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Rapport final recharche VEx (v3

1. du nom d une entreprise allemande d quipements lectriques lanc e en 2009 a initialement t promue par Daimler et RWE Figure 10 Elle autorise la recharge lente et rapide et permet dans une version am lior e la communication d information entre le v hicule et le r seau e La prise de type 3 est promue par EV Plug Alliance depuis 2010 un consortium d entreprises d quipements lectriques dont les leaders sont les fran ais Schneider Electric et Legrand et l italien SCAME Outre une g om trie des broches diff rente la diff rence majeure tient l existence d obturateurs qui rende plus sure sa manipulation Elle est en outre plus avanc e dans les capacit s communiquer avec le r seau Figure 10 Connecteur de l EV Plug Alliance gauche et Mennekes droite O en est la standardisation en janvier 2012 Tout d abord elle se discute au niveau europ en European Commission 2010 La commission europ enne a charg le 29 juin 2010 les organismes europ ens de standardisation suivants de mettre au point un standard de recharge pour VE 54 notamment les prises European Telecommunications Standards Institute ETSI European Committee for Standardization CEN European Committee for Electrotechnical Standardization CENELEC Mais le processus traine en longueur la normalisation devait tre effective en 2011 Ace jour elle n est pas r alis e Dans l intervalle l Association
2. Commissariat G n ral au D veloppement Durable 2011 Les v hicules lectriques en perspective Analyse co ts avantages et demande potentielle Curien N 2005 Economie des r seaux La D couverte Deutsche Bank 2008 Electric Cars Plugged In European commision 2010 avril 26 Roadmap on regulations and standards for the electrification of cars Bruxelles 62 Gambardella P 2010 Transport durable contribution des moteurs hybrides Mines Revue des Ing nieurs Hors s rie les d placements du futur Gandal N Salant D amp Waverman L 2003 Standards in wireless telephone networks Telecommunications Policy IEA 2009 Technology Roadmap Electric and plug in hybrid electric vehicles Livre Vert sur les infrastructures de recharge ouvertes au public 2011 Avril McKinsey 2009 Electrifying cars how three industries will evolve MEEDDM 2010 Une fili re fran aise de batteries http www developpement durable gouv fr Une filiere francaise de batteries html Observatoire du v hicule d entreprise 2011 V hicules lectriques et infrastructures de recharge comprendre et prendre les bonnes d cisions pour votre entreprise Les Cahiers de OVE Mars Office Europ en des Brevets s d Base de donn es PATSTAT P lata P 2010 le v hicule lectrique va t il enfin d marrer conf rence L cole de Paris du Torcheux L 2010 Technologies batteries lithiu pour VE slides printemps
3. diminuant la diversit des technologies et en r duisant les incitations la R amp D Au niveau europ en il existe aujourd hui une concurrence entre la prise de type 3 de l EV Plug Alliance soutenue par Schneider Electric Legrand et l italien SCAME et la prise de type 2 Mennekes soutenue initialement par Daimler et RWE rejoint en septembre 2011 par ACEA l association repr sentant les constructeurs europ ens d automobiles Cette situation ne nous semble pas poser de probl me majeur pour la diffusion du VEx en France dans la mesure o la standardisation semble d j acquise au niveau national le Livre Vert recommande la prise de PEV Plug Alliance Or c est a ce niveau que s exprime l essentiel des besoins de compatibilit dans la mesure ou les VEx passeront rarement les fronti res La standardisation europ enne devient alors un enjeu de second ordre Dans le domaine de la recharge semi rapide la concurrence entre les bornes en courant alternatif promues par Renault et les bornes en courant continu promues par les autres constructeurs est d une autre nature car les concepts techniques et les caract ristiques conomiques sont tr s contrast s par rapport au courant continu la recharge en courant alternatif exige des bornes moins ch res mais des v hicules quip s d un redresseur et donc plus chers Il s agit d un sujet qui n est pas national les v hicules ne peuvent tre sp cifiquement quip s
4. pr voir du fait d effets de r seau suscitant une 59 logique du tout ou rien et du fait que la demande est induite par des subventions publiques dont le niveau est difficile a anticiper au dela de quelques ann es Ces deux caract ristiques emp chent dans un premier temps l instauration d un v ritable march de la recharge publique Le d ploiement de la recharge reposera d abord sur l action des collectivit s publiques qui pourront s appuyer sur des op rateurs priv s dans une logique de d l gation de service public En la mati re les mod les conomiques propos s par le Livre Vert nous semblent pertinents Mais compte tenu des diff rences de co ts tr s importantes entre les diff rents types de recharge une tarification de la recharge au co t complet nous semble indispensable soit environ 2 euros pour une recharge lente 24 euros pour une recharge semi rapide et 36 euros pour une recharge rapide Cette tarification est la seule solution envoyant les signaux aux usagers leur permettant des choix de recharge conformes l int r t g n ral Si l on craint que cette tarification ne diminue trop les incitations l adoption de l lectro mobilit il est parfaitement possible d ajuster la subvention a l achat pour la compenser La standardisation L lectro mobilit est un bien syst me exigeant de la standardisation pour interfacer efficacement ses diff rents composants v hicule conne
5. 68 Figure A1 brevets batteries v hicules lectrifi s par pays d invention source auteur 1000 Brevets batteries v hicules Bae lectrifi s par pays d invention 600 400 200 0 1960 1970 1980 1990 2000 2010 japon Chine Allemagne France Cor e du Sud Etats Unis M thodologie Seul le brevet d pos en premier est comptabilis on ne compte l invention qu une seule fois Les brevets d pos s dans un seul pays ne sont pas Figure A2 brevets batteries Ve par pays de d p t source auteur 3000 Brevets batteries VE par pays de 2500 2000 1500 1000 500 0 1960 1970 1980 1990 2000 2010 Japon Cor e du Sud Allemagne France Etats Unis Chine On applique le coefficient multiplicateur au Japon les brevets de mauvaise qualit de sont pas comptabilis Office europ en des brevets recens s gage de mauvaise qualit du brevet Les brevets d pos s au Japon sont pond r s par un coefficient corrigeant la l gislation induit japonaise qui une multiplication des brevets pour une invention Les donn es brevets sont issues de Office europ en des brevets Un secteur qui se construit autour d alliance entre l industrie de la batterie pour lectronique et l industrie automobile Les constructeurs de batteries identifi s comme les plus prometteurs Deutsche Bank 2008 sont parfois des filiales issues
6. Dans la charte les collectivit s s engagent mettre en uvre le d ploiement d infrastructures de charge publiques d ici 2010 et communiquer sur le d ploiement et l exploitation des infrastructures et les constructeurs automobile s engagent a commercialiser 60 000 VE d ici 2012 Enfin Le plan gouvernemental de 2009 pr voit la cr ation d une nouvelle filiale d ERDF pour accompagner les communes dans le d ploiement des bornes 27 3 Le co t de la recharge Quel est le co t de l infrastructure de charge Dans cette partie nous r sumons les l ments d valuation du co t conomique de l lectromobilit et de la part qui correspond la mise en place de l infrastructure permettant la recharge des v hicules Nous nous appuyons essentiellement sur l analyse co t avantage r cemment publi par le Commissariat G n ral au D veloppement Durable CGDD 2011 qui compare le v hicule lectrique avec le v hicule motorisation classique 3 1 Le co t unitaire d installation des points de charge Le 8 CGDD 2011 Les v hicules lectriques en perspective analyse co ts avantages et demande potentielle Etudes et documents n 41 mai 62 pages 28 Tableau 4 29 Tableau 4 Les co ts unitaires de diff rents points de chargefournit les l ments pour les diff rents types de points de recharge II montre une tr s grande h t rog n it des co ts e La charge normale a domicile
7. j toutes les deux leurs mod les lectriques cela permettra Daimler de b n ficier du savoir faire en mati re de traction lectrique de BYD et BYD de b n ficier du savoir faire de Daimler en production de v hicules de moyenne et haute gamme secteur dont BYD n est historiquement pas familier Un autre exemple d int gration verticale est le groupe Bollor France alli Pininfarina Italie pour fabriquer sa Blue car Il a sa propre fili re batterie lithium polym re Batscap dont l usine de production est en France et dispose de l ensemble des brevets de cette fili re technologique 18 BYD est le 4 constructeur automobile chinois En 2009 BYD a vendu 450 000 automobiles voitures lectriques y compris 1 Une autre explication ces faibles couts et la main d uvre peu ch re employ e par BYD 71 L amont de la fili re comment s curiser l approvisionnement en mati res premi res On observe galement une volont des constructeurs automobiles ou des fabricants de batteries d int grer encore plus en amont la fili re la fois pour augmenter leur marge et s curiser leurs approvisionnements Ainsi Bollor et Eramet groupe minier et m tallurgique fran ais se sont alli s pour signer en f vrier 2010 un contrat d exploitation assorti d une option d achat de gisements de lithium avec la soci t argentine Minera Santa Rita Cela permettra au groupe de lancer les tudes pour un projet d uni
8. le livre vert sur les infrastructures de recharge ouvertes au public pour les v hicules d carbon s publi en avril 2011 constitue un v ritable mode d emploi destination des communes pour l exercice de cette comp tence L objectif de cette tude conomique est d analyser les politiques publiques et priv es dans le domaine de la standardisation notamment qui permettraient de d ployer rapidement les infrastructures de charge un co t minimal pour la soci t et en suscitant de la concurrence Plus pr cis ment nous traitons les questions suivantes e Quel est le co t de l infrastructure de recharge e Comment dimensionner l infrastructure e Comment doit tre organis e la recharge publique e Quel r le doit jouer la standardisation dans le d ploiement de l infrastructure Ces questions sont souvent proches de celles explor es dans le Livre Vert mentionn plus haut Le traitement est toutefois diff rent car il repose essentiellement sur les concepts de l analyse 1 Voir http www developpement durable gouv fr _article_print php3 id_article 6001 conomique analyse co t b n fice th orie du monopole naturel conomie des r seaux alors que le Livre Vert donne une place importante et justifi e des consid rations tr s op rationnelles n glig es dans ce rapport Cela nous conduit toutefois tre fr quemment en interlocution avec ce document Le rapport est organis en cinq parties La p
