Photovoltaïque et Véhicule Electrique

Image :

Description en une ligne : Quel est le potentiel réel du photovoltaïque (PV) pour satisfaire (une partie de) l'énergie pour la mobilité ?

Description : ...

Une dizaine de pays s’intéressent à la réponse à travers des travaux menés par la Tâche 17 « PV & Transport » de l’ Agence Internationale de l’Énergie (AIE) PVPS, le programme de collaboration technologique de l’AIE sur le PV. L’ADEME finance depuis 2019 un consortium qui œuvre sur cette thématique de la mobilité électrique solaire. Il s’agit du projet français PV2E_Mobility qui s’inscrit dans la Tâche 17.

Dans cette note, vous trouverez le bilan intermédiaire et les perspectives de ce programme. Le point est fait sur le potentiel de ces technologies pour contribuer à la Transition énergétique et à un mix plus propre d’électricité pour la mobilité, les défis techniques à relever pour y arriver, et des recommandations sur le rôle de l’ADEME pour accompagner la mobilité électrique solaire, qui se montre une véritable thématique transversale à fort enjeu sur laquelle plusieurs services devraient travailler en concertation.

L’enjeu du PV pour la mobilité

Le secteur des transports représente plus de 30 % de la consommation d’énergie en France et il est aussi le principal émetteur de CO₂, avec plus de 30 % des émissions totales de gaz à effets de serre (GES) dont 94 % provenant du transport routier, en 2016[1]. Un enjeu important de la transition énergétique est de faire passer la mobilité basée sur des carburants fossiles, à une mobilité décarbonée, qui sera probablement principalement électrique.

Il s’agit d’un double enjeu, car l’immense opportunité se présente d’alimenter la mobilité électrique par l’électricité renouvelable et produite localement, notamment par du PV. En plus, les véhicules électriques (VEs) de demain pourraient grâce à leur flexibilité et leur capacité de stockage de l’électricité, devenir des dispositifs performants du réseau électrique, permettant à la fois d’augmenter le taux du PV et de l’éolien dans les consommations, mais aussi de limiter les investissements nécessaires au renforcement du réseau d’électricité public et à l’infrastructure de recharge.

L’ADEME œuvre sur l’enjeu d’une mobilité de demain plus propre et plus durable, notamment à travers l’AP TASE dont le VIPV (mobilité électrique solaire) est une des thématiques, à travers l’AP eXtrême Défi qui cherche la conception des véhicules légers, réparables, économes et éventuellement solaires, et à travers le financement d’un projet R&D « PV2E_Mobility », qui cherche à répondre aux questions fondamentales concernant l’utilisation du solaire pour le transport (infrastructures de recharge solaire et VIPV).

Le défi est aussi de créer un écosystème d’acteurs (de la recherche jusqu’aux start-ups et fabricants) qui sera bien placé pour tirer son épingle du jeu, et qui sera capable demain de proposer des produits et des services innovants et compétitifs.

Contexte : les VEs sur la voie de massification

On assiste à une accélération de la mobilité électrique, avec en ce qui concerne le marché français plus de 786 000 VEs ou hybrides rechargeables en circulation en 2021, dont près de 316 000 ont été immatriculées en 2021. Les VEs se sont attribués 15 % du marché (source AVERE) contre près de 10 % au niveau mondial (source AIE). L’AIE préconise une part du marché mondial pour les VEs de 60 % en 2030 afin de pouvoir respecter la trajectoire de 0 % émissions GES à l’horizon 2050 (« Announced Pledges Scenario »)². Cette transition semble bien en cours en Europe : le parlement européen a voté le 8 juin 2022 la fin des véhicules à moteurs thermiques sur le marché du neuf pour 20353.

Le constat est sans appel : la mobilité électrique est une solution pertinente qui est à la fois énergétiquement efficace, peu émettrice de GES et qui montre une ACV nettement meilleure que les équivalentes fossiles. En effet, un VE peut, en gardant la même batterie, parcourir au moins le même nombre de kilomètres dans sa vie utile que son homologue fossile.

Au-delà des objectifs climatiques de la France et de l’Europe, s’ajoute un contexte géopolitique et social favorable dans la mesure que la France et l’Europe veulent réduire leurs dépendances aux imports d’énergies fossiles, et stabiliser, voire réduire les couts de l’énergie de transport pour les foyers et pour les entreprises.

