Innovation des VE : accélérer la transition vers une mobilité durable

Comme d’autres secteurs, l’industrie automobile doit évoluer pour relever les futurs défis économiques et écologiques. Aujourd’hui, les véhicules thermiques sont responsables de près de 10% des émissions de CO2 dans le monde. Dans les pays développés comme la France, ce chiffre atteint 15%. L’électrification de ces véhicules est donc un enjeu clé de la transition vers une économie à faible émission de carbone.

D’après le “World Energy Outlook 2022” publié par l’Agence internationale de l’énergie, l’augmentation de la demande mondiale d’électricité d’ici à 2030 équivaut à l’addition de la consommation actuelle d’électricité des États-Unis et de l’Union européenne ! Une telle augmentation de l’électricité est de l’ordre de +5 900 à +7 000 TWh selon les scénarios.

Les principaux contributeurs à une telle augmentation sont :

• le transport électrique dans les économies avancées,
• la croissance démographique et la demande de refroidissement dans les marchés émergents et les économies en développement.

La mobilité électrique est un enjeu important et un facteur majeur de la demande supplémentaire d’électricité. Cependant, cet objectif ne doit pas seulement se concentrer sur le développement et l’évolution des véhicules par les constructeurs mais aussi prendre en compte les infrastructures.

Il est important de mettre l’accent sur les besoins en infrastructures de recharge et en technologies innovantes dédiées aux véhicules électriques (VE), qui doivent permettre aux utilisateurs de ce type de véhicule de se déplacer partout, à tout moment, en toute sérénité et d’assurer le bon fonctionnement du système électrique.

Véhicules électriques : un changement majeur imposé par la transition énergétique

Les pouvoirs publics de plusieurs pays multiplient les initiatives pour favoriser cette évolution des solutions de mobilité. Parmi les actions en vigueur ou à l’étude, un nombre croissant de pays se sont engagés à supprimer progressivement les moteurs à combustion interne ou ont des objectifs ambitieux d’électrification des véhicules pour les prochaines décennies. En Europe, l’objectif fixé est de stopper les ventes de nouveaux véhicules à moteur thermique d’ici 2035.

Le scénario des engagements annoncés (APS) de l’AIE, qui repose sur les engagements et les annonces politiques existants en matière de climat, suppose que les VE représentent plus de 30 % des véhicules vendus dans le monde en 2030, tous modes confondus (à l’exclusion des véhicules à deux ou trois roues). Bien qu’impressionnant, ce chiffre est encore bien loin des 60 % nécessaires d’ici 2030 pour s’aligner sur une trajectoire qui permettrait d’atteindre des émissions nettes de CO2 nulles d’ici 2050.

A l’horizon 2025, on estime que le marché du véhicule électrique en France représentera 12 milliards d’euros, dont 8 à 11 milliards d’euros de ventes de véhicules électriques, 150 à 250 millions d’euros pour les bornes de recharge et 300 à 600 millions d’euros pour la vente d’électricité nécessaire à la recharge.

Le déploiement rapide des stations de recharge des véhicules électriques, condition clé du développement des véhicules électriques

Cette transition vers les véhicules électriques nécessite trois conditions principales pour atteindre l’ambition visée :

• Le développement de véhicules nouveaux et attractifs, avec pour enjeux : la capacité des batteries face à la densité énergétique d’un litre de pétrole, la disponibilité des ressources minérales pour renouveler entièrement le parc automobile mondial (en raison de la rareté des métaux rares), l’enjeu de l’empreinte environnementale d’un véhicule électrique (au-delà de la seule question de la rareté des métaux).
• La disponibilité de l’énergie où et quand les véhicules seront rechargés. Bien que l’impact d’un véhicule électrique sur le réseau électrique soit très limité au niveau domestique, les 22 millions de véhicules électriques et hybrides attendus en 2025 en Europe augmenteront considérablement la demande globale d’électricité (de 4 860 en 2020 à 47 000 GWh en 2025), ce qui nécessitera à la fois un renforcement du réseau, davantage d’énergie et, en outre, une gestion plus intelligente de la charge pour équilibrer l’utilisation et la disponibilité de l’énergie.
• Enfin, le déploiement d’un réseau dense de stations de recharge (EVCS) pour apporter une solution au consommateur en mobilité.

