsi que des prix encore relativement élevés. Comme le
surpoids du système moteur thermique, moteur électrique et batterie est assez indépendant
de la taille du véhicule, les économies d’énergie par rapport à une propulsion classique pour
la même taille de véhicule sont plus importantes pour les grandes voitures que pour les
petites.
A Genève comme ailleurs, on relève un nombre croissant de particuliers et d’entreprises qui
achètent des véhicules hybrides. La Toyota « Prius », la Honda « insight Hybride » et les
modèles de la marque Lexus sont actuellement les plus répandus (voir annexe 5).
Le second type de véhicule hybride est le vélo électrique, qui consiste en une combinaison
de la force musculaire et du moteur électrique. Ce dernier est alimenté par une batterie que
l’utilisateur charge sur le secteur. Les modèles les plus sophistiquées sont en plus équipés
d’un système de récupération de l’énergie de freinage.
Parmi les principaux avantages, on peut citer le fait qu’il est moins contraignant que le vélo
classique, qu’il a une plus grande autonomie qu’un scooter électrique pour une même taille
de batterie et qu’il ne génère pas de pollution locale.
19UNIGE : Aspects énergétiques de la mobilité électrique
Pendant les 3 dernières années, le marché des vélos électriques à Genève et en Suisse a subi
un accroissement phénoménal, avec l’ouverture de magasins spécialisés et plusieurs
fabricants Suisses (par exemple Stromer, Flyer, Stöckli‐ET) très actifs sur le marché (voir
détails au chapitre 3.4).
Relevons encore que deux types de véhicules hybrides existent :
Les véhicules hybrides « Plug In », dont la batterie peut être rechargée en la
branchant sur le secteur (par exemple Opel Ampera ou tous les vélos électriques). Ce
système permet de rouler en mode électrique sur les premiers 20 à 80 km de chaque
trajet, ce qui recoupe la plupart des parcours en ville.
Les véhicules hybrides « léger », dont la batterie est uniquement rechargée par la
récupération d’énergie de freinage ou par le générateur couplé au moteur à
combustion interne. L’autonomie en mode électrique est de quelques km seulement.
Les voitures de ce type comme la Toyota Prius n’ont donc aucune influence sur la
consommation électrique.
20UNIGE : Aspects énergétiques de la mobilité électrique
2.4 Analyse simplifiée de quelques filières énergétiques des véhicules à
moteurs
En fonction du type de moteur (thermique ou électrique), l’évaluation de l’ensemble de la
chaîne des rendements peut différer selon les conditions de conduite, par exemple entre la
conduite urbaine ou rurale. Par ailleurs, il est complexe de considérer l’ensemble des filières
déterminées au chapitre 2.1, c’est pourquoi la production d’électricité ou l’extraction et le
transport du pétrole ne sont pas pris en compte ici.
Le périmètre du système est ainsi fixé aux frontières du canton de Genève. On compare les
besoins en énergie secondaire (électricité ou essence) selon la même unité d’énergie
mécanique « sur la roue en mouvement » pour les filières thermiques ou électriques.
2.4.1 Filières électriques
Pour estimer l’impact d’une électrification partielle de la mobilité sur le réseau des SIG, il
faut d’abord connaitre le rendement énergétique global des différentes étapes de chaque
filière de transport (alimentation par caténaire ou véhicule électrique). Chaque système est
divisé en ses composantes principales depuis le fournisseur d’énergie jusque à la roue du
véhicule, permettant d’évaluer le rendement global à partir du vecteur « électricité » (voir
Figure 4).
rendement énergétique de « l’électricité à la roue »
SIG
réseau
Pertes: 5‐7%
client
transport – transformation propulsion
chargeur batterie variateur moteur
pertes: 7‐25% pertes: 5‐25% pertes: 5‐15% pertes: 5‐25%
auxiliaires
pertes: 10‐40%
convertisseur
caténaire variateur moteur
AC/DC pertes: 5‐7% pertes: 5‐15% pertes: 5‐25%
pertes: 2‐5%
auxiliaires
pertes: 15‐40%
Figure 4 : schéma général des différents rendements de « l’électricité à la roue »
21UNIGE : Aspects énergétiques de la mobilité électrique
Les chiffres pour les rendements des différentes composantes varient beaucoup selon la
source (données des fabricants ou mesures réalisées par des organisations indépendantes).
Trois séries de schémas ont été réalisés ci‐après : les premiers et deuxièmes avec des
véhicules de transports publics alimentés par caténaire ou batterie, les derniers avec des
véhicules individuels à batterie (voir annexes 1, 2 et 3). Tous ces systèmes sont 100%
électriques. Les calculs retenus sont soit l’ensemble des pertes minimales, soit l’ensemble
des pertes maximales pour chacune des composantes du système. Le rendement technique
réel se retrouve donc dans cette fourchette. A noter que les rendements des moteurs
électriques ne changent que très peu selon la charge.
