Episode 2 : L'électrification des transports publics - Un marché à fort potentiel pour les industriels, opérateurs et investisseurs - Accuracy
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Episode 2 :
L’électrification des transports publics
Un marché à fort potentiel pour les industriels, opérateurs
et investisseurs
Septembre 2020
www.accuracy.com
Analysing.
Questioning.
Deciphering.
Discover our Perspectives on Trends,
Industries, technologies and so much more.
L’ÉLECTRIFICATION DES TRANSPORTS PUBLICS
Retrouvez l’épisode 1 :
Trois effets turbulants domineront l’électrification rapide
de nos transports publics
L’électrification des transports publics Septembre 2020 2En synthèse
Depuis une vingtaine d’années, les véhicules dans les villes, tout en trou- A. La production de batteries élec-
prises de conscience écologiques vant un équilibre économique, présente triques est actuellement assurée
dans les décisions politiques et collec- un fort enjeu stratégique. à 90% par l’Asie (60% par la Chine
tives ont conduit de nombreuses villes à elle seule). Devant la forte crois-
à travers le monde à mettre la mobilité En amont, la construction d’une filière sance du marché, le désir d’assu-
« propre » au cœur de leurs préoccu- industrielle de batteries électriques en rer une certaine indépendance et
pations. Il s’agit de développer les véhi- Europe est en cours afin de répondre la volonté d’obtenir une réelle amé-
cules à faibles émissions de polluants à cette demande, de sécuriser l’ap- lioration du bilan environnemental,
locaux (NOx, particules fines, etc.) et de provisionnement provenant actuelle- une filière européenne de batteries
polluants atmosphériques (gaz à effet ment majoritairement de Chine, créer électriques est en train d’émerger,
de serre). des emplois… et également répondre basée sur plusieurs consortiums.
à une nécessité environnementale. En La construction de cette filière
On parle d’un véhicule « propre » effet, dans les analyses de cycles de s’accompagne d’une augmenta-
lorsque celui-ci produit peu ou pas vie, quand la batterie est fabriquée en tion des capacités de production
d’émissions polluantes mais en pra- Chine le bilan environnemental du véhi- au niveau mondial, qui aura pour
tique, aucun véhicule n’est réellement cule électrique, en prenant en compte conséquence la diminution du prix
propre. Tous émettent des polluants en particulier la fabrication, peut être d’achat.
locaux et des gaz à effet de serre lors pire que le véhicule thermique ! Cepen-
de leur fabrication, de leur utilisation et dant, le déploiement de flottes élec- B. Les coûts de revient par kWh seront
de leur fin de vie. triques est complexe : il requiert un également réduits d’une part grâce
investissement initial plus important aux innovations technologiques
Cet article traite principalement des que pour une flotte classique, à la fois en cours, et d’autre part grâce à
enjeux de santé publique de la mobilité pour l’acquisition de la flotte elle-même l’amélioration des techniques de
« zéro émission directe » (nommé zéro et pour la mise en place des infrastruc- recyclage et à l’augmentation de la
émission ou ZE par souci de simplifica- tures (adaptation et modernisation des capacité des batteries.
tion) qui n’émet aucune pollution directe centres bus et dépôts, puissance de
(d’échappement), à la différence de la rechargement, etc.). Il implique de sur- C. Notre analyse de la chaîne de
mobilité décarbonée, qui émet peu ou croît des contraintes d’exploitation plus valeur et de la structure de coûts
pas de CO2 qui dépend du mix énergé- lourdes (temps de rechargement, ges- d’une batterie a permis d’identifier
tique de chaque pays. tion de la performance des batteries, les étapes de production pré-
etc.). La mise en place de ces flottes de sentant le plus de valeur ajoutée.
Les réglementations européennes transport public électrique exige donc Puis, une analyse chiffrée a permis
imposant des transports publics basse des choix financiers et stratégiques d’évaluer des leviers créateurs de
ou zéro émission ont fait croître le complexes de la part des industriels, valeur : le Smart Charging ainsi que
nombre d’appels d’offres émis par des des investisseurs et des opérateurs. le recyclage s’avèrent être deux
métropoles pour ces modes de trans- points clés dans la maximisation de
port et, en France, la loi LTECV (Loi de Le travail de fond que nous avons mené la valeur économique de la batterie
Transition Energétique pour la Crois- et synthétisé dans le présent document sur l’ensemble de son cycle de vie.
sance Verte) programme des inves- permet de comprendre les évolutions
tissements dans les infrastructures de à l’œuvre dans le secteur des batte- D. La réalisation de choix stratégiques
transport. ries électriques, mais aussi d’identifier à certaines étapes clés du cycle de
les principaux leviers de création de vie de la batterie sont cruciaux pour
A l’heure actuelle, les bus à batterie valeur, en fonction de divers scénarios exploiter au maximum son potentiel
électrique sont les solutions les plus à l’échelle de la batterie, du bus ou de de création de valeur. En particulier,
avancées d’un point de vue technique la flotte. Nous mettons enfin en lumière la manière de réutiliser la batterie en
et industriel en matière de transport d’autres tendances dans la mobilité de fin de première vie permet d’optimi-
zéro émission. La demande de bus demain, qui sont à envisager d’un point ser son potentiel économique.
électriques à batterie est donc en de vue aussi bien stratégique (nou-
forte hausse en Europe et la capacité veaux business models) que technolo-
des opérateurs à mettre en place ces gique (pile à hydrogène).
3 Septembre 2020 L’électrification des transports publicsEn synthèse [...]
E. Un modèle financier intermé- F. Par ailleurs, d’autres alternatives de
diaire faisant l’articulation entre le transports en commun basse ou
modèle du producteur et celui de zéro émission émergent aux côtés
l’opérateur de bus électriques est des véhicules à batteries élec-
en développement : il s’agit du triques, tels que les bus électriques
Battery as a Service (BaaS). Ce à hydrogène (zéro émission) ou
modèle propose à l’opérateur his- les bus au bio gaz naturel (basse
torique d’utiliser une batterie qui émission). Autant d’arbitrages à
ne lui est ni vendue ni en location effectuer pour les investisseurs,
simple, mais mise à disposition au opérateurs et autres acteurs de
moyen d’un contrat souple et sur ce secteur, et qui nécessitent un
mesure adapté à ses besoins à accompagnement stratégique sur
tout moment. mesure.