Fondamentalement, le réseau EVCS sera efficace s’il est déployé comme un écosystème global répondant aux besoins des consommateurs dans quatre applications principales :

• La charge “à domicile” (90% des charges de VE se font aujourd’hui à domicile, individuel ou collectif) ;
• La charge “au travail” (bâtiments tertiaires ou institutionnels, usines,…) ;
• La charge “en ville” (magasins, restaurants, parkings publics,…) ;
• La charge “en voyage” (autoroutes).

Chacune de ces applications obéit à ses propres contraintes en matière de coût économique de déploiement, de temps de chargement prévu, de concurrence avec les autres véhicules, de facturation de l’énergie à l’utilisateur… Quel que soit le type de solution de charge à proposer (en courant alternatif pour la majorité des besoins ou en courant continu pour la charge rapide), elle imposera des contraintes importantes sur le réseau électrique qu’il faudra anticiper.

Cet écosystème vaste et complexe à déployer en une décennie nécessitera des investissements importants mais aussi une forte innovation pour une évolutivité maximale des installations et une gestion intelligente de l’énergie.

Les partenariats et l’innovation sont essentiels

Pour illustrer ce défi de l’innovation, nous pouvons citer par exemple 2 projets impliquant les équipes R&D de Nexans en partenariat avec Enedis ces dernières années :

• Projet “BIENVENU” : Comment proposer une infrastructure de recharge évolutive et économique dans des bâtiments d’habitat collectif conçus bien avant l’essor du véhicule électrique (seulement 2% équipés en 2022 en France, pour ~45% de la population vivant en habitat collectif) ?
• Projet “SMAC” : Comment créer les conditions technologiques permettant le Vehicule-to-Grid (V2G) pour injecter l’énergie stockée dans les batteries des VE dans le réseau lors des pics de consommation d’énergie ou pour compenser la production intermittente d’énergie à partir de sources renouvelables ?

Nexans propose également, avec son partenaire e-Novates, une gamme complète de bornes de recharge en courant alternatif de 7 à 22 kW conçues pour s’adapter à diverses applications intérieures/extérieures pour des clients professionnels ou publics.

Cette gamme de produits sera entièrement renouvelée en 2023 avec de nouveaux modèles rapides à installer et compatibles avec la nouvelle norme ISO 15 118. En parallèle sera présentée la nouvelle version de la solution de câblage évolutive Nexans “NEOBUS”, conçue en partenariat avec MICHAUD, dédiée aux parkings souterrains intégrant un risque spécifique de sécurité incendie.

Nexans est donc un acteur clé de cette évolution du marché du véhicule électrique. Les nouvelles solutions proposées faciliteront grandement la vie quotidienne des utilisateurs, tant dans le secteur privé que sur la voie publique, et amélioreront l’attractivité de ces nouveaux véhicules.

Il est clair que les éléments de différenciation sont les facteurs clés de l’innovation :

• Pour les véhicules, le design global, la fiabilité dans le temps et l’autonomie liée à la puissance et à l’efficacité des batteries, sont des facteurs de différenciation ;
• Pour les équipements d’infrastructure de recharge, nous pensons que les principaux critères de différenciation ne sont pas liés au matériel mais à la couche numérique qui permet le suivi des bornes de recharge, interfacée avec les moyens de paiement, et les applications qui améliorent l’expérience client. Le deuxième axe de différenciation est la facilité et la rapidité d’installation des bornes et leur raccordement au réseau électrique.

