L'AGENDA DE L'AUTOMOBILE

Parlons technique ! La voiture électrique, épisode 2

Cet article, écrit par Franck Brevet, consultant automobile, nous fait découvrir les méandres du calcul de la puissance de la voiture électrique, son rendement et la situation à ce jour…

Un peu de calcul

Oublions un peu l’électricité. Nous allons maintenant calculer la puissance nécessaire pour maintenir un véhicule à vitesse stabilisée (J’en vois qui soufflent au fond de la classe…)

Nous allons faire court. Je ne vais pas refaire la démonstration (je risque de vous faire fuir) mais simplement utiliser la formule finale. Donc, la puissance nécessaire au déplacement est égale à la somme des frottements solides (Ps) et des frottements aérodynamiques (Pa)

soit : P = Ps + Pa (le résultat sera exprimé en Watt)

Ps = m.g.k.v

m = masse en Kg

g = gravité (9.81 nous sommes sur Terre !)

k = coefficient de frottement (du pneu sur la route) (Cette valeur dépend du revêtement, de la largeur du pneu, de la composition du caoutchouc de sa pression de gonflage etc Pour notre exemple nous prendront un valeur moyenne de 0,013)

v = vitesse (en mètre/seconde)

Pa =1/2.ρ.S.Cx.v3

ρ(rho)= masse volumique de l’air, à20° elle est de 1,204 kg/m3

SCx = rapport entre la surface frontale d’un véhicule (S) et sa résistance à l’écoulement de l’air (CX).

V=vitesse (en mètre seconde)

Nous allons prendre comme exemple un véhicule ayant une masse de 1595 kg et un Scx de 0,6583 roulant à 10 km/h.

P= Ps +Pa = m.g.k.v + ½.p.S.Cx.v3

P = 1695×9,81×0,013x(10/3,6) + 0,5x 1,204 x 0,6583 x (10/3,6)3

P = 600,5 + 8,5

P = 609 Watt

Roulons maintenant à 60 Km/h

P = 1695×9,81×0,013x(60/3,6) + 0,5x 1,204 x 0,6583 x (60/3,6)3

P=3603 + 1835

P= 5438Watt = 5,44 KW

Remarque:

Nous constatons qu’avec la vitesse le frottement aérodynamique croit de plus de 200 fois en passant de 10 à 60 Km/h alors que le frottement mécanique n’augmente que de 6 fois !

La puissance trouvée est celle qui est nécessaire pour faire avancer à vitesse constante un véhicule, qu’il fonctionne à l’eau,l’air,le gaz,le pétrole,l’électricité,le nucléaire ou les déchets de poubelle comme la DeLorean du Doc…

Retour à notre sujet et prenons maintenant les chiffres de « consommation « annoncés par Nissan pour la LEAF qui est équipé d’un système batterie de 24KWh.

Comme les choses sont bien faites, les 2 calculs effectués si dessus, ont été réalisés en prenant comme masse et valeur de SCx les valeurs de la LEAF. Seul le coefficient de frottement est une valeur approximé. (Aucun constructeur ne communique sur cette valeur métier).

Nissan annonce une autonomie de 220 Km en roulant sur une surface plane à une vitesse de 60 Km /h sans climatisation. En tenant compte du rendement moteur électrique (0,9) le travail fourni par la Leaf pour parcourir la distance à été de (24×0,9) 21,6Kwh.

Si je prend le résultat du calcul à 60Km/h effectué plus haut, soit (5,44Kw) le besoin de puissance théorique pour parcourir une distance de 220 Km est de (220/60×5,44) = 20 Kwh.

Cette relative concordance (5%), nous permettra de calculer l’autonomie de la Leaf à 130Km à vitesse constante un peu plus loin.

Maintenant je vais convertir les 21,6Kwh en litre d’essence ce qui donne :

21,6 / (11×0,3) = 6,6 kilos d’essence = 8,85 L soit une consommation en équivalent essence de 4L/100 pour parcourir 220 Km.

Rappel:

1 kilo d’essence = 11Kw/h

1 litre d’essence = 0,750kg

0,3 = rendement d’un moteur thermique.

Continuons, toujours à partir chiffres donnés par Nissan. Les 2 cas suivant donne les chiffres de consommation en ville alternant accélération et freinage.

En ville à 40Km/h, dans un trafic fluide et sans clim, l’autonomie passe à 140Km soit une consommation de 6,3L/100.

En ville à 24Km/h dans un trafic encombré et en hiver l’autonomie passe à 100Km soit une consommation de 8,85L/100

Dernier exemple donné par Nissan,celle de l’autonomie sur voie rapide.