9. sente les cinq grandes technologies lithium ions Aucune technologie ne satisfait l ensemble des exigences requises et aujourd hui les batteries les plus performantes sont souvent les moins sures Torcheux 2010 Les constructeurs combinent donc souvent ces technologies pour obtenir les caract ristiques voulues 19 Tableau 2 les grandes familles de mat riaux actuelles Li ionS source auteur Nom cathode abr viation Lithium nickel cobalt Aluminium LiNio 85Co0 1Al0 05 NCA Lithium iron Phosphate LiFePO4 LFP Lithium Mangan se spinel LMS LiMn204 LMO Nickel Mangan se Cobalt LiNis 3 Mn 4 3Co 4 302 NMC Les batteries lithium polym res sont constitu es d une anode en lithium m tallique et une cathode similaire aux piles lithium ion Le mat riel choisi la cathode r sulte d un compromis entre co ts performances recherch es et s curit Les batteries lithium polym res sont d velopp es par un nombre plus faible de producteurs Bollor et Electrovayaya L industrie des batteries lithium pour l automobile n est pas encore maturit industrielle Si la volont de d velopper les batteries au lithium est incontestable il existe encore un d calage entre les annonces de production et la r alit industrielle Aujourd hui les formes et la g om trie des cellules ne sont pas encore fig es les pr s ries industrielles de cellules pr sentent un taux lev de d chet sachant que
10. un plan gouvernemental de 500 millions adopt le 24 aout 2009 alloue 170 millions la fili re batteries et est compl t du lithium ion Battery Research programme 60 millions The European Topic Centre on Air and Climate Change 2009 et un consortium d industriels y participe a hauteur de 360 millions En France le gouvernement subventionne a hauteur de 125 millions la construction de l usine d assemblage batteries Renault a Flins 70 millions de pr ts de l Etat sont pr vus pour d velopper la fili re batterie MEEDDM 2010 et l Etat soutient le d veloppement d un centre de recherche Grenoble 7 5 millions CEA 2010 via le Fonds strat gique d investissement Le Japon a fortement investi dans le soutien public a la R amp D sur les batteries lithium ion pour v hicules D s les ann es 1970 le gouvernement japonais fit le choix du v hicule tout lectrique Ahman 2004 Le MITI identifia la batterie comme l l ment critique de succ s de p n tration du VE et amor a le lithium battery project LIBES en 1992 qui permit par exemple le d veloppement d une batterie li ion par Shin Kobe quipant la Nissan Hypermini d s 2001 M me si les objectifs taient initialement de favoriser le tout lectrique les aides gouvernementales ont permis d acqu rir une exp rience et un savoir faire dans la traction lectrique qui explique en partie la perc e des v hicules hybrides au Japon
11. 1 pack plusieurs modules 1 cellule eidicdion 3 syst me de gestion lectrique thermique 4 0 1 kWh 1 kWh Six caract ristiques techniques permettent de juger des performances d une batterie Energie sp cifique nergie stockable par unit de masse Ce crit re d termine l autonomie de la voiture e Densit de puissance puissance d livr e par unit de masse Elle d termine l acc l ration du v hicule e Sa cyclabilit correspond aux nombres de cycles de charge et d charge pour lequel le niveau d nergie restitu reste constant Elle d crit la dur e de vie de l accumulateur e Performance capacit de la batterie fonctionner en r gime optimal par temp rature extr me 18 e S curit certaines r actions chimiques d gagent plus de chaleur que d autres et peuvent r sulter en une surchauffe entrainant des courts circuits ou une surcharge Pour le v hicule tout lectrique le but est de maximiser l nergie sp cifique de la cellule pour avoir le plus d nergie possible tout en minimisant la masse de la batterie Pour le VEH et le VEHR la source principale d nergie est l nergie fossile le moteur lectrique n tant utilis qu en dehors du point de fonctionnement optimal du moteur thermique typiquement lors d une conduite urbaine le crit re optimiser est la densit de puissance Cette diff rence explique pourquoi les cellules de VEH et VEHR son
12. 10 tata motors selects eig lithiumion polymer batteries for indica vista electric vehicle program html http earth2tech com 2010 01 26 think hands enerdel 5000 en 2010 15 000 en 2011 IEA 2009 50 000 en 2010 au japon 100000 en 2012 aux US IEA 2009 200 000 VE an 2015 2016 74 Toyota Primearth EV Energy company Volkswagen Sanyo electric Co Toshiba battery Co Tesla motors Tesla Energy Group actionnaire a hauteur de 31 de Think PEV energy co JV Toyota Panasonic Contrat batteries pour VEHR Audi Contrat filiale exclusive u s battery deal heads for faster charging http www ekopolitan com tech batteries and electric cars joint ventures and alliances http www ekopolitan com tech batteries and electric cars joint ventures and alliances http www ekopolitan com tech batteries and electric cars joint ventures and alliances 3 http www greencarcongress com 2009 08 ener1 think 20090827 html 4 Tesla motors est une compagnie am ricaine qui d veloppe et produit des v hicules lectrifi s 2a Wikip dia page tesla motors 1 million d hybrides an d ici 2020 Production actuelle de 700 VE an 75 Le r le des subventions publiques L Europe Les Etats Unis et le Japon ont des politiques incitatives pour stimuler la production nationale de batteries En Allemagne
13. Infrastructure Il s agit de la couche basse du r seau Elle est le support physique qui permet la r alisation du service rendu par le r seau Pour une recharge a domicile l infrastructure est constitu e de la prise d di e Sur voirie ou dans les parkings publics ou sur les lieux de travail elle est constitu e des bornes sp cifiques de recharge rapides ou lentes ou encore de station d change de batteries Info structure Il s agit de la couche m diane du r seau On y trouve les services de contr le commande dont la fonction est d optimiser l utilisation de l infrastructure et de piloter celle ci en vue de r aliser le service promis par le r seau Il s agit d une activit interm diaire n cessaire r alisation du service final Service final La couche haute est constitu e des services finaux rendus par le r seau dont la vocation est de fournir des prestations diff renci es en nature en qualit et en prix en fonction du segment client Dans notre cas Le service final rendu est la recharge du v hicule Il faut distinguer la recharge d une simple transmission d nergie En effet le service de recharge est d fini par un nombre de kWh transmis au v hicule sous une certaine dur e et dans certaines conditions de confort d utilisation C est cette combinaison de caract ristiques qui distingue le service de mobilit rendu d une simple fourniture d lectricit Les effets de r seau Un bi
14. Le gouvernement Obama a engag 2 milliardS pour aider les constructeurs de batteries et subventionne la construction d usines usine JCS subventionn e hauteur de 299 millions Saft a recu 99 millions pour d velopper une usine en Floride et A123 Systems est aid pour construire son usine dans le Michigan dans la r gion des grands lacs Un autre programme de d veloppement de la fili re batterie de 2 milliards a t vot par le congr s Le succ s commercial de l industrie des batteries automobiles n est garanti que parce qu il y a une demande en v hicule lectrifi elle m me stimul e par d autres aides gouvernementales d ductions fiscales ou bonus Ces dispositifs sont d crits dans la partie consacr e la comparaison 5 3 En amont la disponibilit des mati res premi res peut elle entraver le d veloppement de la fili re Aluminium cuivre cobalt nickel lithium autant de mat riaux constituant les batteries lithium et dont le prix est volatile que ce soit pour des raisons de crise structurelle d calage entre l offre et la a Ministry of international Trade and industry renomm METI en 2001 ministry of economy trade and industry 76 demande provoqu e interruption volontaire de l offre ou conjoncturelle interruption accidentelle de l offre Les difficult s d approvisionnement en mati res premi res peuvent elles g ner l mergence de la fili re Compte tenu des r serves et
15. a l adoption de l lectro mobilit il est parfaitement possible d ajuster la subvention a l achat pour la compenser 45 5 La standardisation L lectromobilit n cessite de combiner plusieurs biens et services un v hicule de l lectricit un service de recharge des services financiers ou de mon tique pour payer sa recharge voire une batterie dans l hypoth se o elle n est pas achet e avec le v hicule Cette compl mentarit induit la n cessit d une standardisation pour interfacer efficacement ces diff rents composants Or cette standardisation ne va pas de soi car son r sultat influence tr s directement la concurrence entre les entreprises fournissant les diff rents l ments du syst me Cette partie se propose de d crypter les enjeux de la standardisation Pour cela nous nous appuierons sur la th orie de l conomie des r seaux qui a t d velopp e avec l essor des Technologies de l Information et de la Communication TIC lors de la r volution num rique dans les ann es 1980 et 1990 Cette branche de l conomie d crit et analyse les sp cificit s de l offre et de la demande en bien r seau dans le but de comprendre les quilibres de march qui s instaurent 5 1 Qu est ce qu un standard Un standard cr e une compatibilit Il est l interface qui permet plusieurs biens compl mentaires de fonctionner ensemble On distingue diff rents types de standards selon la fa
16. ampleur de l adoption des VEx par les particuliers et les entreprises L existence d effets de r seau conduit en la mati re une logique du tout ou rien selon que l effet boule de neige s amorce ou pas En outre cette 43 demande est induite par un cadre r glementaire et des subventions publiques qui peuvent voluer comme le montre l exp rience Dans le cas d une d l gation de service public un op rateur priv ces deux caract ristiques induisent l impossibilit de fonder la r mun ration du d l gataire sur les recettes commerciales De ce point de vue les solutions propos es par le Livre vert nous semblent pertinentes e Augmenter la dur e de concession des parcs de stationnement d j conc d s Le d l gataire se r mun re alors sur les recettes de stationnement g n r es lors de la p riode de concession ajout e au contrat e Avoir recours un PPP dans lequel l entreprise qui investit et g re les bornes est r mun r par les collectivit s avec un loyer Une autre solution est que la collectivit se charge directement du dossier via une r gie Il est difficile de trancher entre les diff rentes options 4 3 Que retenir La recharge publique pr sente les caract ristiques d un monopole naturel au moins dans un premier temps la diffusion de l lectro mobilit sera trop limit e pour justifier une densit de points de recharge semi rapide et rapide m me de suscit
17. comparant le co t complet de la recharge avec l utilit qu en retirent les usagers Cette utilit se mesure par leur consentement payer pour l acc s aux bornes de recharge semi rapide et rapide Ne doivent alors tre install es que les bornes dont le co t est inf rieur cette utilit Dans son esprit cette d marche est tr s diff rente de celle propos e par le Livre Vert sur les infrastructures de recharge A notre connaissance il n existe pas de donn es sur les consentements payer des usagers pour la recharge semi rapide et rapide et sur l lasticit prix de la demande Il est prioritaire de g n rer ces donn es dans le cadre des exp rimentations pr vues Celles ci doivent donc faire varier la densit des bornes et les niveaux de tarification En leur absence une d marche rationnelle conomiquement n est pas possible L organisation de la recharge publique La recharge publique pr sente les caract ristiques d un monopole naturel au moins dans un premier temps la diffusion de l lectro mobilit sera trop limit e pour justifier une densit de points de recharge semi rapide et rapide m me de susciter de la concurrence deux bornes ne sont en concurrence que si elles ne sont pas trop loign es l une de l autre En outre la demande de recharge est extr mement incertaine puisqu elle d pendra de ce que sera le niveau effectif de la diffusion Ce niveau est particuli rement difficile