Introduction
Les nouvelles réglementations et l’ac- cette période post-confinement liée que les modèles économiques et opé-
cessibilité économique ont fait naître au Covid-19, qui a mis davantage en rationnels d’exploitation.
ou grandir dans de nombreuses villes lumière les enjeux de transition éner-
l’ambition de réduire les émissions de gétique. Comme rappelé par l’ONU, Mais commençons par rappeler les
CO2 en mettant en place des flottes de le COVID-19 « donne l’occasion à l’hu- enjeux actuels du marché des batteries
transport public zéro ou basse émis- manité de transformer cette crise en électriques.
sion. Par ailleurs, les Accords de Paris un élan planétaire pour atteindre les
pour le Climat ainsi que les lois relatives objectifs de développement durable
à la transition énergétique en Europe d’ici 2030 ».
ont fixé des objectifs précis d’ici 2025
et 2030, en particulier la loi LTECV (Loi Cependant, le parcours entre l’ambition
de Transition Energétique pour la Crois- et la mise en œuvre est semé d’em-
sance Verte) d’août 2015 en France. bûches. Par exemple la ville de Paris,
Enfin, depuis une dizaine d’années, via la RATP et Ile-de-France Mobilités,
l’amélioration des performances des visait une flotte de bus 100% propres
batteries électriques, la diversification d’ici 2025, avec 80% de bus élec-
de l’offre (autonomie, capacité, temps triques et 20% de bus à gaz naturel
de charge, …), une demande en forte (« plan bus 2025 »), mais les contraintes
croissance et la baisse des prix ont per- économiques sont telles qu’aujourd’hui
mis un essor de la mobilité électrique. l’objectif est plutôt de remplacer les
deux tiers seulement de la flotte par
Le secteur des transports zéro émis- des bus électriques, le dernier tiers
sion (électrique à batterie ou à hydro- étant constitué de bus biogaz (bio-
gène) ou basse émission (biogaz) se GNV) 1. Ces contraintes concernent
révèle encore plus stratégique dans aussi bien l’investissement financier
Source
1) De moins en moins de bus électriques dans la future flotte de la RATP, Ville Rail & Transports, Marie-Hélène Poingt, 04.03.2020
L’électrification des transports publics Septembre 2020 4Le marché actuel des batteries électriques 1
L’essor d’une filière industrielle européenne durable et compétitive des batteries
électriques
Depuis une dizaine d’années, le marché • L’augmentation de la capacité de la production chinoise à elle seule
des batteries Lithium-ion a explosé et, production mondiale, estimée à 13% représente environ 10 fois la production
aujourd’hui, deux grandes tendances par an en moyenne entre 2018 et européenne. Ainsi, 7 des 10 premiers
se distinguent (figure 1) : 2030. producteurs de batteries Li-ion au
monde sont chinois – le leader étant le
• La baisse du prix des batteries Aujourd’hui, la production mondiale de géant CATL – représentant une capa-
Lithium-ion, qui s’élevait à 209$ par batteries Li-ion tous usages confondus cité de l’ordre de 300 GWh 5.
kWh en 2017 et devrait descendre totalise une capacité de l’ordre de 500
sous la barre des 100$ par kWh d’ici GWh. L’Asie, et en particulier la Chine, Le sous-périmètre des véhicules élec-
2025 ; est largement leader dans ce secteur : triques à batterie Li-ion représente 70%
Figure 1 Evolution de la capacité de production et des prix des batteries Li-ion tout usage entre
2005 et 2030 2 3 4
Capacité de production mondiale (GWh) Prix d’une batterie Li-ion (en $/KWh)
1 400 2 000
1 800
1 200
1 600
1 000 1 400
1 200
800
1 000
600
800
400 600
400
200
200
0 0
05 06 07 08 09 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30
20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20
Capacité de production par région (en GWh)
Chine Capacité de production mondiale Prix
USA
Europe
Sources
2) Lithium-ion Battery Costs and Market, Bloomberg New Energy Finance, 05.07.2017
3) Developing a promising sector for Quebec’s economy, Propulsion Québec, avril 2019
4) Roadmap Battery Production Equipment 2030, VDMA, 2018
5) https://www.energytrend.cn/news/20191014-76629.html, Institut de recherche de point de départ (SPIR)
5 Septembre 2020 L’électrification des transports publicsLe marché actuel des batteries électriques
Figure 2 Evolution de la capacité de production de batteries Li-ion par région
(localisation selon le siège social des entreprises) 4
Europe
Chine
USA
Reste de l’Asie
Légende
2018
2030
Reste du monde*
Note (*) : La catégorie « Reste du monde »
inclut l’Australie, la Thaïlande et l’Inde.
de ce marché, soit environ 350 GWh. équilibre entre offre et demande et par- qu’un approvisionnement de matières
Et 40% de ce sous-périmètre concerne ticipe donc à une baisse des prix, tout premières sécurisé. Toutes ces condi-
plus particulièrement les bus et autres comme les gains de productivité des tions sont réunies en Europe, où l’enga-
véhicules commerciaux, soit 140 GWh. usines du fait d’économies d’échelle, gement pour la transition vers un sys-
Cette production est également large- et l’augmentation de la capacité des tème faible en émission est par ailleurs
ment dominée par la Chine et en parti- chaînes de production. Ainsi, la giga- important. La présence d’ingénieurs
culier l’entreprise chinoise CATL (70% 6 factory du constructeur Tesla dans hautement qualifiés est également un
du marché des batteries de bus), du fait le Nevada produira 35 GWh annuels atout pour les années à venir, dans un
que l’électrification des flottes de bus en en 2020 contre 20 GWh en 2018. contexte d’évolutions technologiques
Chine ait été poussée par le gouverne- De même, la société suédoise Nor- rapides. Tous ces éléments ont fait de
ment beaucoup plus tôt qu’en Europe : thvolt, partant d’une capacité initiale l’Europe une zone à haut potentiel pour
dès 2009, la ville de Shenzhen a béné- de 16 GWh, envisage le doublement la production de batteries électriques,
ficié de subventions gouvernementales de la capacité de production de son et des moyens politiques et financiers
pour le développement de sa flotte usine d’ici 2030 et atteindra 150 GWh importants y sont mobilisés pour faire
électrique. en 2050. émerger des projets européens ou
transnationaux.