Sur autoroute à 90Km/h avec la clim l’autonomie tombe à 112Km soit une consommation en de 7,9 L/100.

(Nota : Ces chiffres de consommation sont valable pour les limitations de vitesse aux USA.)

En reprenant le calcul fait plus haut on trouve pour une vitesse de 130Km valable en France une autonomie (théorique) de 106Km.(sans la clim.)

P = 1695×9,81×0,013x(130/3,6) + 0,5x 1,204 x 0,6583 x (130/3,6)3

P=7806 + 18661

P= 26,467Watt = 26,5 KW (puissance nécessaire pour se déplacer à vitesse constante).

La LEAF ne disposant que de 24Kwh le calcul pour connaître la distance parcouru est :

(130 / 26,5) x (24 x 0,9) = 106 Km (calcul théorique ne tenant pas compte de la consommation de la climatisation). L’équivalent en consommation d’essence est de 8,35L/100.

L’enseignement que l’on peut tirer de cette petite démonstration c’est que le bon rendement du moteur électrique compense la mauvaise densité énergétique des batteries alors que la forte densité énergétique de l’essence compense le mauvais rendement du moteur thermique!

Le problème pour l’électricité est que l’essence offre un si bon rapport poids/énergie quelle n’a jamais eu aucun mal pour prendre le dessus sur les autres types d’énergie ! Dans le cas de la LEAF, son système batterie équivaut à un réservoir de 8 Litres!

Imaginez maintenant que votre voiture à essence n’est d’un seul coup plus qu’un réservoir de 8 litres, et qu’il vous faille 20 minutes pour faire un plein à 80% (6,4 litres) et 8 heures pour faire un plein complet de 8 litres ! Vous trouveriez cela fantastique ? Pourtant certains essayeurs crient au génie en essayant une voiture électrique !

Même remarque concernant la durée de vie des batteries. Nissan garantie son système batterie 160.000Km ou 8 ans. Mais après ? Même si passé cette limite la batterie ne va pas s’arrêter de fonctionner du jour au lendemain, elle va perdre progressivement sa capacité de stockage mais sans trop savoir de combien et sur quel rythme. Combien va alors coûter le changement des batteries et à quel moment faudra t’il le faire? De ce point de vue Il est dommage que Nissan ne propose pas une offre de location, comme s’apprête à le faire Renault, ce qui aurait eu le mérite de rassurer l’acheteur sur le long terme.

Vraiment propre ?

En France une voiture électrique est aussi une voiture nucléaire alors qu’en Allemagne ou ailleurs ce serait plutôt une voiture au charbon… Car il ne faut pas oublier qu’une bonne partie de l’électricité produite sur la planète vient de l’énergie fossile et qu’il y a très peu de norme anti-pollution appliqué à ce jour à cette industrie lourde, contrairement à l’automobile qui traque le CO2 et la particule comme le chasseur traque le perdreau un jour d’ouverture de chasse !

Le pétrole n’est pas sans impact sur l’environnement entre l’extraction, le raffinage et l’acheminement, c’est certain. Dans tous les cas il faut se rendre compte que l’énergie n’est pas gratuite et inépuisable, mais malheureusement le discours tenu sur la voiture électrique à un peu tendance à déculpabiliser les gens en nous faisans oublier la façon dont est produite cette électricité.

En résumé…

La voiture 100% électrique est une solution mais pas la solution. Elle est une réponse à ceux qui se déplacent peu, qui disposent d’une place de parking avec une prise électrique, qui sont prêt à payer le surcoût d’un véhicule électrique (La Nissan Leaf est annoncé à 30.000E prime déduite) et qui peuvent utiliser pour de grand déplacement un autre moyen de transport pour aller loin.

La Leaf avec son encombrement de 308, son autonomie de Mobylette et son prix I-phone à roulette à un ciblage clientèle difficile à cerner. Elle est chère pour une deuxième voiture qui ne servirait qu’à à faire les courses, déposer les enfants à l’école et aller au boulot. Ce rôle étant souvent attribué à une petite voiture type 107 qui coûte moins du 1/3 de la Leaf. Elle est aussi trop limité en autonomie comme véhicule principale, pour partir avec sa famille en WE chez mamie à la campagne ou aller en vacances à Arcachon, sauf si vous habitez une île tenant dans un cercle de 150 Km … La concurrente la plus dangereuse pour la LEAF est certainement la Toyota PRIUS (en attendant d’analyser de plus prés la Volt) qui propose l’empreinte écologique la plus faible sur le marché des berlines (sages), en offrant une autonomie correcte pour un prix inférieur tout en soignant certains points techniques cruciaux très important pour réduire la consommation comme la traînée aérodynamique (CX:0,26 / SCX:0,57) ou le poids (1370Kg au lieu de 1695Kg).

