L’électrique à batterie domine pour la réduction du CO2
Alors que l’industrie automobile mondiale accélère sa décarbonation, une nouvelle étude complète de l’Institut allemand de recherche sur l’ingénierie automobile et les systèmes de propulsion (FKFS) offre un éclairage crucial sur la performance environnementale à long terme des technologies de véhicules de nouvelle génération. Les recherches, dirigées par le Dr Tobias Stoll en collaboration avec Hans-Jürgen Berner et André Casal Kulzer du FKFS et de l’Institut d’ingénierie automobile (IFS) de l’Université de Stuttgart, évaluent l’empreinte carbone complète du cycle de vie de trois systèmes de propulsion principaux : les véhicules électriques à batterie (VEB), les véhicules électriques à pile à combustible (VEPAC) et les véhicules hybrides à moteur à combustion interne (Hybride-MCI) fonctionnant avec des carburants synthétiques (e-carburants).
Publiée dans le numéro spécial d’octobre 2024 du Journal de l’Université de Tongji (Sciences naturelles), l’étude présente une analyse du berceau à la roue qui intègre les émissions de la fabrication du véhicule avec la production et l’utilisation de l’énergie dans différents scénarios de réseau électrique. Cette approche holistique va au-delà des simples émissions à l’échappement pour évaluer le véritable coût environnemental des transports dans un futur façonné par la transition vers les énergies renouvelables.
Ces résultats arrivent à un moment charnière. L’Union européenne a imposé une réduction de 100 % des émissions de CO2 des nouvelles voitures particulières d’ici 2035, éliminant ainsi progressivement la vente de nouveaux véhicules fonctionnant uniquement aux combustibles fossiles. Si cette pression réglementaire a accéléré l’adoption de motorisations électrifiées, elle a également intensifié le débat sur les technologies offrant la voie la plus durable – surtout alors que les constructeurs automobiles explorent des alternatives à l’électrification totale par batterie, notamment les piles à combustible à hydrogène et les carburants synthétiques neutres en carbone.
Stoll et son équipe soulignent que des émissions nulles à l’échappement n’équivalent pas à un impact nul sur les gaz à effet de serre. L’empreinte environnementale de tout véhicule dépend fortement de la manière dont son énergie est produite. Pour les véhicules électriques, l’intensité carbone du réseau électrique est un facteur décisif. De même, pour l’hydrogène et les e-carburants, la source d’électricité utilisée dans leur production détermine leur bénéfice climatique global.
Pour garantir une comparaison équitable, les chercheurs ont sélectionné trois configurations représentatives de berlines de segment C projetées pour l’année 2040, en s’appuyant sur les données du projet FVV « Powertrain 2040 ». Chaque véhicule a été optimisé pour son vecteur énergétique respectif : batteries lithium-ion pour les VEB, piles à combustible à hydrogène pour les VEPAC, et un hybride à moteur à combustion interne de plus petite taille pour fonctionner aux e-carburants. Tous les véhicules étaient supposés être fabriqués dans l’Union européenne, avec une durée de vie de 200 000 kilomètres.
L’une des conclusions les plus significatives concerne le poids du véhicule. La configuration VEB était la plus lourde, principalement en raison du gros pack batterie. Le véhicule à pile à combustible suivait, ses réservoirs de stockage d’hydrogène et sa pile à combustible ajoutant une masse considérable. En revanche, l’hybride à e-carburant était le plus léger, bénéficiant de la haute densité énergétique des carburants liquides et d’une batterie plus petite que les modèles entièrement électriques. Les différences de poids influencent directement la consommation d’énergie, particulièrement en conditions de conduite urbaine et mixte.
L’étude a évalué l’efficacité énergétique sur quatre cycles de conduite standardisés : Émissions en Conduite Réelle (RDE), trajet domicile-travail, autoroute et ville. Ceux-ci ont été pondérés pour refléter des patterns d’utilisation typiques – 50 % RDE, 20 % trajet domicile-travail, 20 % autoroute et 10 % ville. En utilisant des outils de simulation avancés, dont l’algorithme opt. MO-ECMS, l’équipe a calculé les efficacités globales du puits à la roue pour chaque motorisation.
Les résultats ont montré que le VEB atteignait l’efficacité moyenne la plus élevée à 51 %, suivi par le VEPAC à 22 %, et l’hybride à e-carburant à seulement 11 %. Ces chiffres reflètent les pertes d’énergie inhérentes à chaque système. Les véhicules électriques à batterie convertissent l’électricité du réseau directement en mouvement avec des pertes minimales. Les véhicules à pile à combustible, bien qu’à zéro émission à l’échappement, souffrent d’inefficacités dans la production d’hydrogène (électrolyse), la compression, le stockage et la reconversion en électricité. Les e-carburants, quant à eux, nécessitent encore plus d’étapes : capturer le CO2 de l’atmosphère, produire de l’hydrogène vert par électrolyse, synthétiser le carburant liquide (via des procédés méthanol-to-essence ou MtG), le raffiner, le transporter et enfin le brûler dans un moteur. Chaque étape entraîne des pénalités énergétiques, ce qui se traduit par une efficacité globale beaucoup plus faible.