Même si la production reste majoritai- Pour ce qui est de l’Europe plus par-
rement chinoise, les Etats-Unis et l’Eu- ticulièrement, la filière européenne se Ainsi, comme le montre la figure 2
rope devraient gagner des parts de construit là où les risques politiques ci-dessus, même si l’Asie reste domi-
marché : 40% de la production mon- sont faibles, les incitations financières nante sur le marché des batteries élec-
diale de batteries électriques en 2030, importantes, et les démarches admi- triques, un rééquilibrage international
contre 10% seulement en 2020. Cet nistratives facilitées. Il faut un accès va s’opérer d’ici 2030, en particulier au
essor des capacités de production aisé à de la main d’œuvre qualifiée, des niveau européen.
non-asiatiques conduira à un meilleur ressources énergétiques fiables, ainsi
Source
6) http://escn.com.cn/news/show-711124.html, China Energy Storage Network
L’électrification des transports publics Septembre 2020 6La figure 3 présente le panorama impliquées sur toute la chaîne de plus respectueuses de l’environne-
actuel de la production de cellules et valeur : BASF, BMW, Eneris, et surtout ment, présentant une durée de vie plus
de batteries électriques en Europe. la coentreprise ACC (Automotive Cells longue et un rechargement plus rapide
On y voit la forte implantation d’acteurs Company) entre PSA (et sa filiale alle- que celles actuellement sur le marché.
asiatiques, ainsi que les projets euro- mande Opel) et SAFT (filiale de TOTAL). EBA250 bénéficie de 5 milliards d’eu-
péens de construction d’usines de très Elles sont accompagnées par plus de ros de financement privé et 3,2 milliards
grande envergure, visant à structurer 120 autres entreprises et organismes d’euros de financement public, dont
une filière industrielle durable et viable de recherche partenaires, ainsi que 1 milliard provenant de la France et
économiquement. des acteurs publics tels que la Banque 1,2 milliard de l’Allemagne.
européenne d’Investissement. L’objectif
Le programme de l’Union européenne est de développer des technologies Concrètement, ACC, souvent appelé
European Battery Alliance (EBA250), hautement innovantes et durables pour l’« Airbus des batteries », va construire
lancé en octobre 2017, est constitué des batteries Li-ion (à électrolyte liquide une usine pilote dans le sud-ouest de la
de 17 entreprises privées directement et à semi-conducteurs) plus sûres, France, puis deux usines de production
Figure 3 Projets d’usines de production de cellules et de batteries en cours en Europe 7 8 9 10 11 12
Usine de batteries en activité FREYR (Norvège)
Usine en projet ou en construction 32 GWh en 2023
Mo I Rana
NORTHVOLT (Suède)
Origine des acteurs 32 GWh en 2024 et jusqu’à 40 GWh
Skelleftea
Acteurs asiatiques
NORTHVOLT (Suède)
Acteurs européens
Coentreprise avec Volkswagen
Autres 20 GWh en 2024
ENVISION (Chine) TESLA (USA)
Rachetée à Nissan 2021
2 GWh en 2018
BRITISHVOLT (UK) LG CHEM (Corée)
30 GWh en 2023 10 GWh en 2018
70 GWh en 2022
Sunderland
Salzgitter Berlin CATL (Chine)
Bro Tathan Wroclaw Accord avec BMW
PSA / SAFT (France)
Erfurt 14 GWh en 2022
Projet ACC Douvrin
Francfort 24 GWh en 2024
8 GWh en 2023
50 GWh en 2025
Komarom Göd
PSA / SAFT (France)
SAMSUNG SDI (Corée)
Projet ACC
Nersac 2,5 GWh en 2018
2024
15 GWh en 2020
PSA / SAFT (France)
SK INNOVATION (Corée)
Projet ACC (usine pilote)
7,5 GWh en 2022
2021
Sources
7) Comment la filière des batteries pour véhicules électriques tente de se structurer en Europe, L’Usine Nouvelle, 06.09.2019
8) CATL starts building battery plant in Germany, electrive.com, 19.10.2019
9) LG Chem battery gigafactory in Poland to be powered by EBRD, European Bank, 07.11.2019
10) https://northvolt.com/production
11) https://www.envision-aesc.com/en/network.html
12) Samsung SDI expands its battery plant in Hungary, INSIDEEVs, 24.02.2020
7 Septembre 2020 L’électrification des transports publicsLe marché actuel des batteries électriques
de cellules pour batteries électriques en France. De la même manière, l’en- la valorisation du nickel, du cobalt, du
dans les Hauts-de-France et en Alle- treprise norvégienne Freyr a lancé la manganèse et du lithium dans de nou-
magne. Un autre projet majeur, de construction d’une usine de fabrication velles batteries.
construction d’une gigafactory, est de cellules de batterie en Norvège (4,5
porté par la start-up française Verkor 13 milliards d’euros) qui aura une capacité
(soutenue notamment par Schneider de 32 GWh dès 2023, et sera l’une des
Electric) et vise à produire des cellules plus grandes en Europe.
Li-ion pour l’Europe du sud (France,
Espagne, Italie) à partir de fin 2023. Enfin, d’autres projets se développent
Ce projet s’inspire directement de la pour construire une filière européenne
start-up suédoise Northvolt qui a levé de recyclage des batteries, étape
1 milliard d’euros auprès d’investisseurs clé de la chaîne de valeur. Porté par
privés (dont Volkswagen, BMW et Gold- Eramet, BASF et Suez, le projet ReLieVe
man Sachs) pour financer la création (Recycling for Li-ion batteries for Elec-
d’une usine de production de batteries tric Vehicle) – avec un budget de moins
lithium-ion en Suède. Le projet de Ver- grande ampleur de 4,7 millions d’eu-
kor représente 1,6 milliard d’euros d’in- ros – vise à développer un procédé
vestissement et l’usine s’étalant sur 200 innovant et compétitif de recyclage,
hectares s’implantera probablement dit « en boucle fermée », permettant
De meilleures performances grâce à de nouvelles technologies de conception
et de recyclage conduisent à une baisse des coûts de revient
Les performances techniques telles seulement 20% de cobalt, la technolo- l’anode : celle-ci a alors une vitesse
que l’autonomie ou la capacité spé- gie NMC 622 va remplacer les batteries de recharge cinq fois supérieure. Les
cifique (énergie stockée par unité de type NMC 111 (contenant un tiers de batteries à anodes en silicone, quant à
de masse) des batteries électriques cobalt) et représenter 30% du marché elles, offrent des capacités plus impor-
devraient tripler d’ici 2030 grâce à de en 2030. A l’horizon 2030, on s’attend tantes grâce à la substitution de l’anode
nouvelles technologies de batteries, à voir apparaitre des technologies de en graphite habituelle par une anode
comme le montre la Figure 4 à droite. rupture, avec notamment de nouvelles en silicone issue de la purification du
Des innovations incrémentales des cathodes et avec une électrolyte solide sable.