Limiter l’impact sur l’environnement

Le déploiement des véhicules électriques et leur part croissante dans la mobilité auront un impact significatif sur la réduction du réchauffement climatique, à condition bien sûr que de l’électricité décarbonée soit produite et utilisée. Cependant, il est également important de considérer l’impact des véhicules électriques sur les ressources, notamment le cuivre. En 2020, la production est de 21 Mt pour une consommation quasi équivalente. La demande va s’accélérer du fait de l’électrification et notamment de la mobilité électrique.

Concrètement, un véhicule thermique traditionnel nécessite 20 kg de cuivre, un véhicule hybride deux fois plus (40 kg), et un véhicule électrique 80 kg de cuivre en moyenne, soit 4 fois plus qu’un véhicule classique (cette quantité peut atteindre 200 kg pour certains modèles comme Tesla).

À cette augmentation conséquente de métal dédié aux véhicules électriques, on peut ajouter le cuivre nécessaire à l’infrastructure de recharge, aux équipements de recharge en courant alternatif et continu, mais aussi au système de connexion au réseau électrique. Selon une estimation prudente, 3Mt de métal seront nécessaires pour cette transition.

Pour limiter l’impact de la transition électrique sur les ressources en cuivre, il est nécessaire d’accompagner le changement par une filière de recyclage du cuivre et la mise en place d’un écosystème d’économie circulaire.

Après plus d’un siècle passé dans l’ombre, le courant continu pourrait bien prendre sa revanche.

Les dernières années du 19ème siècle ont été marquées par une bataille acharnée autour de la meilleure méthode d’approvisionnement des consommateurs en électricité, opposant d’un côté le courant continu (promu par Thomas Edison) et de l’autre le courant alternatif (soutenu par Nikola Tesla). C’est le second qui l’a emporté et domine le monde depuis lors.

L’histoire aurait pu s’arrêter là mais deux facteurs en ont décidé autrement. D’une part, le courant continu se révèle remarquablement efficace pour le transfert massif d’électricité sur de longues distances – c’est d’ailleurs l’un de ses usages depuis des décennies. D’autre part, nous utilisons un nombre croissant d’équipements électriques fonctionnant au courant continu : téléphones mobiles, éclairages LED, véhicules électriques…

Tout cela conduit à réévaluer l’intérêt du courant continu pour le transport, la distribution voire la consommation d’électricité par l’utilisateur final. Que pourrait-il en être dans la pratique ?

Transport en courant continu

Le transport est le transfert massif d’énergie électrique, typiquement sur de longues distances, au moyen de conducteurs aériens ou de câbles souterrains (ou sous-marins). L’utilisation du courant continu haute tension (CCHT) pour le transport d’électricité présente un certain nombre d’avantages par rapport à l’alternatif haute tension.

Tout d’abord, le CCHT nécessite moins de matériel : seulement deux conducteurs au lieu de trois pour l’alternatif. Ensuite, les pertes électriques sont moindres en courant continu car seule la puissance active est transférée (alors que le courant alternatif transfère à la fois la puissance active et réactive). Enfin, la longueur possible des liaisons de transport est bien plus grande dans le cas du courant continu grâce à l’absence de puissance réactive.

Le CCHT est une technologie éprouvée, qui ne cesse de se perfectionner au fil du temps. Parmi les récentes évolutions figurent notamment les convertisseurs de source de tension (VSC) et l’accroissement de la capacité de transport des câbles. Cette avancée est imputable à l’augmentation des tensions, des températures de fonctionnement, de la section des conducteurs, ainsi qu’à l’apparition de la fabrication par extrusion. Il en résulte une réduction de l’empreinte au sol et du coût des projets CCHT relativement à l’énergie transférée. En bref, le transport CCHT devient nettement plus compétitif.