Cependant, l’efficacité n’est qu’une partie de l’équation. La contribution centrale de l’étude réside dans sa modélisation des émissions du berceau à la roue, qui combine la production du véhicule (berceau au portail) avec l’utilisation opérationnelle de l’énergie (puits à la roue). Les chercheurs ont examiné quatre scénarios distincts de réseau électrique, reflétant différents degrés de décarbonation : 5 g CO2-eq/kWh (un minimum théorique pour des réseaux entièrement renouvelables), 50 g CO2-eq/kWh (un système profondément décarboné), 200 g CO2-eq/kWh (moyenne actuelle de l’UE) et 400 g CO2-eq/kWh (intensité actuelle du réseau allemand).
Dans le scénario à émissions les plus élevées (400 g CO2-eq/kWh), le VEB surpassait toujours l’hybride à essence conventionnelle par une marge significative. Même avec un réseau à forte intensité carbone, la efficacité supérieure des motorisations électriques se traduit par des émissions globales plus faibles. Le VEPAC dépassait également l’hybride à combustibles fossiles, mais seulement lorsque les émissions du réseau tombaient en dessous de 350 g CO2-eq/kWh. L’hybride à e-carburant, utilisant un carburant produit dans l’UE, ne devenait compétitif qu’en dessous de 113 g CO2-eq/kWh.
Le résultat le plus frappant est apparu dans les scénarios de réseau à faible carbone. À mesure que l’électricité devient plus propre, l’écart d’émissions entre les VEB et les autres technologies se réduit, mais le véhicule électrique à batterie maintient constamment l’empreinte totale la plus faible. À 5 g CO2-eq/kWh, les émissions du berceau à la roue pour le VEB étaient d’environ 20 g CO2-eq/km, contre 35 g pour le VEPAC et 50 g pour l’hybride à e-carburant produit dans l’UE.
Fait intéressant, l’étude a révélé qu’un hybride à e-carburant utilisant un carburant produit en Amérique du Sud – où les ressources solaires et éoliennes sont abondantes et peuvent alimenter des usines d’e-carburant avec des émissions quasi nulles – pourrait atteindre des émissions aussi basses que 45 g CO2-eq/km même sous la moyenne actuelle du réseau de l’UE de 200 g CO2-eq/kWh. Dans des scénarios à très faible carbone, cette option se rapprochait des performances du VEPAC, suggérant qu’une production géographiquement optimisée pourrait jouer un rôle stratégique dans la décarbonation des transports, en particulier pour les parcs de véhicules existants.
Un aperçu clé de la recherche est le compromis entre les émissions de fabrication et les émissions opérationnelles. Les véhicules électriques à batterie ont l’empreinte de production la plus élevée, principalement en raison de la fabrication des batteries. Le VEPAC suit, avec des émissions liées aux catalyseurs de la pile à combustible et aux réservoirs d’hydrogène haute pression. L’hybride à e-carburant a l’impact de production le plus faible, grâce à sa batterie plus petite et son architecture moteur conventionnelle.
Cependant, cet avantage diminue rapidement avec le temps. Alors que les émissions de production sont fixes, les émissions opérationnelles s’accumulent avec chaque kilomètre parcouru. Dans les VEB à haut rendement alimentés par une électricité propre, la dette carbone initiale de la fabrication est remboursée en quelques années. En revanche, les émissions de production plus faibles des véhicules à e-carburant sont compensées par leur consommation d’énergie beaucoup plus élevée et les émissions amont associées.
L’étude souligne également l’importance du stockage et de la transportabilité de l’énergie. Bien que les VEB soient très efficaces, ils dépendent d’une infrastructure de recharge robuste et font face à des défis dans les climats froids et les applications de longue distance. L’hydrogène offre un ravitaillement plus rapide et une densité énergétique plus élevée mais nécessite une nouvelle infrastructure coûteuse et se heurte à des obstacles d’efficacité. Les e-carburants, cependant, peuvent tirer parti des réseaux de distribution de carburant existants et de la technologie des moteurs à combustion interne, ce qui en fait une option potentiellement attrayante pour les véhicules anciens, l’aviation et le transport maritime.
Stoll et ses collègues mettent en garde : si les e-carburants peuvent permettre une économie circulaire du carbone – en capturant le CO2 de l’air et en le recyclant en carburant – leur extensibilité est limitée par la disponibilité énergétique. Produire suffisamment d’e-carburant pour alimenter tout le secteur automobile nécessiterait des quantités considérables d’électricité renouvelable, entrant potentiellement en concurrence avec d’autres efforts de décarbonation. Par conséquent, les auteurs suggèrent que les e-carburants pourraient être mieux réservés aux secteurs où l’électrification est impraticable.