18. dans les infrastructures de charge les batteries et les technologies logicielles permettant de g rer la recharge La Figure 2 croise les caract ristiques des v hicules et leur appellation 12 Figure 2 Les diff rents types de v hicules lectriques Ce v hicule est un Hybride Hybride il ad Mild hyrid Full hybrid S il poss de conventionnel rechargeable Syst me stop start Syst me stop start avec r cup ration d nergie au J e freinage Assistance au moteur J 2 thermique Mode tout lectrique Mode tout lectrique avec autonomie 2 1 Les technologies d infrastructures de recharge Il n existe pas encore de standards en mati re d infrastructure de charge pour v hicules lectriques Les sp cifications des types de points de charges voltage forme des prises et connecteurs varient d un pays et d un constructeur l autre Nous donnons ici une classification qui s appuie sur les travaux du groupe de travail interminist riel de Jean Louis Legrand Groupe de Travail sur la mise en place d infrastructures pour v hicules lectriques ou hybrides rechargeables sous groupe mod le conomique 2009 Le Tableau 1 r sume les diff rents types de recharge possibles La charge normale On l appelle ainsi car elle est r alis e a partir de la tension normalis e du r seau basse tension en France 13 Puissance kW 3 Temps
19. de grands groupes d lectronique LG Chem et sa filiale ou Sanyo rachet par Panasonic mais le plus souvent ce sont des alliances entre des grandes multinationales dont l une est un constructeur ou quipementier automobile et l autre un producteur de batteries rechargeables lithium ion pour lectronique portatif c est le cas des alliances JCS AESC HVE PEV SB 69 Limotive La Figure A3 recense les plus grands fabricants de batteries lithium ion pour l lectronique en 2008 ils sont tous aujourd hui impliqu s dans la production de batteries automobiles sauf peut tre BAK Les alliances pr sentent un double avantage elles combinent la savoir faire batterie avec les partenariats pr existants entre les quipementiers et les constructeurs automobiles Remarquons que les firmes europ ennes ne sont engag es que dans des alliances avec des entreprises am ricaines ou asiatiques Bosch avec Samsung SAFT avec Johnson Controls le constructeur automobile francais SVE Dassault avec Dow Kokam Cor e Des entreprises plus petites et ind pendantes mergent galement tel Batscap Bollor l indien Electrovaya l am ricain Valence Technologies Mais ces constructeurs n op reront au d part que sur des march s de niche Figure A3 part de march des fabricants de batteries lithium ion toutes applications on retrouve les principaux fabricants de batteries automobiles j gt Li l Asie domine Top 7 des f
20. de la recherche EDF R amp D conf rence du 18 juin 63 ANNEXE Le secteur des fabricants de batterie Les fabricants de batteries et les constructeurs automobiles sont en train de mettre en place les capacit s de production de batteries pour r pondre a un d veloppement du march du v hicule lectrique VE v hicule lectrique hybride rechargeable VEHR et v hicule lectrique hybride VEH Rappelons que le co t de la batterie correspond a la moiti du co t du v hicule lectrique aujourd hui On ne peut certes pas pr voir aujourd hui quelle sera la p n tration de ces v hicules mais si les v hicules lectrifi s repr sentaient une proportion importante du parc automobile cela modifierait profond ment l organisation industrielle du secteur automobile en mettant au c ur du secteur la fili re de production des batteries Si les ventes de v hicules lectrifi s atteignaient 6 8 millions d unit par an les ventes annuelles de batteries repr senteraient un chiffre d affaire de 60 milliards de McKinsey 2009 Dans cette annexe nous d crivons les caract ristiques techniques et conomiques de la fabrication des batteries et examinons la capacit des fabricants actuels de batteries a restructurer leur organisation pour assurer une production a grande chelle des batteries automobiles Nous nous sommes appuy s sur des rapports techniques et des tudes de march que nous avons compl t par les
21. des Constructeurs Europ ens d Automobiles ACEA a pris position le 14 septembre 2011 pour une utilisation uniforme en Europe de la prise Mennekes du c t de l infrastructure C est une d cision tr s importante puisque l association repr sente la quasi totalit des constructeurs automobiles dont PSA et Renault Pour la France le Livre Vert conseille inversement la prise de l EV Plug Alliance L argument explicite majeur est la non conformit de la prise Mennekes du fait de l absence d obturateurs Ce probl me concerne d ailleurs d autres pays Le fait que deux grandes entreprises fran aises comptent parmi les leaders de cette alliance n est sans doute pas tranger non plus cette position Que faut il en penser L observateur ext rieur est surpris par ce d bat Rappelons qu il s agit de standardiser la prise c t infrastructure la prise c t v hicule restant sp cifique chaque mod le Quel est alors le besoin d avoir un standard europ en dans la mesure o une standardisation nationale semble suffire exploiter l essentiel des effets de r seau Les d placements transnationaux de VEx seront en effet extr mement limit s Des adaptateurs pourraient g rer les difficult s dans quelques zones frontali res Dans la partie pr c dente la n cessit d une diminution du prix par la concurrence constituait une justification de la standardisation Ce facteur n appara t pas d cisif dan
22. et des sites des fabricants de batteries Un secteur mergent qui s organise en Asie aux Etats Unis et en Europe Les producteurs de batteries haut potentiel sont localis s dans trois zones l Asie Japon Cor e et Chine les Etats Unis et l Europe http www umicore com en 67 Le Japon et la Cor e dominent sur le plan technologique Torcheux 2010 et b n ficient d un savoir faire technologique construit dans l industrie des batteries rechargeables pour l lectrique portatif ou industriel En 2000 95 des batteries lithium ions principalement pour les t l phones et ordinateurs portables taient produites dans ces deux pays source battery university com La joint venture japonaise AESC est le producteur ayant le plus de potentiel aujourd hui Torcheux 2010 grace notamment a ces partenariats troits avec les constructeurs automobiles Les industries cor ennes ont de plus acquis un savoir faire en mati re de d p t de films constituants les rouleaux gr ce la production de bande magn tiques pour cassettes vid o qui utilise le m me proc d La Chine s est dot e d une industrie et d une recherche publique puissante Le constructeur automobile et de batteries BYD a produit le premier v hicule commercial lectrique quip de batteries lithium ion m me si le nombre de vente depuis 2009 est d risoire 80 IEA 2009 Confront s la domination historique des firmes asiatiques dans
23. l lectrolyte Les rouleaux sont des films de plusieurs m tres obtenus partir des mat riaux proc ss s de l tape pr c dente On labore un m lange liquide que l on d pose sur couche d aluminium ou de cuivre On s che et uniformise ensuite l paisseur des couches Cette tape comporte galement le traitement de surface des lectrodes La d coupe les rouleaux et l assemblage en milieu anhydre des films d anode de cathode et de s parateur Est ajout l lectrolyte On tablit les connections lectroniques et on scelle le tout dans un pack cellule souvent en aluminium Sont galement r alis s des tests de s curit et de performances Cette tape n cessite de lourds investissements en g n ration r gulation de puissance lectrique et acquisition de donn es Assemblage des cellules en modules par la constitution d un circuit reliant les cellules entre elles Assemblage des modules en une batterie d finitive dans un boitier rigide La batterie poss de sa connexion son lectronique de surveillance et d quilibrage le battery management system ainsi que divers organes de s curit La partie lectronique complexe provient de chez un fournisseur et est labor e partir du cahier des charges du concepteur de batteries La production des cellules les tapes 1 5 repr sente le co t le plus important et plus pr cis ment les mat riaux proc ss s qui constituent la cellule tap
24. l autre En outre la demande de recharge est extr mement incertaine puisqu elle d pendra de ce que sera le niveau effectif de la diffusion Ce niveau est particuli rement difficile pr voir du fait d effets de r seau suscitant une logique du tout ou rien et du fait que la demande est induite par des subventions publiques dont le niveau est difficile a anticiper au dela de quelques ann es Ces deux caract ristiques emp chent dans un premier temps l instauration d un v ritable march de la recharge publique Le d ploiement de la recharge reposera d abord sur l action des collectivit s publiques qui pourront s appuyer sur des op rateurs priv s dans une logique de d l gation de service public Mais compte tenu des diff rences de co ts tr s importantes entre les diff rents types de recharge une tarification de la recharge au co t complet nous semble indispensable soit environ 2 euros pour une recharge lente 24 euros pour une recharge semi rapide et 36 euros pour une recharge rapide Cette tarification est la seule solution envoyant les signaux aux usagers leur permettant des choix de recharge conformes l int r t g n ral Si l on craint que cette tarification ne diminue trop les incitations l adoption de l lectro mobilit il est parfaitement possible d ajuster la subvention a l achat pour la compenser La standardisation L lectro mobilit est un bien syst me exigeant de la st
25. les cellules pour batteries automobiles doivent r pondre des crit res de s curit bien sup rieurs ceux des cellules pour l lectronique portatifs dont le processus d industrialisation est mature Autre signe de cette immaturit il n existe pas encore de certification de leur performance et m me de leur niveau de s curit En cons quence nous sommes donc encore a un stade pr coce de la courbe d apprentissage m me si les performances des batteries lithium ne cessent d tre am lior es Les batteries LiCo lithium cobalt font partie de la famille lithium ion mais sont tr s instables dans l tat surcharg Bien qu elles quipent 99 de nos ordinateurs portables il est donc hors de question d en quiper des v hicules car cela serait trop dangereux On ne les fait d lib r ment pas figurer dans le tableau 20 Figure 5 21 Figure 5 Evolution de la densit nerg tique Wh litre des batteries lithium ion compar aux technologies NiMH et NiCD Nickel Cadmium Agence Internationale de l Energie 2007 700 600 500 Li ion 400 4 a NiMH NiCD WhiL 300 200 100 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 Year Tous les industriels travaillent sur les batteries lithium en pr s rie pour en r duire le co t du kWh via une utilisation optimis e des mat riaux actifs et une optimisation de la production permettant de diminuer les taux de d chets Ils