batteries Li-ion permettront à court augmentant sensiblement la fiabilité
terme de remplacer les métaux rares de la batterie. Les batteries actuelles
tels que le cobalt et le manganèse, uti- à électrolyte liquide fonctionnent effi-
lisés pour la fabrication des électrodes, cacement à température ambiante
trop chers et polluants. La diminution et sur une plage maximum entre 0° à
de 33% de la teneur en cobalt, par- 45°C 14, alors que l’utilisation d’électro-
tiellement remplacé par du nickel bien lytes solides permet une utilisation plus
moins coûteux, permettra de compen- large, entre -20°C et 100°C 15. Par ail-
ser l’augmentation du prix du cobalt de leurs, Samsung a récemment breveté
40% prévue entre 2020 et 2030. Avec une batterie dans laquelle des boules
60% de nickel, 20% de manganèse et de graphène recouvrent la cathode et
Sources
13) Avec Verkor, la France compte un autre projet de giga-usine de batteries, Les échos, Lionel Steinman, 30.07.2020
14) La batterie Lithium-Ion, mieux comprendre pour mieux s’en servir, Amperes.be, 10.05.2017
15) La batterie à électrolyte solide : une révolution pour l’automobile, Les numériques, Erick Fontaine, 23.11.2017
L’électrification des transports publics Septembre 2020 8Figure 4a Evolution des technologies de batteries à l’horizon 2030 16 17
Technologie En déploiement Technologie Technologie Technologie
actuelle Li-ion nouvelle Li-ion avancée post Li-ion
600 génération 1 000
NMC 111 NMC 622 NMC 811 LNMO
500 800
400 600
Li air
Li sulfur
300 400
200 200
100 Electrolyte solide 100
Electrolyte liquide
0 0
Energie spécifique (Wh / kg) Autonomie (km)
2017 2020 2025 2030
11% 10% 11%
30% 9%
23% 8%
30% 51%
72%
29% 16%
Composition de la cathode • Nouvelles technologies de cathodes
Nickel Manganese Cobalt Lithium • Electrolyte liquide solide
Amélioration incrémentale de la technologie Innovations de rupture
Nickel Manganèse Cobalt (NMC)
Figure 4b Evolution des parts de marché des différentes technologies de batteries Li-ion
à l’horizon 2030
Autres 3% 41% NMC 111 NMC 532 10% 15% NMC 111
LMO 7%
NCA 14% NMC 433 10%
NMC Nickel Manganèse Cobalt
LFP Lithium Fer Phosphate
2017 2030
NCA Nickel Cobalt Aluminium
30% NMC 622
NMC 811 25% LMO Lithium Manganèse Oxide
LFP 35%
NCA 10%
Sources
16) Study on the Characteristics of a High Capacity Nickel Manganese Cobalt Oxide (NMC) Lithium-Ion Battery—An Experimental Investigation,
www.mdpi.com/journal/energies, 29.08.2018
17) Oxygen Release and Its Effect on the Cycling Stability of LiNixMnyCozO2 (NMC) Cathode Materials for Li-Ion Batteries, Journal of The
Electrochemical Society, 02.05.2017
9 Septembre 2020 L’électrification des transports publicsLe marché actuel des batteries électriques
Enfin, les coûts de recyclage devraient il s’agit du procédé « de valorisation inconvénients de chacune de ces
décroître à mesure que les techniques directe » : l’électrolyte et les matériaux méthodes de recyclage.
actuelles (hydrométallurgie et pyromé- constitutifs des cathodes sont récupé-
tallurgie) seront mieux maîtrisées. Une rés directement pour être réutilisés sans
nouvelle technique bien moins coû- traitement métallurgique. La figure 5
teuse est en cours de développement, ci-après présente les avantages et
Figure 5 Nouvelles méthodes de recyclage : des solutions moins coûteuses et
plus respectueuses de l’environnement 18 19 20
Techniques industrielles Techniques industrielles de recyclage
de recyclage actuelles en cours de développement
Procédé par pyrométallurgie Procédé par valorisation directe
• Extraction des métaux purifiés • Recyclage optimal
• Méthode chimique actuellement utilisée, bonne maîtrise • Récupération des cathodes, réutilisées dans une nouvelle
batterie
• Rendement très élevé
• Récupération de l’électrolyte
• Moins coûteux
• Plus respecueux de l’environnement
• Procédé complexe et énergivore
• Procédé coûteux
• Incertitude quant à la rentabilité et la faisabilité
• Incertitude sur la date d’industrialisation
Procédé par hydrométallurgie
• Méthode électrochimique
• Séparation avec électrolyte et purification des métaux
• Séparation précise des métaux
• Procédé complexe et énergivore
• Procédé coûteux
Sources
18) A Mini-Review on Metal Recycling from Spent Lithium Ion Batteries, www.elsevier.com/ locate/eng
19) The recycling of Lithium-ion batteries, Ifri, 2020
20) Hydrometallurgical recycling treatment, GreenLion
L’électrification des transports publics Septembre 2020 10La conjugaison des éléments précé- de revient d’une batterie NMC 111 sera Bien que les coûts soient appelés à
demment cités (performances amé- réduit d’au moins 25% par rapport à diminuer significativement, l’équation
liorées, diminution des proportions de son niveau actuel. financière des flottes de véhicules élec-
matériaux rares, nouveaux procédés triques demeure complexe. Notre ana-
de recyclage) permet une réduction Pour les futures technologies de bat- lyse du cycle de vie de la batterie, de
drastique des coûts de revient d’ici terie cette réduction sera plus impor- la structure de coûts et des facteurs
2030, faisant du marché des batte- tante. Par exemple, Tesla annonce une de performance permet d’identifier
ries électriques un secteur prometteur réduction de 56% d’ici 2022 du prix quelques leviers de création de valeur
pour les investisseurs. Notre modèle de production au kilowattheure de ses susceptibles de faire toute la différence
de structure de coût (cf. figure 6 ci-des- nouvelles batteries grâce à une série pour les opérateurs de transport.
sous) indique que d’ici 2030, le coût d’améliorations techniques.