Rôle potentiel du PV

La valeur du marché mondial de l’électricité pour la recharge des VE est estimée par l’AIE à 190 mrd USD à l’horizon 20302. Le PV est une énergie renouvelable qui est très bien positionnée pour fournir une partie importante de l’énergie nécessaire à cette mobilité, afin de la rendre encore plus propre et de réaliser une contribution à la transition vers un système électrique décarboné et renouvelable (en passant par une augmentation de la production d’électricité renouvelable autoconsommée).

En effet, si une voiture électrique en France roulait en moyen 15 000 km par an, l’électricité nécessaire serait autour de 3 000 kWh pour cette seule voiture. Pour faire rouler 10 millions de voitures électriques, le besoin en électricité s’élèverait alors à 30 TWh (pour référence : la consommation en France métropolitaine en 2021 a atteint 468 TWh, et ~40 millions de véhicules y étaient en circulation en 201934). Les TWh nécessaires pour la mobilité électriques s’ajouteraient à une consommation électrique qui va par ailleurs croitre, vu l’électrification recherchée pour d’autres usages (chauffage par des pompes à chaleur, électrification des processus industriels, par exemple).

Thèses sur le sujet

SYMME en collaboration avec INES et IPC : https://www.ines-solaire.org/news/felicitations-a-tatiana-duigou-docteur-de-luniversite-savoie-mont-blanc/

Recherches internationales : principaux résultats de la Tâche 17

La Tâche 17 « PV and Transport » de l’AIE PVPS cherche depuis 2017 et jusqu’à fin de 2024 à démontrer le potentiel et les limites du PV en investiguant deux axes :

Le PV intégré aux VEs : le VIPV ;
Le PV intégré aux infrastructures de recharge : ombrières PV ou stations de recharge PV intelligents (IIRVEs).

La Tâche 17 est portée par une dizaine de pays5. Un consortium français (UTC, CEA-INES, ENEDIS, SAP Labs, TECSOL et Polymage) y contribue de manière importante (avec un suivi technique intensif par l’ADEME du projet français et de la Tâche 17) et l’UTC assure en binôme avec le Japon la coordination de la Tâche 17. En 2021, les premiers rapports techniques ont été publiés :

Messages clés sur le VIPV

Voitures :

La Tâche 17 a analysé dans un premier temps les bénéfices théoriques du VIPV pour plusieurs pays ayant des ensoleillements différents. Côté français, c’est notamment le CEA-INES qui y a contribué. Le cas particulièrement adapté pour pouvoir profiter du PV est celui basé sur des déplacements journaliers de ~15 km. Les premières conclusions montrent que :

la fréquence de la recharge peut être divisée par 2 (jusqu’à 80 % à Madrid ou Canberra ; jusqu’à 60 % à Paris) ;
les réductions d’émission de CO₂, dépendantes du mix électrique, varient entre 732 kg/an pour Canberra, et -57 kg/an pour Bern (-24 kg/an pour Paris) (en fait, pour la Suisse et la France, deux pays avec des mix électriques nationaux peu émetteurs de CO₂, le VIPV ajouterait des émissions supplémentaires par rapport à la recharge sur la base du mix électrique global) ;
finalement, bien que des analyses financières poussées sont prévues pour plus tard, la T17 donne l’impression qu’un taux de retour sur investissement (TRI) satisfaisant peut être obtenu.

Par ailleurs, le vrai potentiel des VIPV peut être observé en toute probabilité très prochainement, car deux startups européennes envisagent de mettre dès mi-2023 les premiers véhicules VIPV sur le marché. Il s’agit des voitures équipées de ~5 m² de surface PV, mais qui cherchent chacun des publics très différents :

Le SION, de chez SONO Motors (startup allemande), citadine à 28,5 k€ avec une autonomie solaire moyenne de 112 km/semaine ;
Le Lightyear One, de chez Lightyear (startup néerlandaise), berline à 250 k€, dont l’autonomie peut être rehaussée jusqu’à 70 km/jour grâce à l’énergie solaire. Lightyear travaille sur le Lightyear 2, véhicule plus abordable.