La recherche souligne qu’il n’existe pas de solution universelle. Le choix optimal de la motorisation dépend de l’intensité carbone du mix énergétique local. Dans les régions où les réseaux sont fortement dépendants du charbon, même les VEB offrent un avantage climatique par rapport aux véhicules conventionnels, bien que le bénéfice augmente de façon exponentielle à mesure que les réseaux se décarbonent. Dans les pays disposant d’abondantes énergies renouvelables, comme la Norvège ou l’Islande, les VEB atteignent des émissions quasi nulles. Pour que l’hydrogène et les e-carburants atteignent leur plein potentiel, ils doivent également être produits à l’aide d’électricité propre.
Les implications politiques sont claires. Pour maximiser le bénéfice climatique des nouvelles technologies de véhicules, les gouvernements doivent accélérer la décarbonation de la production d’électricité. L’investissement dans les énergies renouvelables, la modernisation des réseaux et le stockage de l’énergie est aussi critique que la promotion de l’adoption des véhicules électriques. Les subventions et les incitations doivent être conçues pour soutenir l’ensemble de l’écosystème énergétique, et pas seulement le véhicule lui-même.
De plus, l’étude appelle à une plus grande transparence dans la comptabilisation des émissions. Alors que les constructeurs automobiles présentent de plus en plus l’hydrogène et les e-carburants comme des alternatives « vertes », les consommateurs et les régulateurs ont besoin de données précises, basées sur le cycle de vie, pour prendre des décisions éclairées. Les allégations de neutralité carbone dans le marketing doivent être examinées dans le contexte des méthodes de production réelles.
Les auteurs soulignent également l’importance du recyclage et de la gestion de la fin de vie. Bien que les émissions liées à l’élimination aient été exclues de cette étude en raison de leur impact relativement faible, les recherches futures devraient intégrer des taux de recyclage élevés pour les batteries, les piles à combustible et les composants de véhicules afin de réduire davantage les émissions du cycle de vie.
En conclusion, l’analyse dirigée par le FKFS fournit un cadre robuste pour évaluer la véritable performance environnementale des véhicules de nouvelle génération. Elle confirme que les véhicules électriques à batterie, lorsqu’ils sont associés à une source d’énergie propre, offrent l’empreinte carbone la plus faible sur l’ensemble du cycle de vie. Les véhicules à pile à combustible et les hybrides à e-carburant peuvent jouer des rôles complémentaires, notamment dans des applications ou des régions spécifiques, mais leurs avantages climatiques sont plus sensibles à l’intensité carbone de la production d’énergie.
Alors que l’industrie automobile navigue dans la transition vers la durabilité, cette recherche sert de point de référence vital. Elle rappelle aux parties prenantes que la voie de la décarbonation ne consiste pas seulement à remplacer les moteurs par des batteries, mais à transformer l’ensemble du système énergétique qui alimente la mobilité. Le véhicule du futur n’est pas seulement électrique – il est alimenté par un réseau plus propre, plus intelligent et plus durable.
La méthodologie de l’étude, combinant une simulation détaillée des véhicules avec une analyse complète de la chaîne énergétique, établit une nouvelle norme pour l’évaluation du cycle de vie dans la recherche automobile. Elle met également en lumière la valeur de la collaboration interdisciplinaire entre l’ingénierie, les systèmes énergétiques et les sciences de l’environnement.
Pour les consommateurs, le message est clair : choisir un véhicule électrique est un pas vers la durabilité, mais le bénéfice climatique complet dépend de l’endroit et de la manière dont l’électricité est générée. Pour les décideurs politiques, la conclusion est que la réglementation des véhicules doit s’accompagner de politiques énergétiques qui priorisent le déploiement des renouvelables. Et pour l’industrie, la recherche affirme que si l’innovation dans l’hydrogène et les carburants synthétiques est précieuse, la stratégie la plus efficace à court terme pour réduire les émissions des transports reste l’électrification des véhicules alimentés par une énergie propre.
Alors que le monde se rapproche de 2040 – l’horizon des projections de véhicules de cette étude – les résultats offrent à la fois des orientations et un sentiment d’urgence. Les technologies existent pour réaliser une décarbonation profonde des transports. Ce dont nous avons besoin maintenant, c’est de la volonté politique, des investissements dans les infrastructures et de l’engagement du public pour en faire une réalité.
Tobias Stoll, Hans-Jürgen Berner, André Casal Kulzer, FKFS et IFS, Université de Stuttgart Journal de l’Université de Tongji (Sciences naturelles), DOI: 10.11908/j.issn.0253-374x.24726