26. on dont ils sont labor s Le standard de jure Le standard de jure repose sur un document valeur juridique tabli par des organismes de standardisation gouvernementaux ou internationaux du type ISO Le standard de jure peut tre susceptible d avoir un caract re obligatoire s il est adopt par la juridiction nationale mais ce n est pas toujours le cas C est par exemple le cas du standard GSM qui imposa la bande de fr quence de fonctionnement des t l phones portables en Europe Le standard de jure est transparent dans le sens o toutes les tapes de son laboration sont publiques et il est adopt suite une proc dure de vote ouverte a tous Le standard de facto Les standards de facto sont quant a eux des produits services ou pratiques tr s largement adopt es l issue d un processus concurrentiel Il s agit par exemple du format PDF Les standards de facto sont souvent la propri t d un seul acteur Il arrive souvent que les standards de facto deviennent par la suite des standards de jure cas du format PDF d Adobe certifi par une norme ISO 46 Le standard par consortium est un hybride entre le standard de facto et le standard de jure Les standards par consortium sont tablis l initiative de plusieurs industriels qui d veloppent le standard en commun Ce standard repr sente donc uniquement les int r ts des firmes du consortium contrairement au standard de jure ou les int r ts de tous d
27. production et le traitement de surface des lectrodes sont r alis es chez NEC Tokin qui a mis au point la technologie le Blog nergie 2009 Cette entreprise du groupe NEC est maintenant sp cialis e dans la production d lectrodes et vient de revoir a la hausse ses objectifs mise en place d une capacit de production pour 100 000 batteries d ici fin mars 2011 Le groupe Renault en signant un accord avec sa filiale indirecte AESC n a pu obtenir le savoir faire que sur les tapes 5 7 il va recevoir les rouleaux AESC dans son usine d assemblage Flins en France Pour maitriser la totalit du proc d en France il faudrait que NEC Tokin installe un atelier de production en France La tendance est donc une maitrise le plus en amont possible de la chaine de production Par rapport au partenariat l int gration verticale est beaucoup plus rare L exemple embl matique est le fabricant chinois de batteries BYD qui s est lanc en 2003 dans la production automobile lectrique et thermique Certains d tracteurs accusent BYD de produire ses voitures par r tro ing nierie et de violer la propri t intellectuelle Si BYD vise initialement le march chinois il compte vendre terme ses v hicules en Europe et aux Etats Unis En mars 2010 Daimler et BYD ont annonc la cr ation d une JV 50 50 pour produire une nouvelle sous marque de voiture lectrique destin e au march chinois Bien que les deux firmes produisent d
28. rapide sur les bornes AC et vice versa En cons quence le Livre Vert pr conise l installation des bornes mixtes AC et DC et donc plus ch res Dans le communiqu de septembre 2011 prenant partie pour la prise Mennekes ACEA n a pas tranch entre les deux types de recharge Que penser de cette guerre des standards A premi re vue la position de Renault para t difficile m me si elle est soutenue par les pouvoirs publics a travers la Livre Vert et son choix pour les bornes mixtes Mais a la diff rence des prises pour lesquelles les diff rences semblent finalement assez limit es nous sommes la dans une alternative entre deux solutions techniquement tr s contrast es Elles le sont galement en termes de r partition des co ts du c t de Renault des bornes de recharge moins ch res et des v hicules plus chers et l inverse pour la recharge en courant continu D un point de vue conomique il est difficile de trancher si une approche domine l autre Renault avance un co t de 2 000 pour la borne Thomas Orsini cit dans Observatoire des V hicules d Entreprise 2011 p 22 alors que le co t de la borne DC vaut trois ou quatre fois plus 56 Tableau 4 L conomie de co t d investissement de la recharge en alternatif est donc de l ordre de 6 000 par borne En s appuyant sur les hypoth ses du rapport du CGDD de 2011 en mati re de recharge semi rapide il pr voit 0 04 prise par v hicule dans les
29. Alliance soutenue par Schneider Electric Legrand et l italien SCAME et la prise de type 2 Mennekes soutenue initialement par Daimler et RWE rejoint en septembre 2011 par ACEA l association repr sentant les constructeurs europ ens d automobiles Cette situation ne nous semble pas poser de probleme majeur pour la diffusion du VEx en France dans la mesure ou la standardisation semble d j acquise au niveau national le Livre Vert recommande la prise de l EV Plug Alliance Or c est ce niveau que s exprime l essentiel des besoins de compatibilit dans la mesure o les VEx passeront rarement les fronti res La standardisation europ enne devient alors un enjeu de second ordre Dans le domaine de la recharge semi rapide la concurrence entre les bornes en courant alternatif promues par Renault et les bornes en courant continu promues par les autres constructeurs est d une autre nature car les concepts techniques et les caract ristiques conomiques sont tr s contrast s par rapport au courant continu la recharge en courant alternatif exige des bornes moins ch res mais des v hicules quip s d un redresseur et donc plus chers Il s agit d un sujet qui n est pas national les v hicules ne peuvent tre sp cifiquement quip s d un redresseur pour un march national et dont l valuation conomique est difficile au stade actuel de d veloppement technologique Dans ce contexte l conomie des r seaux sugg
30. En effet Comme le montre le Tableau 4 les co ts sont d abord fixes La maintenance et l lectricit constituent une part tr s minoritaire du co t total e Les co ts d investissements sont difficilement r cup rables sauf le co t du foncier e Le march est de petite taille au moins sur la premi re p riode 2010 2020 ce qui ne permet pas de dupliquer l infrastructure d autant que l objectif de r duction des co ts impose de ne pas multiplier les bornes Le dernier point m rite quelques explications Dans le cas d une recharge en acc s public le march pour une borne correspond une zone g ographique limit e quelques km Du fait des co ts de transport des bornes install es plus d une dizaine de kilom tres de distance ne sont en effet pas en concurrence Or le nombre limit d usagers de VE ne justifiera pas de multiplier les bornes dans une m me zone de chalandise C est la diff rence essentielle avec la distribution de carburants compte tenu du nombre de v hicules thermiques la densit de stations service est suffisamment importante pour susciter de la concurrence entre plusieurs stations 4 2 La r gulation du monopole naturel de l infrastructure A partir du moment o il s agit d un monopole naturel l activit doit tre r gul e par la puissance publique Les questions traiter sont les suivantes 1 Comment doit on tarifer l acc s l infrastructure Si le tar
31. ST a MINES ARMINES Tech Le d ploiement des infrastructures de charge de v hicules lectriques et hybrides rechargeables une approche conomique Projet de recherche pour le PREDIT GO6 financ par l ADEME Rapport final D cembre 2011 Dur e 12 mois Partenaire principal Armines CERNA MINES ParisTech Equipe scientifique Matthieu Glachant responsable Marie Laure Thibault Laurent Faucheux Mots cl s v hicules lectriques et hybrides rechargeables infrastructure de charges conomie r gulation publique Table des mati res R SUM aires cciel vaei os bucewacuassesiyuncone dieses ys 5 1 Antroductiohssssnsss miam ananas 9 2 Edtechnologie israel 11 2 1 Les v hicules lectriques rechargeables sense 11 2 1 Les technologies d infrastructures de recharge ss 13 2 2 Les batteries ennnnineiss E lise sne se none sie iso tonton A 17 2 4 Les logiciels sisi cect siciiecessiacwedssiewceas sien EENE E EREEREER AEAN EESE ns 23 3 La politique fran aise de d ploiement de l infrastructure de recharge 25 3 1 Objectifs A ANES ANNE A S nue qe deans ere ce ne desde nnge nee nu ds eu de O N 25 3 2 Instruments pour inciter lachat de VEX sssssssscececcccssssssssseseesecscsnssssssseeesessasseeess 25 3 3 Instruments pour d ployer l infrastructure de recharge 26 3 Pe coat d la recharge 28 3 1 Le co t unitaire d installation des points de charge ss 28 3 2 Le calibrage de l infrastructure de r
32. abricants de batteries lithium ion en 2008 en millions d accumulateurs et parts de march Sanyo Japon 705 ee amsung SDI Cor e PRET TU 15 Sony lapon a ei 10 9 tG Chem Cor e 9 Panasonic Japon 9 VOLE DA WS TITUS ON M CRMATION TH BOLOGY OF MAN March international des batteries lithium ion en 2008 Les diff rentes formes de partenariat Les constructeurs automobiles passent souvent des contrats de long terme aupr s des fabricants de batteries pour quiper sp cifiquement leur mod le automobile Le 70 Tableau d taille les contrats liants les plus grands industriels Pour les constructeurs automobiles ce type de partenariat ne permet pas de contr ler ou d acqu rir le savoir faire en technologies batteries mais diminue les co ts d investissements ou les co ts potentiels d investissement dans une nouvelle technologie batterie La cr ation de joint ventures entre un fabricant de batteries et un constructeur automobile est galement un mode classique de coop ration Les exemples abondent Toyota a s curis ses approvisionnements en batterie en cr ant en 1996 PEVE une JV avec Panasonic la JV fut initialement cr e pour quiper la Toyota Prius en batteries NiMH Nissan a fait de m me en cr ant en 2007 la firme AESC JV 51 49 entre Nissan et NEC En pratique AESC r alise les tapes 5 7 de la chaine de production Les tapes 4 et 3 qui concernent la
33. anagment system Mais les acteurs anticipent bien s r la croissance venir et les leaders de demain commencent tre identifiables Notre analyse reste cependant essentiellement prospective Elle montre que e La batterie est un enjeu conomique essentiel puisqu elle peut repr senter plus de la moiti du prix d un v hicule lectrique Les co ts les plus importantes et les plus fortes marges sont g n r s au cours des tapes amont du processus de fabrication de la batterie fabrication des cellules e Presque tous les grands producteurs de batteries lithium ion traditionnelles pour l lectronique portable souhaitent devenir des acteurs majeurs de la fili re automobile e Le leadership est asiatique avec des entreprises comme AESC NEC PANASONIC Toshiba Sanyo au Japon et LG Chem en Cor e Aux Etats Unis Johnson Control peut galement devenir un acteur majeur L Europe est quelque peu la traine e Le mode d organisation aujourd hui privil gi par les acteurs de la fili re repose sur des coop rations verticales entre des acteurs historiques de la batterie lithium ion d une part et des quipementiers ou constructeurs automobiles d autre part Cela prend le plus souvent la forme de contrats de collaboration de long terme plus rarement la cr ation de joint 79 ventures communes Seule l entreprise chinoise BYD initialement pr sente dans le secteur des batteries et Toyota ont choisi de s int grer ver