Pour mémoire, la GTR avec ses grosses roues, ses prises d’air et ses appuis aérodynamiques « énergétivores » dispose d’un CX de 0,27 et d’un Scx de de 0,59…

Aujourd’hui les infrastructures de recharge rapide manquent cruellement. Les pouvoirs publics ont fait des promesses sur le déploiement de ces équipements mais les promesses n’engageant que ceux qui y croient et en cette période de restriction budgétaire, Il faudra surveiller cela avec intention pour éviter des désillusions. De plus si jamais l’envie vous prenait de faire un tour d’Europe avec votre voiture électrique n’oubliez pas de vous munir des prises spécifiques à chaque pays traversés car pour l’instant Il n’y a pas de standard européen mais Bruxelles y travaille …

Si le coût de la recharge est aujourd’hui annoncé comme très faible (2 euros) il ne faut pas oublier que l’état va vouloir récupérer d’une façon ou d’une autre un jour la sacro-sainte TIPP qui vide notre portefeuille et renfloue les caisses de l’état ! Dans ce domaine on peut faire confiance à notre administration pour trouver une solution à ce fâcheux problème.

Rouler en voiture électrique est une solution palliative qui peut répondre à certains besoins bien précis mais qui n’est pas adapté à l’usage intensif que nous faisons aujourd’hui de nos voitures., tant que les batteries n’auront pas progresser en terme de capacité de stockage (j’ai l’impression de relire un vieil article des années 70 , 80, 90 , 2000 (rayer la mention inutile) parlant de la voiture électrique..), à moins que nous ne changions nos modes de vie mais là c’est un autre débat…

Conclusion

Les constructeurs qui misent sur la voiture électrique visent 10% du marché mondial en 2020, soit plus de 6 millions de véhicules par an alors qu’en 2010 il n’a été vendu que de quelques milliers ! Une partie de la réussite repose à la fois sur la vitesse de déploiement des infrastructures de recharge, sur une amélioration de l’autonomie des véhicules et sur un changement de nos habitudes de déplacement.

Sacré challenge…

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15 commentaires

  1. Remy dit :

    Il y a une incohérence entre deux phrases dans votre article :

    « De ce point de vue Il est dommage que Nissan ne propose pas une offre de location, comme s’apprête à le faire Renault »

    et

    « Elle (la voiture électrique) est une réponse à ceux qui se déplacent peu »

    En effet, le tarif « plancher » de la location proposée par Renault sera prohibitif pour ceux qui se déplacent peu.
    Renault annonce même qu’il faut parcourir plus de 12000 km par an pour rentabiliser leur voiture électrique. Ce n’est pas ce que j’appelle « se déplacer peu »…

    Je préfère de loin la solution de Nissan : 8 ans de garantie pour la batterie, et si on se déplace peu, il y a de bonnes chances qu’elle ne soit pas usée au bout de 8 ans.

  2. roger dit :

    Ces calculs de physique sont intéressants mais montrent que la réserve embarquée sur la Leaf est tout simplement insuffisante (24 kWh). Les modèles construits par Tesla embarquent au moins le double.
    Ensuite, le passage à la grande série avec des enjeux financiers importants est un moteur pour la R&D : les capacités massiques vont augmenter et les prix baissés.
    Quid également des concepts d’échange rapide de batteries ?
    Quid également de l’effet de récupération d’énergie au freinage qui rend le véhicule électrique attractif en ville ? (La Leaf ne semble pas très bien lotie sur ce point, même si la régénération n’a pas un rendement de 1 il est troublant d’avoir une conso plus grande avec une vitesse moyenne plus faible). La mixité des technos est une voie à explorer : supercapacité pour la récupération au freinage par exemple et les accélérations violentes, batteries dans les autres cas.

    Ensuite sur les coûts, une étude serait bienvenue car les prix annoncés par les constructeurs sont énormes (les batteries ont bon dos). Sur le plan de l’architecture, un véhicule électrique est plus simple qu’un véhicule thermique (en toute rigueur, le freinage devrait être électrique). Produit en des quantités équivalentes, il devrait être moins cher. Elle présente aussi l’inconvénient de transférer la responsabilité de la propulsion aux équipementiers et peut donc remettre en cause le positionnement des constructeurs actuels en tant que donneurs d’ordres…Sans parler de la TIPP qui plongerait dans l’embarras nos politiques (montant énorme à compenser et difficile de taxer un truc présenté comme le Graal de l’écologie).