Figure 6 La structure de coût d’une batterie (NMC 111) permet d’anticiper son coût de revient
d’ici 2030
Prix d’une batterie neuve (€/kWh)
200
180
160
140
120
100
80
60
40
20
0
2020 2021 2022 2023 2024 2025 2026 2027 2028 2029 2030
Prix d’une batterie après recyclage (€/kWh)
Intégration
Approvision- Fabrication Conception Conception Fabrication Recyclage
dans des
nement des des et production et production des “packs” des
systèmes
matériaux composants de cellules de modules batterie composants
intelligents
11 Septembre 2020 L’électrification des transports publicsMaximiser la valeur d’une batterie
2 grâce au détail des coûts au cours du cycle de vie
Une structure de coûts qui révèle les étapes ayant la plus forte valeur ajoutée
dans le cycle de fabrication d’une batterie
La chaîne de valeur des batteries élec- intelligents de contrôle et de gestion
triques se décompose en plusieurs des performances (Battery Manage-
étapes (figure 7) : approvisionnement ment System) et, enfin, recyclage des
en matières premières, fabrication composants et métaux en fin de vie, qui
des composants chimiques de base, implique une revalorisation de la batte-
conception et production de cellules rie afin de gagner de la valeur.
générant l’énergie électrique, concep-
tion et production de modules, fabrica-
tion des packs (protection mécanique
contre les chocs, vibrations), intégra-
tion de la batterie dans des systèmes
Figure 7 Chaîne de valeur d’une batterie électrique : enjeux et challenges 21 22
RECYCLAGE DES COMPOSANTS APPROVISIONNEMENT DES MATÉRIAUX
• Elaborer des processus sûrs et innovants de • Développer des processus innovants et
démantèlement, la réaffectation, le recyclage durables d’extraction de minerais
et le raffinage des matériaux
• Adapter le recyclage aux différents 07 01 • Maximiser la pureté des matières
extraites
types de chimie
FABRICATION
DES COMPOSANTS
INTÉGRATION DANS DES
SYSTÈMES INTELLIGENTS
Chaîne 02 • Améliorer les composants
existants (cathodes, anodes,
06
• Développer des systèmes
électrolytes)
de gestion et des algorithmes
innovants pour contrôler l’état
de la batterie en continu
de • Développer des composants
avec de nouveaux matériaux,
• Programmer des systèmes de
verification innovants et adaptés
valeur pour des batteries plus
performantes (autonomie et
capacité spécifique)
aux caractéristiques des
batteries
03
FABRICATION
DES « PACKS » BATTERIE
05 CONCEPTION ET PRODUCTION
DE CELLULES
• Développer des packs de batterie 04 • Développer des cellules adaptées aux
plus résistants et adaptés (système de critères de sécurité et de performance
refroidissement, de chauffage, etc.) des batteries
CONCEPTION ET PRODUCTION DE MODULES
• Adapter les modules aux cellules
• Développer des modules adaptés aux besoins des batteries
Sources
21) Airbus des batteries : l’Europe finance à hauteur de 3,2 milliards d’euros, automobile-propre.com, 09.12.2019
22) Batteries européennes : Bruxelles donne son feu verts « de principe » à Paris et Berlin, Les Echos, 02.05.2019
L’électrification des transports publics Septembre 2020 12Pour établir la structure de coûts d’une L’étape de fabrication des compo- investissement important en R&D. Cette
batterie, nous avons étudié chaque sants de base de la batterie est la étape est aussi celle qui présente la plus
étape afin d’évaluer son impact sur la plus coûteuse (26% du coût total), car forte valeur ajoutée, dans la mesure où
valeur d’une batterie neuve. Quatre elle concerne les nombreux éléments l’augmentation de la production ne va
types de dépenses sont communs à constituant les électrodes et le solvant pas conduire à une explosion du coût
chaque étape : frais d’achats (matières contenu dans l’électrolyte. L’intégration des recherches R&D, ces dernières
premières ou composants), coûts de de la batterie dans un système intel- ayant déjà été réalisées en amont. Enfin
main d’œuvre, frais de R&D et frais fixes ligent constitue également une étape l’étape de conception et de production
(dépenses liées à l’électricité ou aux clé (22%) en raison de l’importance de cellules est la 3ème plus coûteuse et
matériaux supplémentaires nécessaires du software pour le suivi des perfor- est caractérisée par des coûts de main
à la conception des cellules). mances de la batterie, qui nécessite un d’œuvre et des frais de R&D significatifs.
Figure 8 Chaîne de valeur d’une batterie NMC 111 en 2020 23 24
Coût de production
d’une batterie par étape
(€/kWh)
50
40
20
10
0
Approvision- Fabrication des Conception Conception Fabrication Intégration dans
nement des composants et production de et production de des « packs » des systèmes
matériaux cellules modules batterie intelligents
Frais fixes Achats R&D Main d’œuvre
Sources
23) The rechargeable battery market and main trends 2016 – 2025, Avicienne Energy, septembre 2017
24) Clés de progrès technico-économiques des batteries lithium-ion pour la traction automobile, Gaëtan Patry, 16.12.2014
13 Septembre 2020 L’électrification des transports publicsMaximiser la valeur d’une batterie [...]
Identification des étapes-clés du cycle de vie pour maximiser la valeur
de la batterie
Le State of Health (SoH) d’une batte- où des choix doivent être faits : si les
rie, l’état de santé de la batterie, est un performances le permettent la batte-
indicateur servant à optimiser son utili- rie peut être prolongée dans un autre
sation. Les contrats de mobilité auprès contrat, ou bien elle peut être réaffectée
d’opérateurs de bus électriques sont à du stockage d’énergie stationnaire en
généralement prévus entre 100% et seconde vie (pour par exemple équili-
80% du SoH. Au-delà, la batterie n’est brer le réseau), ou encore revendue en
plus utilisable avec la même sécurité fin de vie pour être recyclée et certains
et la même efficacité, c’est la fin de sa de ses composants sont alors raffinés
première vie. La batterie est alors à un pour être réutilisés.