Ce duo est complété par la startup américaine Aptera qui propose une voiture solaire 3 roues ayant une forme en goutte d’eau, qui permet un coefficient de traînée Cx de 0,13, et une autonomie solaire jusqu’à 66 km par jour. Son prix serait à partir de 24 100 €, et les premières livraisons auraient lieu à la fin de l’année 2022.

Les VIPV se valent particulièrement bien pour les véhicules légers, e.g., le Lightyear One ne consomme pas plus que 83 Wh/km (WLTP), ce qui est environ la moitié d’un VE normal. La valeur ajoutée pour les propriétaires est surtout de nature pratique : elle permet de recharger moins souvent son véhicule. En effet, si le véhicule est notamment utilisé pour les trajets travail-domicile, des recharges se feront encore qu’occasionnellement. Aussi, le VIPV peut aider les acheteurs de VE à opter plus facilement pour une batterie avec une capacité mieux adaptée aux besoins les plus fréquents (pas une « grosse batterie »). Ainsi, 3 facteurs se conjuguent : efficacité énergétique, recours aux énergies renouvelables et sobriété en consommation des matériaux.

Si l’ensemble des 10 millions de VEs cités dans l’exemple ci-dessus étaient du type VIPV, et la moyenne de l’autonomie solaire était de 100 km/semaine, ils pourraient réaliser jusqu’à un tiers de leur autonomie annuelle grâce au PV embarqué. Cela correspondrait à 10 TWh en termes d’énergie, ainsi qu’un moindre recours à l’infrastructure de recharge.

D’autres fabricants travaillent également sur des applications PV sous forme d’une « toiture PV » pour alimenter en partie des auxiliaires comme la climatisation (un exemple est l’Hyundai IONIQ 5 ; un autre est le prototype Mercedes EQXX). Certains proposent également ce type de produit sur l’ « after market » : équiper des voitures existantes avec un tel dispositif.

Toutefois, bien que les premières expérimentations semblent prometteuses, les applications massives ne peuvent vraisemblablement voir le jour que dans les 5-10 années à venir. Une accélération peut être attendue si le PV gagnait encore de manière importante en efficacité (notamment la pérovskite en est une technologie prometteuse).

Camions/bus :

Le VIPV pourrait trouver sa place sur le marché des camions, bus et véhicules utilitaires légers (VUL) électriques. Par contre, dans un premier temps, il semble que son application aux versions thermiques soit économiquement la plus pertinente, car elle permet de faire des économies de carburant intéressantes. Notamment en soulageant l’alternateur des camions à moteur thermique (l’alimentation des auxiliaires par du PV permet ainsi de réduire la consommation de carburant), ce qui est particulièrement intéressant pour les camions frigorifiques (en effet, un TRI de 3-4 ans serait envisageable).

Les startups SolarCloth (constructeur français basé à Mandelieu-La-Napoule et soutenu par l’ADEME), IM Efficiency (néerlandais) ou encore SONO Motors y sont actives avec des panneaux PV souples et légers. Cette dernière startup estime qu’un camion frigorifique solaire pourrait réduire ses émissions de CO₂ de 9 tonnes/an. La startup IM Efficiency vise avoir équipé 150 camions à la fin de l’année 2022 (une vingtaine serait équipée actuellement). SolarCloth travaille avec Renault Trucks et ils équipent de série des camions avec du PV sur la cabine de camion, ce qui permet de prolonger la durée de vie de sa batterie 36 volts, et ainsi d’éviter l’indisponibilité du camion à cause d’une panne de batterie.

Pour les VEs il est effectivement aussi possible d’alimenter directement la transmission électrique. Des tests sont en cours, par exemple chez Fraunhofer ISE en Allemagne. Notamment les camions de taille réduite pour des livraisons en ville pourraient réaliser jusqu’à 1/3 de leur autonomie grâce au solaire. Mais aussi un camion de 40 tonnes, équipé d’une surface de 38 m² de panneaux PV, pourrait réaliser une autonomie solaire de jusqu’à 5 000 km par an.

Messages clés sur les IIRVEs

Le deuxième axe des travaux de la Tâche 17 concerne les infrastructures de recharge solaire, soit les stations de recharge couvertes de panneaux PV et dotées d’un pilotage intelligent. Il s’agit de démontrer l’avantage du PV dans la recharge des VEs et de s’interroger sur l’impact sociétal et l’acceptabilité sociale.