    Le développement réel de cette techno commencera vraisemblablement sur des engins lourds : bus et PL. (plus de place pour les batteries / résistance à l’avancement)

  3. Yoplad'boum dit :

    Très intéressant, sauf la conclusion qui part sur deux postulats farfelus :
    – les moyens de stockage n’évolueront pas pendant ces 10 prochaines années
    – les prix des carburants n’évolueront pas pendant ces 10 prochaines années
    Les évolutions de ces deux éléments motiveront sans aucun doute le marché.

    Pour connaitre (légèrement) les centrales thermiques, sachez toutefois que le contrôle de ces centrales ainsi que les normes requises actuelles sont justes énormes. De plus, il est plus simple de capter la pollution depuis un unique point de génération plutôt que depuis des millions de points répartis en autant de petites voitures.

    Ce qui se passe déjà : renseignez vous auprès des usines de co-générations par exemple.

    Pour finir, le rendement du moteur électrique est tel qu’actuellement, en supposant que 100% de l’électricité est généré par de l’énergie fossile, le dégagement global de CO2 (centrales thermiques + voitures électriques) reste 10 fois inférieur à l’équivalent voitures thermiques. Source :
    http://www.electron-economy.org/article-36222565.html

  4. Ghizmo dit :

    Merci pour cette article digne d’un vrai journaliste auto, pas comme ceux qui se contentent de recopier les dossiers de presse qu’on leur envoie.

    Pour ceux qui veulent aller encore plus loin dans la comparaison des véhicules essence et électriques, je conseille cette étude détaillée assez objective(en anglais malheureusement):
    http://www.ce.nl/publicatie/green_power_for_electric_cars_%28new%29/1011

    Pour résumer, si l’électricité est produite à partir du charbon ou du pétrole, le bilan carbone n’est pas favorable à la voiture élec mais on oublie les bénéfices évidents vis à vis des autres polluants et du bruit.

    Il est évident qu’en l’état actuel des technologies des batteries, la voiture elec reste et restera encore quelques années un marché de niche au profit des véhicules hybrides qui offrent plus de polyvalence pour un coup moindre.

    Mais il y a des recherches en labo qui pourraient aboutir à de super batterie avec une densité énergétique nettement supérieure (jusqu’à 1500Wh/kg pour le couple lithium-air soit 7 fois plus que maintenant) et des temps de charges très court (10mn) pour peu que la fourniture en électricité suive et une durée de vie suffisante (1000 cycles).
    Comme le montre cette expérience:
    http://www.turbo.fr/actualite-automobile/375144-record-monde-560-km-parcourus-audi-a2-electrique/
    Pour les germanophones la vidéo officielle:
    http://www.bmwi.de/BMWi/Navigation/Ministerium/Minister-und-Staatssekretaere/Visitenkarten/visitenkarte-bruederle,did=365044.html

    Bref, le voiture élec est un transport d’avenir, mais il n’est pas encore mature tant au niveau technique, des infrastructures que des moyens productions (renouvelable) et distribution (smart grid) de l’électricité.

    A noter que le problème de la pollution engendrée par la production et le recyclage des batteries est un faux problème car les solutions et les usines existent déjà pour rendre leur cycle de vie peu polluant.

  5. franck dit :

    Bonjour,
    Le probléme de l’achat ou de la location des batteries est épineux. Si la location est plus couteuse, elle permet de toujours disposer de batteries « fraiches ». Avec l’achat il faudra faire avec l’usure des batteries qui pour l’instant ne propose aucune « projection dans le temps » car cette technologie est toute nouvelle dans l’automobile. Face à ce manque de recul il est préférable, je trouve, de jouer la prudence en préfèrant la location.
    Tout est ensuite une question d’arbitrage …

  6. PCBMAN dit :

    Ce qui rapporte le plus aux pétrolières c’est la ville bien-sur! Et ce qui freine le plus le marché de l’électrique c’est… l’autonomie!
    1) Les infrastructures sont plus facile à installer en ville que en campagne où sur des autoroutes.
    2) Les hybrides sont à présent assez au point pour satisfaire le marché des grands déplacements.
    3)l’avenir ce n’est pas la batterie, c’est la PAC. l’hydrogène peut être produit en très grande quantité et sans impact sur l’environnement (les moteurs de fusée fonctionnent avec depuis bien longtemps) de plus on vient de trouver un nouveau moyen de stokage de ce gaz, qui serait bien plus sécuritaire.
    Tout comme le disque vinyl a été remplacé par la bande magnétique, qui a pratiquement disparue derrière le cd, qui disparaîtra derrière les micro-chips… la batterie est déjà obsolète et on s’accroche au thermique par seul intérêt d’une minorité qui veut assècher ce qui reste dans leur puits avant de passer la main…

  7. Remy dit :

    Lorsque la location est plus coûteuse que la consommation de carburant équivalente (et c’est le cas de la formule proposée par Renault), il vaut mieux en rester à la voiture thermique.