34. andard Les choix de compatibilit effectu s par les firmes vont d terminer la structure du march elles peuvent faire le choix de la compatibilit en se mettant d accord sur le standard adopter et sont alors en concurrence au sein d un m me march ou au contraire d cider de se battre pour le march travers une guerre des standards Le choix de standardisation des firmes r sulte donc d un 50 compromis b n ficier d un r seau largi ou se r server l exclusivit d un r seau plus maigre mais sur lequel la firme dispose d un pouvoir de march voire d une position de monopole Du point de vue de l int r t g n ral faut il privil gier l mergence d un standard ex ante ou laisser se d rouler une guerre des standards A premi re vue de nombreux arguments militent en faveur d une standardisation pr coce e Elle facilite la coordination des acteurs et acc l re le d veloppement du r seau en exploitant les effets de r seau e Elle favorise la concurrence sur le march puisque le chaque producteur fournit un bien standardis parfaitement substituabilit e Elle r duit l incertitude aupr s des consommateurs Si les consommateurs ont une vision trop floue de la version du bien r seau qui deviendra le mod le dominant il se peut qu ils adoptent une attitude attentiste limitant le d veloppement du r seau e Elle r duit l incertitude aupr s des producteurs Lorsqu une technolog
35. andardisation pour interfacer efficacement ses diff rents composants v hicule connecteur borne logiciel de communication etc et pour exploiter des effets de r seau favorisant l adoption L conomie des r seaux contraste deux processus de standardisation e Une standardisation de jure qui intervient un stade pr coce du processus de diffusion e Une standardisation de facto dans laquelle un standard s impose l issue d un processus concurrentiel Elle est donc pr c d e d une phase de concurrence entre standards concurrents une guerre des standards selon la terminologie de l conomie des r seaux Contrairement ce que pourrait sugg rer l intuition la standardisation pr coce de jure n est pas toujours la meilleure option Certes elle permet d exploiter rapidement les effets de r seau elle favorise une concurrence sur le march la standardisation assurant la substituabilit des biens produits par diff rentes entreprises Mais elle requiert un consensus qui est lent a merger Elle n cessite de s lectionner la technologie a un stade o elle est moins mature que le stade de la standardisation de facto Le standard choisi n est donc pas forc ment le meilleur d autant que le standard de facto est s lectionn par le march Mais surtout elle peut limiter l innovation en diminuant la diversit des technologies et en r duisant les incitations la R amp D Au niveau europ en
36. ar agglom ration Ferara 1 Il faut limiter au maximum la part de la recharge semi rapide et rapide en acc s public Le Livre Vert annonce que la recharge semi rapide ou rapide concernerait 5 de l usage sans avancer plus d l ments pour justifier ce chiffre Le point cl est que ce pourcentage n est pas une donn e exog ne du probl me Notre message sur ce point est que c est un param tre central d finir dans une politique publique rationnelle de d ploiement de l infrastructure puisqu il d terminera le co t global de l infrastructure La d marche conomique adopter est la suivante 1 Evaluer le co t complet d une borne en acc s public 2 Evaluer les besoins des utilisateurs potentiels 3 Evaluer l utilit qu ils retirent de la recharge en acc s public En th orie conomique cette utilit s identifie au consentement payer de l usager pour l acc s une borne Il convient alors de ne d ployer que les bornes dont le co t complet est inf rieur l utilit retir e par ses utilisateurs Nous allons consid rer successivement ces diff rentes tapes 36 Le co t complet Nous avons d j largement voqu le co t des bornes de recharge Mais la connaissance de ce co t ne permet pas de d duire directement le co t d une recharge c est dire le co t d un plein Ce co t de la recharge va notamment d pendre de la fr quence d utilisation des bornes La Figure 9 l illus
37. bre d usagers de v hicule lectrique est lev plus les points de charge sont nombreux Le b n fice retir du v hicule lectrique en sera plus lev ce qui incitera de nouveaux usagers rejoindre le r seau Les op rateurs de mobilit sont alors leur tour incit s am liorer le r seau de recharge en multipliant les bornes e Plus les utilisateurs de v hicules lectrifi s sont nombreux plus il est facile pour un propri taire de v hicule lectrique de revendre son v hicule lectrifi sur le march de l occasion Du c t de l op rateur de mobilit qui louerait les batteries dans le cadre d un mod le d affaire avec location de batterie plus le syst me de location de batteries est 49 utilis plus les usages deuxi me vie de batteries seront r pandus et plus il est facile pour l op rateur de mobilit de revendre sa batterie sur le march de l usage stationnaire Compte tenu de la dur e de vie des quipements de lectromobilit plus longue que pour de la t l phonie mobile cet effet est potentiellement important e l est vident que l effet d apprentissage est b n fique pour les futurs utilisateurs Le but des exp rimentations pilotes men es en ce moment est justement de concevoir l offre la mieux adapt e possible Plus il y aura de v hicules lectriques testant les diff rents syst mes de recharge charge rapide lente plus on aura de connaissances sur l effet de la re
38. charge sur la dur e de vie de la batterie et plus le service de recharge propos sera optimal et peu co teux Le premier effet de r seau indirect d crit concerne avant tout les usagers d infrastructures partag es Le deuxi me et le troisi me effet de r seau indirects b n ficient quant eux tous les usagers La demande en bien r seau Dans les r seaux le fait que l utilit du consommateur augmente avec la taille du r seau anticip e par le consommateur induit une logique du tout ou rien Soit la demande ne d colle pas car les premiers adopteurs sont trop peu nombreux pour susciter des effets de r seau Soit la demande initiale parvient d passer une taille critique de r seau le succ s est alors assur et m me acc l r par les effets de r seaux selon un effet boule de neige Les strat gies de standardisation des offreurs Pour b n ficier des effets positifs de r seau il est dans l int r t des producteurs de rassembler le plus d usagers autour d un m me r seau le producteur b n ficie alors d une demande qui s auto alimente Or il existe de nombreux cas dans lesquelles coexistent plusieurs technologies Si deux firmes d veloppent en parall le deux biens r seaux incompatibles et que chacune a une pr f rence pour sa technologie parce qu elle l a prot g e avec un brevet par exemple il n est pas vident que les firmes souhaitent coop rer ex ante pour d finir un st
39. cteur borne logiciel de communication etc et pour exploiter des effets de r seau favorisant l adoption L conomie des r seaux contraste deux processus de standardisation e Une standardisation de jure qui intervient un stade pr coce du processus de diffusion e Une standardisation de facto dans laquelle un standard s impose l issue d un processus concurrentiel Elle est donc pr c d e d une phase de concurrence entre standards concurrents une guerre des standards selon la terminologie de l conomie des r seaux Contrairement ce que pourrait sugg rer l intuition la standardisation pr coce de jure n est pas toujours la meilleure option Certes elle permet d exploiter rapidement les effets de r seau elle favorise une concurrence sur le march la standardisation assurant la substituabilit des biens produits par diff rentes entreprises Mais elle requiert un consensus qui est lent a merger Elle n cessite de s lectionner la technologie a un stade o elle est moins mature que le stade de la standardisation de facto Le standard choisi n est donc pas forc ment le meilleur d autant que le standard de facto est s lectionn par le march Mais surtout elle peut limiter l innovation en diminuant la diversit des technologies et en r duisant les incitations la R amp D 60 Au niveau europ en il existe aujourd hui une concurrence entre la prise de type 3 de EV Plug
40. d un redresseur pour un march national et dont l valuation conomique est difficile au stade actuel de d veloppement technologique Dans ce contexte l conomie des r seaux sugg re de laisser la guerre de standards se d rouler pour que le march tranche la question 58 Conclusion Notre analyse a permis de produire des r sultats sur trois points que nous allons maintenant r sumer le calibrage de l infrastructure de recharge l organisation de la recharge publique et la standardisation Le calibrage de l infrastructure de recharge L examen des donn es technico conomiques sur le co t des diff rents types de recharge montre qu il n est pas conomiquement rationnel de d ployer des bornes de recharge normale lente sur la voie publique ou sur les parkings Elles sont en effet dix fois plus ch res que la recharge domicile ou sur le lieu le travail Cela conduira ceux ne disposant pas de stationnement priv ne pas acheter de VEx Mais d apr s les simulations du Livre Vert sur une agglom ration fictive de 500 000 habitants cette population ne repr sente que 20 des adopteurs potentiels La recharge publique doit donc tre semi rapide ou rapide Comme le co t des bornes de recharge semi rapide et rapide est lev de 7 000 56 000 par borne il convient de limiter leur densit autant que faire se peut Dans ce but nous sugg rons l utilisation d une analyse co t b n fice traditionnelle
41. de 7 000 56 000 par borne il convient de limiter leur densit autant que faire se peut Dans ce but nous sugg rons l utilisation d une analyse co t b n fice traditionnelle comparant le co t complet de la recharge avec l utilit qu en retirent les usagers Cette utilit se mesure par leur consentement payer pour l acc s aux bornes de recharge semi rapide et rapide Ne doivent alors tre install es que les bornes dont le co t est inf rieur cette utilit Dans son esprit cette d marche est tr s diff rente de celle propos e par le Livre Vert sur les infrastructures de recharge A notre connaissance il n existe pas de donn es sur les consentements payer des usagers pour la recharge semi rapide et rapide et sur l lasticit prix de la demande Il est prioritaire de g n rer ces donn es dans le cadre des exp rimentations pr vues Celles ci doivent donc faire varier la densit des bornes et les niveaux de tarification En leur absence une d marche rationnelle conomiquement n est pas possible L organisation de la recharge publique La recharge publique pr sente les caract ristiques d un monopole naturel au moins dans un premier temps la diffusion de l lectro mobilit sera trop limit e pour justifier une densit de points de recharge semi rapide et rapide a m me de susciter de la concurrence deux bornes ne sont en concurrence que si elles ne sont pas trop loign es l une de
42. de charge pour une batterie de 25kWh 8 a 10h Usages ce type de charge est pr vu pour toutes les recharges a domicile et pour la tr s grande majorit des points de charge sur les lieux de travail et parkings priv s La charge lente peut aussi tre utilis e pour la charge sur voirie Courant Monophas tension nominal de 230 V entre phase et neutre et courant de 16A Courant alternatif Avantage Pas d incidence sur le dimensionnement du r seau d alimentation De plus ce type de charge fait appel un mat riel de grande diffusion est peu co teux et n a pas d impact n gatif sur la dur e de vie de la batterie lithium ion Inconv nient Lenteur de la charge Charge semi rapide et rapide Puissance kW de 20 50 On distingue la charge semi rapide 24kW de la charge rapide 42kW Temps de charge pour une batterie de 25kWh A 42 kW on charge la batterie 80 en 25 min en environ une heure en charge semi rapide Usages A la diff rence de la charge normale cette technologie n est utilisable qu en parkings collectifs sur la voirie ou en stations d di es Courant Le courant est triphas pour b n ficier de la tension de 400V entre phases L intensit est de 32 63A au niveau du r seau et 100A au niveau du c blage Un chargeur redresseur est int gr directement dans la borne pour fournir du courant continu au v hicule Avantage Rapidit de la charge Inconv nient EDF pr cise