L’avenir radieux du CCHT

Deux tendances majeures du marché sont à l’origine du regain d’intérêt pour le transport CCHT. La première est la demande croissante d’interconnexion des réseaux électriques, par-delà les frontières et les océans. La seconde tient à la multiplication des parcs éoliens offshore, avec leurs câbles sous-marins d’exportation à terre.

À ce jour, quelque 15 000 km de câbles sous-marins CCHT ont été posés, employant les procédés d’imprégnation de matière (IM) ou d’extrusion XLPE (polyéthylène réticulé). 20 000 km supplémentaires d’interconnecteurs CCHT devraient être déployés d’ici 2030, sans compter les câbles d’exportation des parcs éoliens offshore. Le parc installé de câbles extrudés devrait s’étendre et égaler la longueur des câbles IM avant la fin de cette décennie. Les fabricants de câbles sous-marins CCHT se positionnent sur ce marché en investissant dans l’accroissement de leurs capacités de production et de pose.

Le courant continu pourrait-il aussi servir pour la distribution ?

Les réseaux de distribution moyenne tension (MT) et basse tension (BT), ainsi qu’à l’intérieur des bâtiments, sont dominés depuis longtemps par le courant alternatif. Cependant, la transition progressive vers le courant continu – permise par le développement des microréseaux BT et MT– pourrait amener des économies d’énergie, améliorer l’interopérabilité, faciliter l’intégration des énergies renouvelables et augmenter la durabilité.

L’intérêt pour les micro-réseaux en courant continu est motivé par des changements fondamentaux dans les modes de production, de stockage et de consommation de l’électricité.

Premièrement, la production d’électricité est de moins en moins centralisée et se rapproche des sources de demande, à l’exemple du solaire photovoltaïque sur les toits et du petit éolien. Les panneaux photovoltaïques produisent naturellement du courant continu, tout comme certaines micro-éoliennes.

Deuxièmement, les batteries se généralisent pour le stockage de l’électricité, par exemple dans les onduleurs. Elles sont utilisées par les entreprises, notamment au sein des data centers, pour sécuriser leur approvisionnement en énergie. Des systèmes de stockage d’énergie sur batteries (BESS) sont également de plus en plus déployés pour l’équilibrage des réseaux. En outre, des systèmes domestiques de ce type commencent à être disponibles. Surtout, les batteries des véhicules électriques offrent un potentiel d’intégration au réseau. L’un des aspects essentiels du stockage sur batterie est que la majeure partie est distribuée plutôt que centralisée et que la totalité fonctionne en courant continu.

Troisièmement, côté consommation, les équipements en courant continu sont aujourd’hui légions et leur adoption est en plein essor, comme souligné plus haut : smartphones, ampoules LED, véhicules électriques… Jusqu’à présent, tous dépendent d’un adaptateur pour la conversion alternatif-continu.

Autant de facteurs qui créent un terrain propice pour des micro-réseaux en courant continu réunissant la production et la consommation, avec un stockage de secours sur batteries, y compris celles des véhicules électriques. L’un des attraits de ce modèle est qu’il élimine la nécessité d’une conversion alternatif-continu et donc d’un adaptateur, ce qui aboutit en soi à une économie d’énergie.

Comment Nexans favorise-t-il le courant continu ?

Nexans est un leader du marché des câbles CCHT sous-marins et investit continuellement dans le développement de ses capacités de fabrication et de déploiement. En 2021, nous avons lancé le Nexans Aurora, le navire câblier le plus avancé au monde. Le Groupe est bien placé pour accompagner les besoins futurs des opérateurs de réseaux de transport comme des promoteurs de parcs éoliens.

Alors que les installations en courant continu (CC) se multiplient dans le secteur du transport haute tension, l’étape suivante pourrait consister en des microréseaux CC moyenne et basse tension. Ceux-ci devront utiliser des câbles, accessoires et connecteurs optimisés pour être viables sur le plan technique. Il leur faudra également satisfaire aux exigences de fiabilité, d’efficacité énergétique, de durabilité et de sécurité.