moment de clé de son cycle de vie
Figure 9 Cycle de vie d’une batterie électrique (en fonction du SOH)
100%
Fin de vie e
lag 1ère vie
(5 à 10 ans)
yc
Mo
Rec
bilité
ât Choix stratégiques
B
i
éq
ui
li b m e n t &
ra g e u Prolongation en première vie
résea
~20% ~80% Revente de la batterie
Stockage d’énergie stationnaire
2nde vie
(+ 5 à 10 ans)
L’électrification des transports publics Septembre 2020 14Le State of Health (SoH) d’une batterie permet d’évaluer son état. Quatre facteurs peuvent entraîner une dégradation (baisse
de la capacité et augmentation de la résistance interne) d’une batterie :
• La température (T) : les tempéra- • L’état de charge (SoC – State of • L’état de décharge (DoD – Depth
tures extrêmes affectent négative- Charge) : il s’agit du pourcentage of Discharge) : il représente le pour-
ment l’état de santé d’une batterie. d’énergie stockée par la batterie, par centage d’énergie qui a été perdue
A hautes températures, l’activité rapport à son état de charge totale. par la batterie depuis sa dernière
interne des batteries augmente, La capacité de la batterie diminue recharge et donc caractérise son
diminuant leur capacité ; et sous non seulement durant la charge / profil de charge. Plus le DoD est
0°C, la résistance interne augmente décharge mais aussi, dans une profond plus la batterie se dégrade
considérablement, accélérant ainsi moindre mesure, lorsqu’elle n’est rapidement. Selon le type de batterie
le vieillissement des batteries 25. pas utilisée ou stockée si elle n’est utilisé, le DoD optimal (difficilement
pas vide. Un stockage des batte- possible opérationnellement !) varie
• La vitesse de charge et de ries avec un SoC relativement faible entre 50% et 70%.
décharge (C-rate) : elle correspond est donc préconisé pour limiter leur
à l’intensité du courant électrique dégradation. Pour optimiser sa durée
traversant la batterie. Plus elle est de vie, le rechargement d’une batte-
élevée, plus le vieillissement de la rie à 100% pour équilibrer des cel-
batterie s’accélère. lules devrait aussi être occasionnel.
La connaissance des facteurs de Partant de ces facteurs, nous avons
dégradation de la batterie permet d’an- mis en exergue des leviers créateurs
ticiper cette dégradation en fonction à de valeur pouvant être activés pour
la fois de l’utilisation qui en est faite, de contrôler et maximiser la valeur de la
sa technologie, du suivi de ses per- batterie au cours de son cycle de vie.
formances et de sa conservation. Par Ces leviers concernent l’optimisation
exemple, les modes de charge et de de l’utilisation, la gestion de ses perfor-
décharge varient fortement selon que mances ou encore la gestion des bat-
la batterie est utilisée en zone urbaine teries usagées.
ou périurbaine – un usage périurbain
conduira à une dégradation plus impor-
tante du fait de l’importance des dis-
tances parcourues, qui nécessitent des
recharges plus fréquentes et rapides.
Source
25) Temperature effect and thermal impact in lithium-ion batteries: A review, Progress in Natural Science: Materials International, 2018
15 Septembre 2020 L’électrification des transports publicsMaximiser la valeur d’une batterie [...]
Figure 10 Les 10 leviers créateurs de valeur d’une batterie électrique
OPTIMISATION DE L’UTILISATION DE LA BATTERIE
• Partage des bornes de rechargement
• Smart charging
• Stockage d’énergie stationnaire pour être moins
dépendant du réseau
• Services fournis au fournisseur d’énergie sans
cyclage de la batterie
GESTION DE LA PERFORMANCE
DES BATTERIES GESTION DES BATTERIES USAGÉES
• Renégociation du contrat auprès • Utilisation dans un nouveau contrat
du constructeur • Revente de la batterie
• Internalisation du savoir-faire • Réutilisation pour les infrastructures
de stockage stationnaire d’énergie
• Recyclage des matériaux et raffinage
des composants rares
Un de ces leviers est le smart charging, Enfin, un troisième levier concerne la ce savoir-faire pour des raisons plutôt
c’est-à-dire l’ensemble des technolo- gestion de la performance de la batte- stratégiques que financières. En effet,
gies intelligentes et innovantes permet- rie, et donc des savoir-faire associés au le contrôle des données d’exploitation
tant la recharge des bus électriques suivi des performances. Des contrats et de performance des batteries en
au moment optimal : non-saturation dits « de maintenance » sont proposés temps réel est un enjeu crucial, car il
du réseau en demande d’électricité, par les fournisseurs de batteries, dans permet d’adapter les technologies de
absence de concomitance des pics de le cadre desquels le suivi se fait en batteries au plus près de l’utilisation qui
demande entre ménages et véhicules mesurant différents paramètres (SoC, en est faite. A noter néanmoins que ce
électriques, par exemple. DoD, C-rate, intensité de charge, tem- dernier levier est difficilement applicable
pérature en charge / décharge…) via un à l’heure actuelle car de nombreux
Un deuxième levier intéressant Battery Management System (BMS) : la constructeurs de batteries ne per-
concerne l’amélioration des techniques batterie subit divers cycles de charge mettent pas à leurs clients d’internaliser
de recyclage, entraînant une dyna- et de décharge en conditions variables, cette prestation.