43. des co ts de production pr visibles le lithium ne constitue pas un facteur limitant pour le d veloppement du v hicule lectrique Il ne repr sente que 3 du poids d une batterie lithium ion de 20 kWh soit 3 kg Torcheux 2010 et contribue en moyenne 7 kg de batterie ce qui ne repr sente que 3 du co t total de la batterie Abell amp Oppenheimer 2008 Certes sa contribution atteint les 12kg pour la batterie lithium polym re car la cathode est en lithium m tallique mais il est difficile d envisager qu il puisse influencer fortement le co t de la batterie Alors pourquoi est il l objet de tant d attention Il inqui te pour deux raisons Premi rement extraire le lithium co te cher que ce soit partir des lacs sal s ou de minerais appel s spodum ne la premi re m thode est moins co teuse mais aboutit tout de m me un prix du lithium de 6 kg en 2007 Deuxi mement les ressources en lithium sont tr s in galement r parties la grande majorit du lithium est aujourd hui extraite des lacs sal s du Chili 55 d Argentine 16 et du Nevada 12 Le reste provient du spodum ne chinois 17 Deutsche Bank 2008 Pourtant l examen des chiffres sur les r serves de lithium rassurent EDF et l Argonne Laboratory estime que les r serves bases de lithium sont de 14 000 kT ce qui avec une hypoth se de 3 12 kg de lithium par batteries permettrait d quiper 1 5 milliards de VE Ces chiffres so
44. des r seaux 5 2 L conomie des r seaux Qu est ce qu un r seau Un r seau est le support d interconnexions d quipements ou de dispositifs immat riels par exemple des logiciels compl mentaires coop rant entre eux afin de transporter des flux de personnes d nergie ou d information et d acheminer ces flux de leur point d origine leur destination L conomiste consid re le r seau comme un lieu technique de concr tisation d une interm diation conomique Le r seau est donc une plateforme transactionnelle permettant une confrontation entre l offre et la demande il est un instrument d change entre producteurs et consommateurs R seau et march sont associ s d embl e Cette d finition s applique au r seau de recharge pour v hicules lectrifi s Le r seau de recharge r alise la connexion entre les biens compl mentaires que sont le v hicule lectrique et le point de charge et ventuellement la batterie dans le cas d un mod le d affaire avec location de batteries Le 47 service rendu par le r seau est le kW achemin vers le v hicule La demande en bien r seau recharge est constitu e par l ensemble des usagers de v hicules lectriques L offre est constitu e par les entreprises proposant un service de mobilit On peut sch matiquement repr senter le r seau en une structure stratifi e a trois couches qui refl te une segmentation des activit s Curien 2005
45. e La cellule est unit l mentaire de la batterie C est une pile lectrochimique La cellule restitue sous forme d nergie lectrique l nergie produite par une r action chimique d oxydor duction Elle est constitu e de deux lectrodes Figure 3 l anode lectrode positive et la cathode lectrode n gative qui sont s par es par un lectrolyte permettant la circulation des ions lib r s par la r action lectrochimique Figure 3 fonctionnement d une pile lectrochimique Charger Load electron flow current flow lithium ion separator electrolyte separator electrolyte CHARGING DISCHARGING Le module est l assemblage de plusieurs cellules reli es par un circuit lectrique Un circuit de s curit et de contr le est ins r sur chaque module Les modules sont enfin assembl s et reli es par un circuit lectrique Une batterie automobile standard contient 25 150 cellules selon la densit nerg tique de la batterie et le type de cellule 17 McKinsey 2009 Un syst me de contr le et de s curit de la batterie le battery management system y est ajout Ce composant n est pas pr sent dans les batteries pour t l phones portables ou ordinateurs portables pour lesquels le risque de surchauffe est moins grand car une quantit d nergie plus faible y est stock e Figure 4 de la cellule au pack batterie Torcheux 2010 4 module plusieurs
46. e Co t en du co t total possession Le sc nario pr voit 93 de recharge normale et 7 de recharge semi rapide Source CGDD 2011 Ces trois sc narios conduisent des co ts de la recharge tr s diff rents de 5 pour le sc nario le moins ambitieux du CGDD de 2011 jusque 40 pour le sc nario maximaliste d EDF La Figure 66 pr sente le co t de l infrastructure du sc nario CGDD 2011 et sa composition Il est de l ordre de 3000 par v hicule en 2010 et il devrait baisser 2000 en 2020 Cela correspond un investissement cumul sur la p riode 2010 2020 d environ 30 milliards d euros 32 Figure 6 le co t de l infrastructure de recharge pour un v hicule lectrique dans le sc nario CGDD 2011 en sur 8 ans de possession 2010 2020 E Charge rapide 43 3 500 5 KVA 3 000 OD Prise en voirie 2 500 4 amp Prise en parking public 2 000 1 500 4 E Prise en parking priv 1 000 i Prise au travail 500 0 E Prise au domicile Dans ce total le co t de la borne a domicile p se peu 300 par v hicule en 2010 et 180 en 2020 Le co t de raccordement qui seraient la charge d ERDF dans le sch ma pr vu dans le plan gouvernemental serait de 45 L essentiel des co ts concernent donc les bornes publiques de recharge rapide ou normale environ 2500 en 2010 et 1580 en 2020 3 3 Le co t de la recharge normale publique Nous avons vu que le co t de la rechar
47. echarge ses 31 3 3 Le co t de la recharge normale publique ss 33 3 4 Quelles cons quences pour le calibrage de l infrastructure de transport 35 3 5 Que ret nir 2issses sessessnss dessins or a eoa aa sn EPa te et seems tisse te mena ttes ste dates 40 4 Les bornes publiques de recharge investissement gestion et tarification 0 41 4 1 La recharge partag e est UN monopole naturel 41 4 2 La r gulation du monopole naturel de l infrastructure 42 4 3 Que retenir Posi scsissccentisten scssthedencsnescccssascaecdesaonessssseasesseasnesssesedsedeseouse sessed sesscaseeserseeee 44 5 La Standards nationales 46 5 1 Qu est ce qu un standard Tric cases saisies decitussesdieiesetinnres desders diese d edua de AAEE 46 5 2 L conomie ES TESCAUNX oscee ccescsscctdeceacodsseecsecsoansecsovsscesccessascosescusccseseescuseboassvegeessceueens 47 5 3 Les besoins de compatibilit dans le domaine de lectromobilit ccceeseeees 52 5 2 Deux guerres des standards aujourd hui en cours 53 5 3 Que ret nir 2 ccsdscccccasvunuscdsssscsccsuswevescyssdscannunutvessssdsccnuavwsssdssscavaenasetvedssedssseusensvedestesse 57 Conclusi h sr dressent e ddisnne under a done tast lanta et 59 Bibliographie tannins 62 ANNEXE ses scan sscersvaesdaasonseceossoensesdebovtene ENERET EEEE 64 Le secteur des fabricants de batterie scccossssccccssssssccccssssccccssssccccecssssccccssscssccasssesees 64 R s
48. en ou un service par exemple de recharge d un VEx pr sente des effets de r seaux si l utilit de chaque usager augmente avec le nombre d usagers de ce bien Belleflamme amp Peitz 2010 En pratique cela signifie que toutes choses gales par ailleurs il est pr f rable d tre connect au r seau le plus large possible On distingue les effets de r seaux directs et les effets de r seaux indirects Les effets de r seau directs traduisent l augmentation de l utilit avec la taille du r seau dans les march s de la communication Pour ce type de march la capacit de chacun consommer le service est directement accrue par une augmentation de la taille du r seau l arriv e d un nouvel usager repr sente un nouvel interlocuteur potentiel Le suppl ment d utilit est directement li 48 l interaction entre les usagers du r seau Ce type d effet de r seau n intervient pas pour le r seau d infrastructure de recharge pour v hicules lectrifi s Les effets de r seaux indirects peuvent tre pr sents dans les march s de la communication mais ils interviennent dans beaucoup d autres types de r seaux le transport par exemple Le suppl ment d utilit n est pas directement li l tablissement d une nouvelle connexion entre les usagers mais transite par le suppl ment de qualit qu une infrastructure accessible une population tendue est en mesure d apporter On peut distinguer le
49. ent principal pour en d duire le nombre de bornes publiques de recharge normale e La r partition de la recharge lectrique dans le temps et l espace pour en d duire une courbe de charge type au cours de la journ e e La d finition du nombre de points de recharge n cessaires pour les diff rentes types normale rapide et semi rapide en s appuyant sur un sc nario d utilisation des bornes par les usagers pr voyant 90 de recharge normale priv e ou publique et 10 de recharge semi rapide ou rapide Cette s quence met l accent sur la probl matique de la courbe de charge que nous avons ignor plus haut des fins didactiques En revanche elle ignore compl tement la comparaison des co ts de la borne avec ses b n fices Cela conduit consid rer que les usagers ne disposant pas d un lieu priv de recharge normale doivent b n ficier d un nombre de bornes quivalent celui des usagers disposant d un lieu de recharge priv Cela conduit galement consid rer comme une donn e du 39 probl me r soudre la r partition entre recharge normale et recharge semi rapide et rapide alors que le calcul de cette r partition doit tre un r sultat de cette analyse 3 5 Que retenir L examen des donn es technico conomiques sur le co t des diff rents types de recharge montre qu il n est pas conomiquement rationnel de d ployer des bornes de recharge normale lente sur la voie publique ou sur les par
50. er de la concurrence deux bornes ne sont en concurrence que si elles ne sont pas trop loign es l une de l autre En outre la demande de recharge est extr mement incertaine puisqu elle d pendra de ce que sera le niveau effectif de la diffusion Ce niveau est particuli rement difficile pr voir du fait d effets de r seau suscitant une logique du tout ou rien et du fait que la demande est induite par des subventions publiques dont le niveau est difficile anticiper au del de quelques ann es Ces deux caract ristiques emp chent dans un premier temps l instauration d un v ritable march de la recharge publique Le d ploiement de la recharge reposera d abord sur l action des collectivit s publiques qui pourront s appuyer sur des op rateurs priv s dans une logique de d l gation de service public En la mati re les mod les conomiques propos s par le Livre Vert nous semblent pertinents Mais compte tenu des diff rences de co ts tr s importantes entre les diff rents types de recharge une tarification de la recharge au co t complet nous semble indispensable soit environ 2 euros pour une recharge lente 24 euros pour une recharge semi rapide et 36 euros pour une recharge rapide Cette tarification est la seule solution envoyant les signaux aux usagers leur permettant des choix de recharge conformes l int r t g n ral Si l on craint que cette tarification ne diminue trop les 44 incitations