Le PV pour les IIRVEs se vaut notamment là où se trouvent les VEs dans la journée ; par exemple, sur les parkings des maisons, les parkings des supermarchés et des centres commerciaux et, également, sur les parkings des sites de travail, des gares et des aéroports, et bien sûr dans les stations-service. Un temps de stationnement plus long permet de répondre aux besoins journaliers en rechargeant les véhicules avec l’électricité PV disponible. Le cycle d'utilisation et de recharge est en cohérence avec le cycle de production du PV avec des véhicules en stationnement au cœur de la journée lors du pic de production PV.

Ainsi, ces stations de recharge répondront surtout aux besoins engendrés par les déplacements urbains et périurbains, des trajets quotidiens de l’ordre de 20 à 60 km, tout particulièrement les rotations domicile-travail. Plutôt que de « faire le plein », de temps à autre, ces stations permettront de recharger sa batterie chaque jour avec plus de 75 % d’énergie photovoltaïque et de la garder ainsi en permanence presque chargée.

Contrairement à la recharge en itinérance tout au long des autoroutes, pour laquelle ENEDIS ne voit pas de problème de rendre disponible 2 – 5 GW de puissance à l’horizon 2035 (15,6 millions de VE), le réseau électrique auprès de nombreux sites urbains/périurbains pourrait être limité en puissance. Par exemple, si 10 % des 15 millions de VEs se chargent simultanément à des bornes de 11 kW, alors ces VEs requirent 16,5 GW, soit 12 % de la puissance installée actuellement en France (soit 135,3 GW). Ces limites peuvent être soulagées avec le déploiement du PV, idéalement couplé à des batteries de stockage et un pilotage intelligent.

Ce genre d'installation IIRVE PV en zone rurale présente beaucoup d'avantages :

proposer de la recharge accélérée dans des zones où les utilisateurs ont un kilométrage quotidien plus élevé ;
limiter l'impact de la recharge sur le réseau (réduction de la puissance appelée) limitant les coûts d'infrastructure ;
augmenter le taux de pénétration du PV ;
confort utilisateur (ombre).

En résumé, l’enjeu pour de tels sites, est de pouvoir partager la puissance disponible (réseau et solaire combinés) en faisant en sorte que les VEs soient tous suffisamment rechargés à la fin de la journée en privilégiant la ressource PV et en minimisant l’impact de la recharge des VEs lors des heures de pointe.

Côté français, c’est notamment l’UTC qui y a contribué sur les recherches sur les IIRVE. Une bonne solution technique semble un mini réseau électrique en courant continu (micro-réseau ou microgrid en anglais). Pour que la satisfaction de l’utilisateur et l’utilisation de l’énergie PV soient maximales, des algorithmes ont été développés permettant tant l’optimisation off-line, c’est-à-dire en dehors du fonctionnement, que celle on-line pour un contrôle du fonctionnement en temps réel. Il a été montré que, pour réaliser 40 km, un VE peut se charger, même en décembre dans le nord de la France, avec plus de 75 % d’énergie PV pour réaliser 40 km. Cependant, pour augmenter la part du solaire dans le mix électrique de recharge, quelques conditions doivent être réunies :

Des recharges normales et dynamiques (idéalement entre 1,8 kW et 7 kW) pour favoriser le recours à la ressource PV ;
Le recours à des batteries « stationnaires » de stockage ce qui permet d’augmenter le taux solaire dans le mix électrique utilisé sur place pour la recharge des VEs ;
La disponibilité d’un logiciel de pilotage qui permet de prendre en compte la demande en puissance, en énergie et la flexibilité offerte par les véhicules présents à l’IIRVE ; de par l’optimisation associée, l’algorithme minimise le coût énergétique, maximise l’utilisation du PV et répond aux besoins de flexibilité du réseau ;
Le périmètre peut être étendu pour inclure les besoins du réseau électrique public, ou ceux des bâtiments locaux, grâce aux V2X (véhicule vers autres systèmes) et la flexibilité offerte par des batteries de VEs. Cela permettra d’augmenter encore le taux de couverture des besoins par le PV, ou de réaliser un fonctionnement « système » économiquement plus efficace.