mique de baisse des coûts de recy- et l’analyse des données collectées par
clage. En effet, l’amélioration continue le BMS peut conduire à son rempla- A titre d’illustration, nous avons modé-
des techniques actuelles (hydrométal- cement si elle est trop dégradée ou si lisé dans l’exemple ci-après les effets
lurgie et pyrométallurgie) et l’apparition les conditions d’utilisation du contrat ne de différents leviers pour une flotte de
de nouvelles techniques efficaces (pro- peuvent plus être respectées, en parti- 25 bus, dans un contexte urbain et
cédé « de valorisation directe ») contri- culier de sécurité. Mais ce suivi des per- dans un contexte péri-urbain. Les alter-
buent à privilégier au fil du temps une formances s’avère actuellement relever natives étudiées sont : le smart char-
utilisation prolongée de la batterie dans davantage d’une assurance que d’une ging ou non au cours de la 1ère vie, la
un 2ème cycle de vie puis un recyclage, maintenance à proprement parler. C’est revente de la batterie ou la réutilisation
au lieu d’une utilisation plus courte qui pourquoi un levier créateur de valeur dans un nouveau contrat en fin de 1ère
se limiterait au 1er cycle de vie puis à la consisterait à renégocier le contrat pour vie, ou bien encore la réutilisation dans
vente de la batterie. le rapprocher des coûts réels de suivi des infrastructures de stockage d’éner-
des performances ou bien à internaliser gie stationnaire en 2ème vie (en tant que
L’électrification des transports publics Septembre 2020 16réserve de capacité dans ce cas parti- d’un prix de revente de l’énergie trop le modèle économique des flottes
culier). Nous constatons alors que : faible en France ; électriques. Cela dit, au-delà de ces
leviers permettant aux opérateurs d’op-
• Le smart charging crée systéma- • L’utilisation dans un nouveau contrat timiser les performances des batteries,
tiquement de la valeur, et présente en fin de 1ère vie, plutôt que la revente d’autres pistes encore sont à explorer
en outre l’avantage d’être simple à en fin de 1ère vie, est surtout intéres- face aux complexités du modèle clas-
mettre en œuvre ; sante dans le scénario urbain, car la sique des bus électriques : le premier
batterie se dégrade moins rapide- consiste en un nouveau modèle finan-
• La régulation de fréquence n’est ment dans ce scénario. cier et opérationnel de gestion de ces
pas intéressante, en raison d’un bus, et l’autre est constitué de modes
coût d’investissement élevé, d’une Autant de facteurs de décisions opé- alternatifs de transport basse ou zéro
durée de seconde vie trop faible et rationnelles qui ont un impact réel sur émission.
Figure 11 Calcul de la NPV d’une batterie NMC selon l’utilisation et l’activation de certains
leviers 26 27
Effort d’implémentation
Levier Pertinent Commentaire
NPV positive, facile à mettre
4 1 Smart charging
en œuvre
Scénario 1 2 3 2 Revente fin 1ère vie NPV positive
Urbain
3 Nouveau contrat NPV positive
1 1 Réserve de
4 capacité en 2ème vie
NPV négative
1ère vie 2ème vie Fin de vie
Effort d’implémentation
Levier Pertinent Commentaire
NPV positive, facile à mettre
4 1 Smart charging
en œuvre
Scénario 2 2 3 2 Revente fin 1ère vie NPV positive et importante
Péri-urbain
3 Nouveau contrat ? NPV positive et faible
1 1 Réserve de
4 capacité en 2ème vie
NPV négative
1ère vie 2ème vie Fin de vie
NPV positive (la taille représente les valeurs) NPV négative (la taille représente les valeurs)
Sources
26) Effects of market dynamics on the time-evolving price of second-life electric vehicle batteries, Journal of Energy Storage, 12.07.2018
27) https://www.energy-pool.eu/fr/resultats-des-dernieres-encheres-sur-le-mecanisme-de-capacite/?_sm_
au_=iVV21ZSBZFJ26SkPsMKpkK3cc1412
17 Septembre 2020 L’électrification des transports publicsDe nouvelles perspectives
3 dans la gestion des bus zéro émission
L’émergence de nouveaux modèles économiques : le modèle BaaS
Malgré l’importance des avancées contexte, l’émergence du modèle BaaS valeur. Il se charge ainsi de trouver le
technologiques et la réduction prévi- (Battery as a Service) semble naturelle. contrat et le profil d’utilisation optimal
sible du coût de revient d’une batterie pour la batterie, en fonction de l’étape
électrique, les contraintes techniques Le Battery as a Service consiste à libé- du cycle de vie – et donc en fonction
restent importantes pour les opérateurs rer les opérateurs des contraintes et des performances – de celle-ci à un
de transport électrique. Tout d’abord, risques liés à la gestion d’une batterie. instant donné. C’est la maîtrise des
l’investissement en capital immobilisé Le prestataire, l’opérateur BaaS, s’oc- différents leviers de valeur, ainsi que la
est bien plus important que pour des cupe de tous les aspects liés à son uti- connaissance fine des performances
véhicules classiques (Capital Expendi- lisation, de la certification de la batterie de la batterie, qui permettent à l’opé-
ture supérieur de plus de 50% à celui (conforme aux normes de sécurité ou rateur BaaS de déterminer le profil par-
d’une flotte diesel 28). En outre, la maî- aux normes environnementales) à son fait de client ou de contrat adapté à sa
trise des performances des batteries et recyclage en passant par le suivi des batterie. Parmi les entreprises de BaaS
les décisions à prendre lorsque leur effi- performances. L’opérateur Baas s’as- les plus connues, on peut citer Global
cacité est réduite sont des paramètres sure qu’à tout instant le service fourni Technology Systems, Yuso, Swobbee
complexes à mettre en œuvre pour les est conforme aux attentes du client, ou encore Epiroc.
opérateurs de bus historiques. Dans ce dans une logique d’optimisation de la
Figure 12 Trois business models différents
Opérateur BaaS
Le producteur de batteries Les opérateurs historiques
ne se préoccupe que de de flotte de bus achètent ou
sa chaîne de production et de louent les batteries aux fabricants
l’approvisionnement en matières et gèrent leurs affectations
premières. Une fois son produit successives, leur suivi de
fabriqué, il le revend. performances et leur recyclage.
Le prestataire BaaS achète les
batteries au fabricant et les loue
sur mesure à l’opérateur de flotte.
L’allocation des batteries se fait sur
contrat en fonction de leur état et
des besoins de la flotte. L’opérateur
BaaS gère les données de
performance des batteries.