51. es 1a 3 D apr s une tude du BCG de 2010 la production des cellules constitue 65 du co t total de la batterie Plus pr cis ment 30 50 du co t de production de la batterie proviennent des mat riaux qui constituent la cellule McKinsey 2009 65 Tableau A1 chaine de production batterie source auteur inspir d un constructeur automobile e Mat riaux nen Assem Mati re 2 Mat riaux Composants Assemblage Assemblage Int gration a pr curseur z blage FA premi re 7 process s cellules cellule module E v hicule spodum ne Cobalt Nickel graphite Li2CO3 minerai Li2CO3 saumur LiOH C0304 MnO2 AI OH 3 NiCo OH 2 Li2CO3 FeC204 LiMn204 Rouleau cathode s parateur Rouleau anode LiFePO4 Rouleau s parateur graphite lectrolyte Li Ni Co Al O2 LiPF6 cathode anode s parateur lectrolyte lectronique cellules lectronique Modules Battery managemen t system 66 Au sein de cette chaine de production les firmes se positionnent de la mani re suivante e Les firmes mini res qui extraient la mati re premi re et la transforment parfois en mat riaux pr curseurs Le groupe Chemetall extrait par exemple du lithium au Chili et au Nevada et produit du carbonate de lithium e Les producteurs de mat riaux pr curseurs sont des groupes de la chimie souvent chinois ou cor ens e Les producteurs de mat riaux proc ss s sont des industriels de
52. ets de r seau sont importants Nous mobiliserons plus loin ces l ments pour discuter de la standardisation dans le domaine de l lectromobilit 5 3 Les besoins de compatibilit dans le domaine de l lectromobilit Le bien composite recharge intelligente de v hicule lectrique r sulte de l association du v hicule de la borne et du software associ Dans le cas d un mod le d affaire avec leasing de batterie on doit aussi y associer la batterie L association de ces diff rents l ments suppose qu ils soient compatibles et r sulte donc de la coop ration des acteurs impliqu s Brown et al 2009 Quel degr de compatibilit requi rent ils Le v hicule Le connecteur du c t du v hicule d termine le type de c ble qui pourra y tre connect Le constructeur automobile doit aussi faire en sorte que l ordinateur de la voiture puisse int grer la puce pr vue par le car customer system si ce syst me de software est retenu pour le r seau Le constructeur automobile doit galement faire le choix de concevoir un v hicule compatible avec une borne l alimentant en courant continu ou en courant alternatif dans ce cas il faut pr voir un alternateur au sein du v hicule Dans le cas du mod le d affaire avec location de batterie par l op rateur le constructeur automobile doit aussi pr concevoir l emplacement de la batterie La batterie Le voltage maximal que peut supporter une batterie d ter
53. eur absence une d marche rationnelle conomiquement n est pas possible 40 4 Les bornes publiques de recharge investissement gestion et tarification Nous venons de voir que le co t de la recharge en acc s partag et donc la r partition entre recharge partag e et recharge priv e constituait enjeu conomique principal Dans cette partie nous explorons comment cette activit doit tre g r e Nous allons montrer que c est une activit pr sentant des caract ristiques de monopole naturel ce qui implique la n cessit d une intervention publique pour l organiser et pas seulement pour la subventionner 4 1 La recharge partag e est un monopole naturel Rappel sur la th orie conomique du monopole naturel En conomie la notion de monopole naturel fait r f rence des situations dans lesquelles l existence d une entreprise unique permet de minimiser le co t de production total Le transport d lectricit est un exemple classique Il serait inefficace de b tir en parall le deux r seaux de transport d lectricit tant donn la hauteur des couts fixes n cessaires au d ploiement de chaque r seau Plus pr cis ment un secteur est en situation de monopole naturel s il est moins couteux qu une seule entreprise r alise toute la production plut t que le march soit partag entre plusieurs entreprises Formellement un monopole naturel existe si la fonction de cout de production C pour p
54. fficacit conomique exige un tarif gal au co t complet pour induire une autos lection efficace des adopteurs ayant les besoins de recharge rapide les plus faibles La tarification au co t complet permet donc de cr er les signaux appropri s laissant aux utilisateurs le soin d arbitrer en fonction de leurs pr f rences personnelles entre les diff rentes options Cette solution est pourtant explicitement rejet e par le livre vert avec l argument qu elle limiterait les incitations opter pour le v hicule lectrique Ce point de vue nous semble contestable pour deux raisons D une part la charge semi rapide ne concerne que moins de 10 de la recharge d apr s les exp rimentations Par rapport un sc nario o la recharge serait totalement lente 2 euros la recharge une recharge rapide tous les 10 pleins conduit un prix moyen de chaque recharge de 4 2 euros ce qui reste faible par rapport un plein d essence D autre part il existe d autres outils visant plus directement encourager la diffusion de l lectro mobilit la subvention l achat en particulier que l on peut ajuster pour compenser une tarification au co t complet Investissement et gestion des bornes publiques L activit de d ploiement et de gestion des bornes publiques se caract risent par e une part crasante de l investissement dans le co t total voir le Tableau 4 e une demande tr s incertaine En effet elle d pend de l
55. ge normale sur les bornes en acc s partag tait 8 10 fois plus cher que la recharge normale priv e Cela conduit des usagers n ayant pas de parking priv au domicile ou au travail g n rer des co ts d infrastructure nettement plus important d autant que la recharge normale correspondrait 90 de la recharge totale La 9 kat A a anse Dans le cadre de politique fran aise ces co ts seraient support s par les collectivit s locales pour les prises en voierie et les concessionnaires g rant les parkings publics 33 Figure 7 extraite du Livre Vert compare les co ts de possession d un VE dont la recharge principale s effectue sur la voirie un VE dont la recharge s effectue domicile et un v hicule thermique Elle permet de constater que la recharge principale sur la voierie augmente le co t total de possession d environ 35 34 Figure 7 Comparaison des co ts cumul s sur 8 ans de possession pour un projet lanc en 2011 HB voirie 3 kVA E Parking Public 3 kVA E Voirie 22 kVA E Parking public 22 kVA M Espace priv 3 kVA M Espace priv 22 kVA E Charge rapide 43 kVA Point de charge principal E Energie E Maintenance M Batterie VE Charge VE Charge Principale V hicule thermique Ill V hicule Caisse Principale Voirie Domicile individuel CVA Source Livre Vert 2011 3 4 Quelles cons quences pour le calibrage de l infrastructure de transport Ces donn es technico conomiques
56. icule tout en pr servant ses performances Tous les v hicules hybrides VEH ou VEHR pr sentent les composants de base ci dessous Figure 1 et diff rent par la capacit de la batterie la puissance du moteur lectrique et la cylindr e du moteur thermique Figure 1 les composants de base du VEH ou VEHR Gambardella 2010 Moteur thermique Onduleur rA Moteur lectrique R partiteur puissan On peut distinguer 5 fonctionnalit s qui caract risent un v hicule hybride L hybride rechargeable est le seul poss der les 5 fonctionnalit s 1 Syst me stop start arr t du moteur thermique lorsque celui ne produit pas de force motrice pour le v hicule phase de ralentissement essentiellement La machine lectrique a une puissance sup rieure celle d un d marreur conventionnel 2 4kW Volume balay par le piston au cours d un cycle thermodynamique 11 2 Syst me stop and start avec r cup ration d nergie au freinage ces systemes sont d riv s du pr c dent mais utilisent une machine plus puissante et un stockage associant une batterie de plus grande capacit 3 Assistance au moteur thermique Une machine lectrique plus puissante 10 a 20 kW va permettre en plus des fonctions pr c dentes d assister le moteur thermique dans les phases motrices ce qui permet de conserver des bonnes performances dans les faibles r gimes tout en utilisant un moteur associ a
57. ie est d finie par un standard elle b n ficie d embl e de la confiance des producteurs car elle est un gage de l interop rabilit des diff rents biens constituants le bien r seau De plus le producteur b n ficie d embl e d une vision transparente des technologies qu il doit acqu rir A l oppos la non standardisation pr sente des avantages e Elle cr e une concurrence pour le march pour obtenir des positions de monopole si le standard l emporte sur les autres et que la technologie est prot g e par des brevets Cela cr e des incitations a priori plus puissantes l innovation que la concurrence sur le march e Le processus de standardisation formel est parfois tr s lent ce qui ralentit le processus de diffusion de la technologie C est un peu ce qu on observe aujourd hui dans le domaine de l lectromobilit e La non standardisation laisse la concurrence s lectionner la technologie La standardisation pr coce implique elle de la s lectionner un stade de plus faible maturit ce qui la rend plus difficile valuer Ces arguments permettent de d duire les caract ristiques propices l un ou l autre des sc narios En l occurrence la standardisation pr coce est int ressante quand e Plus que sa performance le prix constitue l obstacle cl de la diffusion de la technologie car elle favorise la concurrence sur le march e La technologie est d j mature 51 e Les eff
58. if d acc s l infrastructure propos l usager est inf rieur au co t complet qui doit financer le solde 2 Qui doit r aliser l investissement 3 Qui doit g rer l infrastructure La tarification de l acc s A quel prix doit tre factur le plein Nous avons vu que le Livre Vert estimait son co t complet 24 pour un plein de 25 kWh sur une borne semi rapide de 22 kVA et 36 sur une borne rapide de de 42 43 kVA Remarquons que compte tenu de l autonomie d un VE 150 km ce co t complet est comparable au prix d un plein traditionnel d essence Il est n cessaire de distinguer deux chelles de temps pour analyser l effet de la tarification sur le comportement de l usager e Le choix de court terme d approvisionnement Il consiste choisir entre recharge normale priv et recharge rapide En la mati re l efficacit conomique exige un diff rentiel de prix entre les deux types de recharge gal a la diff rence entre leurs co ts complets Cela limitera le recours a la recharge rapide aux situations dans lesquelles elle g n re une utilit relative sup rieure a la diff rence de co t complet ce qui est conforme l int r t g n ral e Le choix de long terme d adoption de l lectromobilit On peut a priori supposer que les usagers potentiels vont notamment fonder leur d cision d adoption sur leurs anticipations en mati re de prix de la recharge En la mati re l e