    Une formule de location « au km » serait bien mieux adaptée pour parcourir 4 ou 5000 km par an… kilométrage qui conviendrait parfaitement à ces véhicules.

  8. Mario dit :

    Que d’approximations douteuses !!!
    Il faudra entre autre m’expliquer pourquoi une voiture qui roule a 40Km/h consomme plus que quand elle roule a 60km/h? et puis tant qu’on y est comment avec un réservoir contenant 8l on peut faire 100km avec un plein tout en consommant 8,85L/100, ou 106Km en consommant 8,35L/100?

    Et que vient faire le rendement d’un moteur thermique dans la conversion de la consommation d’une voiture électrique en litre d’essence ? D’ailleurs on se demande bien a quoi sert ce genre de conversion? vue qu’elle ne consomme pas d’essence, (un peu comme si on indiquait la consommation d’essence d’un frigidaire!) ce qu’il faut savoir c’est combien ca coute, et c’est très très simple pas besoin de calcul savant, le plein de la leaf en heure creuse coute exactement 1,88€,(24KWH x 0,0784€) ce qui permet de faire entre 100 et 200km, soit en moyenne 1,3€/100km. C’est pas plus compliqué que ça.
    On pourra en France acquérir cette leaf pour 28 000€. Une Golf diesel de 105cv avec un équipement équivalent coute dans les 25 000€ et consomme environ 5l de gasoil au 100 (avec le pied léger) soit environ 5,5€, soit 4,2€ au 100km de plus que la Leaf. Donc le sur-cout de la leaf (3000€) sera amortie en 72 000 km, (et je ne compte pas le cout des vidanges) c’est certes encore beaucoup , mais très loin des 300 000km annoncé dans l’article précédent….

  9. dsts dit :

    roger dit (et se trompe):
    Les modèles construits par Tesla embarquent au moins le double.
    Regardez les données techniques fournies (de façon très discrètes) par Tesla même lorsqu’il veut montrer que le danger des batteries ne représente que l’énergie de 8 litres d’essence:

    Le pack batteries Tesla pèse 450 kg et est l’équivalent énergétique de 8l d’essence:
    http://forums.audipassion.com/topic/80323-la-voiture-electrique/page__view__findpost__p__1412306

    Le danger d’une réserve d’énergie n’est pas tant la quantité d’énergie en réserve, mais la manière dont cette énergie peut accidentellement se transformer, se libérer.

  10. abcmoteur dit :

    Bon après l’effet médiatique comme quoi la voiture électrique serait fantastique, on revient un peu sur terre ? 🙂

  11. Sergio dit :

    Quand je vois tout les chiffres que vous évoquez je me dit que c’est pas vraiment économique une voiture électrique.
    28000€ pour 12000Km/an sur 8 ans ca fait 96000, comparé a un thermique principalement urbain genre clio 1.2 même en exagérant tout les chiffre je reste en dessous de 28000.
    Le prix de la voiture, disons 13000€, sa consommation sur 96000Km,8L/100 ça ferais 7680 litres a 1.8€ de moyenne par litre ça ferais 13824€ + le prix de la voiture= 26824€.

  12. Mario dit :

    Une CLIO Exception (pour un équipement équivalent) 5p TCe 100cv coute 17 650,00 € et doit plutôt être comparée a la futur Zoé ( environ 15 000€ sans batterie) qu’a la leaf qui est d’un segment supérieur.

  13. Laurent dit :

    « Nissan garantie son système batterie 160.000Km ou 8 ans » ? Bigre alors pourquoi la batterie de mon GSM qui utilise lui aussi des batteries Lithium-Ion perd plus de la moitié de son autonomie au bout de 3 ans ?
    Je suis curieux de savoir combien de km il sera possible de faire réellement avec des batteries de 8 ans ou 160 000 km.

  14. Angelica Raymond dit :

    Une CLIO Exception (pour un équipement équivalent) 5p TCe 100cv coute 17 650,00 € et doit plutôt être comparée a la futur Zoé ( environ 15 000€ sans batterie) qu’a la leaf qui est d’un segment supérieur.

  15. Agence location voiture tanger dit :

    C’est un article bien détaillé et riche en informations.
    Bravo.

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