Le détail de ces filières aboutit aux six figures suivantes (Figure 5, Figure 6, Figure 7, Figure 8,
Figure 9 et Figure 10) :
22Figure 5 : Pertes minimales « du réseau à la roue » d’un véhicule des transports publics 100% électrique (via caténaire)
Figure 6 : Pertes maximales« du réseau à la roue » d’un véhicule des transports publics 100% électrique (via caténaire)
23Figure 7 : Pertes minimales « du réseau à la roue » d’un véhicule des transports publics 100% électrique (via batterie)
Figure 8 : Pertes maximales « du réseau à la roue » d’un véhicule des transports publics 100% électrique (via batterie)
24Figure 9 : Pertes minimales « du réseau à la roue » d’un véhicule individuel 100% électrique (batterie)
Figure 10 : Pertes maximales « du réseau à la roue » d’un véhicule individuel 100% électrique (batterie)
25UNIGE : Aspects énergétiques de la mobilité électrique
En résumé, les rendements minimaux et maximaux des filières électriques sont (Tableau 2) :
Rendement Rendement
minimal maximal
Filière transports publics à caténaire (tram 28% 69%
ou trolleybus)
Filière transports publics à batterie (bus) 22% 66%
Filière véhicule individuel à batterie 18% 69%
Tableau 2 : rendement minimaux et maximaux des filières électrique de « l’électricité à la roue »
Il existe une certaine variabilité dans la consommation des différents modèles électriques,
selon la taille et le type de véhicule. Quelques exemples de consommations mesurées par
des organismes indépendants sont listés ci‐dessous (Tableau 3) :
Consommation en
Marque et modèle Type de voiture
Wh/km
SAM EV II 3‐cycle 80
Peugeot iOn compact mini 135
Tesla Roadster coupé sport 161
Citroën C‐Zéro compact mini 161
Nissan Leaf compact 124
Renault Kangoo Z.E. utilitaire 129
Renault Fluence Z.E. Voiture familiale 157
Smart e‐drive (test en
compact mini 276
conditions hivernales)
MOYENNE 153
Tableau 3 : consommations mesurées par des organisations indépendantes de différents véhicules existants sur
le marché suisse (voir annexe 4)
Globalement, on voit que la consommation électrique mesurée à la sortie de la batterie est
d’environ 150 Wh/km. En se plaçant au niveau du réseau SIG (selon la moyenne des Figure 9
et Figure 10, voir annexe 2), on obtient donc une consommation équivalente de 23 kWh/100
km ou 2.3 litre équivalent pétrole/100 km (sans tenir compte du rendement de la production
électrique).
26UNIGE : Aspects énergétiques de la mobilité électrique
2.4.2 Filières fossiles traditionnelles
Pour les filières fossiles, deux différences fondamentales doivent être soulignées par rapport
aux filières électriques :
d’une part, l’extraction et la production de pétrole présente un très bon rendement
tandis que la production d’électricité dépend passablement de la filière utilisée (voir
chapitre 2.1) ;
d’autre part, le moteur à combustion interne présente un rendement assez faible
tandis que le moteur électrique possède de très bons rendements.
C’est pourquoi en considérant les limites du système au vecteur d’énergie (essence/diesel ou
électricité), on favorise de facto les filières électriques.
Ci‐après les pertes minimales et maximales « du réservoir à la roue » des véhicules
individuels à essence (Figure 11 et Figure 12) ou à diesel (Figure 13 et Figure 14) sont
présentées :
27UNIGE : Aspects énergétiques de la mobilité électrique
Figure 11 : pertes minimales « du réservoir à la roue » d’un véhicule individuel à essence
Figure 12 : pertes maximales « du réservoir à la roue » d’un véhicule individuel à essence
28UNIGE : Aspects énergétiques de la mobilité électrique
Figure 13 : pertes minimales « du réservoir à la roue » d’un véhicule individuel à diesel
Figure 14 : pertes maximales « du réservoir à la roue » d’un véhicule individuel à diesel
29UNIGE : Aspects énergétiques de la mobilité électrique
En résumé, les rendements des deux grandes filières fossiles sont (Tableau 4) :
Rendement Rendement
minimal maximal
Filière essence 21% 30%
Filière diesel 24% 32%
Tableau 4 : rendement minimaux et maximaux des filières fossiles « du réservoir à la roue »
Il s’agit ici de données globales de rendement de moteurs. D’autre facteurs sont également
importants lors de la comparaison des différents véhicules mais n’ont pas été pris en compte
ici : poids des véhicules, résistances à l’air et aux frottements, aides à la conduite, etc….
Pour évaluer la robustesse des schémas précédents, on peut évaluer le rapport des
rendements moyens entre les filières transports publics à caténaire (48%) et diesel (28%),
soit 1.71, et le comparer avec les données réelles des TPG.
En pratique, la consommation moyenne mesurée par les TPG sur la période 2000‐2010 est
de (voir annexe 6) :
Electricité : 3.06 kWh/km ;
Diesel : 4.98 kWh/km ;
Ce qui aboutit à un rapport de 1.63, à comparer aux 1.71 théoriques estimés ci‐dessus.
Une différence à relever dans ces différents schémas concerne le chauffage des véhicules. En
effet, pour le moteur à combustion interne, le chauffage est une valorisation des pertes
thermiques qui n’influence pas la consommation de carburant, tandis que pour un véhicule
électrique, le chauffage représente une consommation additionnelle.
Des mesures réalisées par les TPG sur des trams au début des années 1990 montrent que la
consommation des auxiliaires peut représenter jusque à 50% de la consommation totale en
période hivernale. Un test d’une petite voiture électrique (smart) par le Touring Club Suisse
(TCS) en hiver a également montré un doublement de la consommation par rapport aux
données du fabricant (voir Tableau 3). Ceci peut être imputé d’une part au chauffage et
d’autre part au mauvais rendement des accumulateurs à basse température.
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