Source
28) Analyse coûts bénéfices des véhicules électriques – Les autobus et autocars, Service de l’économie, de l’évaluation et l’intégration du
développement durable, octobre 2018
L’électrification des transports publics Septembre 2020 18Le développement de nouveaux modes de transport basse ou zéro émission
Figure 13 Prévisions du nombre de bus électriques et à hydrogène jusque 2025
Nombre de bus électriques urbains Taux de croissance annuel [%]
25 000 100%
90%
20 000 80%
Bus
électriques 70%
urbains 15 000 60%
en opération 50%
en Europe 10 000 40%
30%
5 000 20%
10%
0 0%
2018 2019 2020 2021 2022 2023 2024 2025
France Royaume-Uni Pologne Pays nordiques Pays-Bas
Allemagne Espagne Italie Irlande Autres UE
Taux de croissance annuel
Nombre de bus à hydrogène Taux de croissance annuel [%]
1 800 120%
1 600
100%
1 400
Bus
1 200 80%
à hydrogène
en opération 1 000
60%
en Europe 800
600 40%
400
20%
200
0 0%
2018 2019 2020 2021 2022 2023 2024 2025
France Royaume-Uni Belgique Pays nordiques Pays-Bas
Allemagne Espagne Italie Autriche
Taux de croissance annuel
19 Septembre 2020 L’électrification des transports publicsDe nouvelles perspectives dans la gestion des bus [...]
Parallèlement à l’essor des bus à bat- en place sont lourdes et coûteuses. grandes villes. De nombreuses agglo-
teries électriques, d’autres mobilités mérations françaises ayant néanmoins
propres se développent, telles que les Les bus ZE électriques (batterie ou manifesté leur intérêt pour cette tech-
bus à basse émission fonctionnant au hydrogène) sont deux technologies nologie en lançant des projets pilotes,
bio Gaz Naturel pour Véhicules (bio- complémentaires. En effet la techno- le récent plan de relance du gouver-
GNV) ou les bus zéro émission à hydro- logie hydrogène (plus coûteuse) est nement à la suite de la crise sanitaire
gène. Ces technologies sont en forte pertinente là où la batterie atteint ses consacrera plus de 7 milliards d’euros
croissance à travers le monde, malgré limites ou alors dans de futurs cas sur 10 ans à cette énergie d’avenir, afin
des écarts de maturité selon les pays. (saturation réseau par exemple). Mais de construire des usines capables de
surtout, cette technologie zéro émis- produire notamment les électrolyseurs
En fonction de la source énergétique sion offre une autonomie importante (permettant de transformer l’électricité
locale, les bus fonctionnant au bio-GNV et des cycles de recharge relativement en hydrogène par l’électrolyse de l’eau).
constituent une technologie basse courts (Air Liquide estime qu’un bus Le Plan hydrogène prévoit par ailleurs
émission (réduction de 25% des émis- peut être rechargé en moins de 20 un financement de 1,5 milliard d’euros
sions de fumées toxiques en comparai- minutes 29). Néanmoins, l’infrastructure pour développer une filière industrielle
son avec les véhicules à essence) qui requise est lourde (bornes de rechar- de l’hydrogène à l’image de ce qui a été
a l’avantage d’avoir une excellente auto- gement en hydrogène) et le réseau réalisé pour les batteries électriques –
nomie et un temps de recharge court. est pour le moment inexistant ou à cela en coopération avec l’Allemagne.
Cependant les infrastructures à mettre l’état embryonnaire dans la plupart des
Figure 14 De nouveaux types de mobilités faible ou zéro émission 30 31
Transport Zéro émission Transport faible émission
Bus au bio Gaz Naturel
Type de mobilité Bus à batterie électrique Bus à hydrogène
pour Véhicules (bio-GNV)
Modérée Importante Importante
Autonomie
(150 à 200 kms) (200 à 400 kms) (400 kms)
Mode de Energie électrique Transformation chimique Combustion de gaz naturel
fonctionnement fournie par le réseau de l’hydrogène (réduction de CO2 de 25%)
Temps de charge Environ 4 heures Entre 10 et 30 minutes Environ 30 minutes
Réduction du bruit Réduction du bruit
Confort utilisateur Réduction moindre du bruit
et des secousses et des secousses
Coût des
Coût élevé Coût très élevé Coût élevé
infrastructures
Etat de développement Essor depuis dix ans Technologie en cours
Offre réduite
technologique (1 bus sur 2 électrique d’ici 2030) de développement
Source
29) https://energies.airliquide.com/fr/transport-propre-transport-passagers/lenergie-hydrogene-vehicules
30) Electric vs. Diesel vs. Natural Gas: Which Bus is Best for the Climate? , Union of concerned scientists, 19.07.2018
31) Les bus à hydrogène, AFHYPAC, avril 2020
L’électrification des transports publics Septembre 2020 20Conclusion
L’enjeu principal d’évolution du sec- Cependant, les contraintes restent les nouveaux entrants du secteur des
teur des batteries électriques est de importantes pour les acteurs de la transports zéro émission à redéployer
démultiplier significativement l’offre, afin mobilité électrique : l’importance de leur stratégie et politique d’investisse-
de suivre l’augmentation considérable l’investissement en capital, la maîtrise ment. Dans cette phase de mutations
de la demande. Ce chantier se tra- des performances des batteries et la importantes pour l’ensemble du sec-
duit actuellement par la mise en place complexité des décisions à prendre teur, Accuracy a développé un cadre
d’une filière européenne durable et lorsque leur efficacité commence à d’accompagnement stratégique, afin
compétitive de production et de recy- décroître sont autant de paramètres que ces acteurs identifient et saisissent
clage des batteries. qui ont favorisé l’émergence de nou- les opportunités réellement durables et
veaux modèles économiques d’utili- rentables de la chaîne de valeur.
En parallèle, les technologies de batte- sation de batteries, tels que le modèle
ries s’améliorent, ces dernières gagnant BaaS, mais aussi d’autres modes de
en autonomie et en capacité spéci- mobilité propres qu’il convient de suivre
fique. Les méthodes de recyclage font de près, tels que les bus à hydrogène.
également l’objet d’innovations tech-
niques cruciales qui devraient mener, Ces évolutions, de modèles écono-
par ailleurs, à une diminution impor- mique et de technologie, devraient
tante du coût de revient d’ici 2030. conduire les acteurs historiques et
21 Septembre 2020 L’électrification des transports publicsL’électrification des transports publics Septembre 2020 22
A propos d’Accuracy
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d’entreprises dans leurs prises de déci- chiffres. Nos équipes sont constituées en Europe, Amérique du Nord, Asie,
sion et les situations de transactions, de sur mesure en combinant des exper- Moyen-Orient et en Afrique, et intervient
différends et de crises. Indépendants, tises variées, et recrutées parmi les dans le monde entier.
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Xavier Chevreux Aurélie Quéromès Julien Cohen
Partner Manager Senior Associate
xavier.chevreux@accuracy.com aurelie.queromes@accuracy.com julien.cohen@accuracy.com
23 Septembre 2020 L’électrification des transports publicswww.accuracy.com
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