Ces travaux ont caractérisé les conditions préalables de faisabilité pour le déploiement de ce type de stations, sous l’angle technique, mais aussi économique, environnemental et sociétal. Un ensemble de méthodologies de calcul en coût global sur durée de vie, de calcul des émissions CO₂ et d’outils tant de dimensionnement que de régulation et de contrôle intelligent ont été créés.

Les scénarios proposés montrent une réduction de l'impact carbone de ces stations de recharge par rapport aux stations alimentées uniquement par le réseau public. Pour les panneaux PV récents, produits en Europe en particulier, ayant un très faible coefficient d'émission, et une infrastructure basée sur des matériaux recyclés, la station de recharge basée sur PV a un impact carbone inférieur à celui de la station alimenté uniquement par le réseau public. Par exemple, pour la France, le résultat montre un impact carbone réduit de 32 %, et cela, malgré le faible taux de CO₂ du mix électrique français.

Quant à l’impact sociétal et à l’acceptabilité sociale, le questionnement principal est : quelle intégration potentielle dans les habitudes des utilisateurs ? Quelles pratiques sociales peut-on imaginer ? Quel type d'entreprise peut y voir un bénéfice en termes d'économie et/ou d'image ?

Concernant l'impact sociétal, l'idée principale repose sur la manière dont les utilisateurs s'approprient le service ; il faut mettre en place un suivi des pratiques réelles afin de les observer. Ainsi, un outil – interface a été développé ; il permet l'accès aux services (interface utilisateur/services), le suivi des pratiques (observer l'utilisation du service), ainsi qu'un lien direct vers la communication via la borne de recharge (qui offre aux utilisateurs des informations en temps réel).

Les résultats d’une première enquête sur l’acceptabilité montrent que ces stations de recharge intégrant des panneaux PV sont socialement largement acceptées alors que certains impératifs doivent être pris en compte, par exemple le design et l’implantation dans le milieu urbain.

Au final, tout en offrant une source d’électricité à très faible empreinte carbone, ces stations de recharge de type microgrid connectées au réseau permettront de soulager la pression sur le réseau électrique, qui ne pourra pas absorber toute la demande engendrée par ces VEs sans transformation notable. Ces stations de recharge, dotées de panneaux PV mais aussi d’une capacité de stockage électrique, représenteront l’une des réponses au problème posé par le surcroit de consommation électrique provoqué par la transition du véhicule à moteur thermique vers le moteur électrique.

Conclusions et recommandations

La mobilité électrique solaire s’inscrit bien dans la mission de l’ADEME, car un potentiel important peut être identifié en termes de contribution du PV aux besoins énergétiques de la mobilité, et indirectement à une mobilité plus efficace, car des véhicules plus légers sont mis en avant comme solution pertinente.

Aussi, le V2X (décharger des véhicules pour répondre aux besoins du réseau ou des bâtiments) semble à terme une solution économique pertinente qui pourra encore faire croitre le taux d’utilisation de la ressource solaire disponible localement.

[1] https://www.ademe.fr/les-defis-de-la-transition/air-et-mobilite/

2 https://www.iea.org/reports/global-ev-outlook-2022/executive-summary

3 https://www.lemonde.fr/planete/article/2022/06/08/climat-les-eurodeputes-s-opposent-a-un-texte-de-reforme-du-marche-carbone_6129406_3244.html

4 https://www.lesechos.fr/industrie-services/automobile/les-vrais-chiffres-du-parc-automobile-francais-1168701

5 La France, le Japon, l’Allemagne, les Pays-Bas, la Chine, l’Australie, l’Espagne, la Suisse, l’Autriche, le Maroc et le Portugal.

Tags : photovoltaïque, PV, VEPV

Thème : Véhicules intermédiaires, eXtrême Défi, Voiture électrique et charge, Carburants alternatifs

Organisations impliquées dans la ressource : ADEME, Solar Cloth

Référent (individu) : Paul Kaaijk

Défi auquel répond cette connaissance : L'extrême défi ADEME

Communauté d’intérêt : Communauté de l'eXtrême Défi, Communauté autour du Véhicule Electrique, sa charge et les réseaux

Personnes clés à solliciter : Paul Kaaijk, Alain Janet

S’inscrire à une mailing liste : https://forum.fabmob.io/t/photovoltaique-et-vehicule-electrique/732

Autres informations :