59. il existe aujourd hui une concurrence entre la prise de type 3 de PEV Plug Alliance soutenue par Schneider Electric Legrand et l italien SCAME et la prise de type 2 Mennekes soutenue initialement par Daimler et RWE rejoint en septembre 2011 par l ACEA l association repr sentant les constructeurs europ ens d automobiles Cette situation ne nous semble pas poser de probl me majeur pour la diffusion du VEx en France dans la mesure o la standardisation semble d j acquise au niveau national le Livre Vert recommande la prise de EV Plug Alliance Or c est a ce niveau que s exprime l essentiel des besoins de compatibilit dans la mesure o les VEx passeront rarement les fronti res La standardisation europ enne devient alors un enjeu de second ordre Dans le domaine de la recharge semi rapide la concurrence entre les bornes en courant alternatif promues par Renault et les bornes en courant continu promues par les autres constructeurs est d une autre nature car les concepts techniques et les caract ristiques conomiques sont tr s contrast s par rapport au courant continu la recharge en courant alternatif exige des bornes moins ch res mais des v hicules quip s d un redresseur et donc plus chers Il s agit d un sujet qui n est pas national les v hicules ne peuvent tre sp cifiquement quip s d un redresseur pour un march national et dont l valuation conomique est difficile au stade actuel de d vel
60. informations disponibles sur les sites des compagnies et un entretien avec un sp cialiste EDF R amp D de la fili re batterie 5 1 Le processus de production Le Tableau A1 d crit la chaine de production des batteries qui va de la chimie des mat riaux a la m canique d assemblage au traitement lectrique des accumulateurs et a l lectronique de contr le associ e Les tapes sont les suivantes 15 Dans l hypoth se d une batterie 350S kWh Aujourd hui le prix se situe entre 700 et 1200 kWh 64 1 2 3 4 5 6 7 L extraction des mati res premi res dont les transformations aboutiront aux mat riaux pour les lectrodes par exemple La production de mat riaux pr curseurs qui constituent la cellule le carbonate de lithium produit a partir de minerai ou saumure des oxydes m talliques a partir desquels on fabrique les mat riaux actifs des lectrodes etc La production des mat riaux dits proc ss s via des transformations chimiques des mat riaux pr curseurs Ces mat riaux constituent par exemple les supports d lectrodes les mati res lectro chimiquement actives les liants les mat riaux pour s parateurs les agents de scellement et d tanch it l enveloppe multicouche d accumulateur C est a ce niveau de la chaine de production que les industriels r alisent la plus grosse marge Torcheux 2010 La fabrication des rouleaux des lectrodes du s parateur et de
61. kings Elles sont en effet dix fois plus ch res que la recharge domicile ou sur le lieu le travail Cela conduira ceux ne disposant pas de stationnement priv ne pas acheter de VEx Mais d apr s les simulations du Livre Vert sur une agglom ration fictive de 500 000 habitants cette population ne repr sente que 20 des adopteurs potentiels La recharge publique doit donc tre semi rapide ou rapide Comme le co t des bornes de recharge semi rapide et rapide est lev de 7 000 a 56 000 par borne il convient de limiter leur densit autant que faire se peut Dans ce but nous sugg rons l utilisation d une analyse co t b n fice traditionnelle comparant le co t complet de la recharge avec l utilit qu en retirent les usagers Cette utilit se mesure par leur consentement payer pour l acc s aux bornes de recharge semi rapide et rapide Ne doivent alors tre install es que les bornes dont le co t est inf rieur cette utilit Dans son esprit cette d marche est tr s diff rente de celle propos e par le Livre Vert sur les infrastructures de recharge A notre connaissance il n existe pas de donn es sur les consentements payer des usagers pour la recharge semi rapide et rapide et sur l lasticit prix de la demande Il est prioritaire de g n rer ces donn es dans le cadre des exp rimentations pr vues Celles ci doivent donc faire varier la densit des bornes et les niveaux de tarification En l
62. la chimie et de la m tallurgie C est le cas d Umicore qui produit la fois les mat riaux proc ss s lithium cobaltite LiCoO2 et les mat riaux pr curseurs oxyde de cobalt Co304 par exemple e l existe des industriels sp cialis s dans la fabrication des composants cellules NEC Tokin produit et traite les lectrodes Les fabricants de batteries sont traditionnellement positionn s sur les tapes 5 7 le Blog nergie 2009 Cependant cette division traditionnelle est loin d tre respect e syst matiquement et les industriels sont en train de construire des alliances ou des int grations verticales au sein d un secteur exigeant de nouveaux savoir faires 5 2 Les acteurs de la fili re et leurs strat gies Le march des v hicules quip s de batteries lithium ion n existe pas encore les quelques mod les lectriques vendus aujourd hui le sont tr s petite chelle et il n y a donc pas de production de batteries lithium ion pour v hicules lectrifi s en grande s rie mais seulement du d veloppement et la production de s ries pr industrielles Cependant il est possible d identifier les entreprises susceptibles de devenir les leaders de ce march travers les annonces de production pr vue notamment dans les contrats les liant avec les constructeurs automobiles La description qui suit des principaux constructeurs de batteries est r alis e partir d une tude de la Deutsche Bank 2008
63. la production de batteries pour l lectronique portatif les Etats Unis et l Europe font preuve de volontarisme politique Les Etats Unis avaient par le pass renonc investir dans la production de batteries mais ils veulent d sormais reconstituer leur potentiel industriel gr ce notamment 2 4 milliards de dollars du plan Obama Les Etats Unis disposent d atouts depuis 10 ans quelques laboratoires am ricain comme l Argonne Laboratory ou le CET Berkeley ont d velopp des comp tences sp cifiques en partenariat avec les industriels De plus les gros producteurs de batteries am ricains se coordonnent pour r pondre des demandes de technologies batteries distinctes gr ce des alliances avec les constructeurs Les trois plus gros producteurs de batteries am ricains se positionnent chacun sur une technologie diff rente A123 Systems maitrise la production de batteries LFP JCS celle de la technologie NCA et Ener1 la technologie LMO LTO L Europe avance en ordre dispers e et ne poss de pas elle seule de gros industriel pour batteries automobiles En France SAFT fut le premier quiper un v hicule hybride avec une batterie lithium la Mercedes classe E en 2003 Mais trop petit SAFT a depuis fusionn avec l am ricain Johnson Control La fili re industrielle allemande est la plus ambitieuse L examen des statistiques de brevets par pays montrent bien le leadership technologique asiatique Figure Al et A2
64. le cas du networked infrastructure Networked infrastructure Dans ce r seau tous les points de charge sont connect s via un r seau ethernet a un serveur central lui m me connect internet Ce syst me pr sente l avantage de centraliser l information et de la rendre accessible tous les acteurs nerg ticien op rateur de mobilit gestionnaire du point de charge usager propri taire du point de charge L interface homme machine est r alis e via l cran dont les points de charge sont pourvus Son inconv nient est le co t Il n cessite l installation et la maintenance d un r seau Ethernet et les crans sont chers Tableau 3 Information fournir aux diff rents acteurs Utilisateur du v hicule e l tat de la batterie et l avanc e de la charge e La localisation des points de charge du r seau de recharge application de g olocalisation pr vue par les op rateurs Better Place ou PSA application de localisation des bornes voirie sur iphone lors du projet pilote Kleber a Strasbourg e identification du v hicule et l autorisation de la charge badge d identification fourni par EDF dans le cadre du projet pilote Kl ber e Un interface de facturation client et un syst me mon tique Gestionnaire de e Etat des bornes localisation des bornes d fectueuses l infrastructure de e Facturation client recharge Producteur de e information instantan e sur l impact de la recharge s
65. mine le type de recharge qu elle peut supporter Il n est pas vident que toutes les batteries puissent supporter la charge rapide La batterie doit pouvoir restituer de l lectricit dans le sens batterie r seau V2G La borne La prise sur la borne doit videmment tre compatible avec le connecteur La borne doit pr voir l int gration du logiciel dans le cas du car customer system il s agit d un syst me lectronique assez simple a connecter pourvu qu il y ait assez d espace pour l int grer Dans le cas d une networked infrastructure il faut pr voir une liaison Ethernet vers la borne La borne d livre soit du courant alternatif soit du courant continu or il existe deux types de v hicules lectriques ceux qui se chargent en courant alternatif une technologie utilis e par Renault et ceux qui se charge en courant continu la majorit des constructeurs automobiles 1 Dans le cas de la technologie Quickdrop mise au point par Better Place et Renault il est n cessaire de localiser la batterie sous les si ges arri re de mani re tre compatible avec le syst me d change de batterie La plupart des v hicules lectriques poss dent pourtant leur batterie dans le coffre arri re la fois pour des questions de place et d quilibrage Ce cas est tr s particulier Nous ne l voquerons pas dans le corps du texte 52 A moyen terme la borne doit pouvoir offrir les possibilit s vehicle
66. n du bonus Si l on consid re qu augmenter le bonus n est pas possible d autres mesures sont a envisager et a comparer avec la densification de infrastructure publique On peut par exemple proposer aux utilisateurs un syst me d assistance gratuite en cas de panne lectrique L utilit des consommateurs Nous venons de discuter les besoins Leur existence est l origine d un consentement payer des usagers de la recharge qui en mesure l intensit A notre connaissance il n existe pas d tudes mesurant ce que tel ou tel usager serait pr t payer pour une recharge publique De notre point de vue cela doit tre un point essentiel d enqu te notamment dans les exp rimentations pr vues dans le cadre des projets Investissements d Avenir Cela n cessite de faire varier dans les exp rimentations les densit s de bornes et les tarifs l acc s Sans l information sur le consentement payer des utilisateurs pour l acc s la recharge rapide ou semi rapide il n est pas possible de s lectionner la densit de bornes conomiquement rationnelle La d marche conomique que nous sugg rons n est pas celle du Livre Vert qui conseille aux collectivit s de proc der en quatre tapes e La quantification du nombre de v hicules lectriques qui vont circuler et la pr vision des besoins de tirage en lectricit n cessaires pour les faire rouler e identification de la structure de stationnem
67. nsable Il existe deux technologies permettant d assurer la facturation client la localisation de point de charge la communication avec l nerg ticien etqui sont compatibles avec un usage smart meter ou V2G le car customer system et la networked infrastructure Car customer system Ce syst me a t impl ment par un ing nieur EDF Cyriacus Bleijs de la DTVE Bleijs 2009 Le software est inclus dans l ordinateur de la voiture Il suffit d y int grer une simple puce L information sur la recharge s tablit alors entre la puce et la borne via la technologie CPL La puce permet ensuite d tablir une connexion Bluetooth avec un t l phone portable ou avec le WIFI domicile Ce type de r seau ne n cessite donc pas d interface homme machine sur la borne puisque celle ci est assur e par le t l phone ou l ordinateur dans la voiture Le grand avantage de ce syst me est le faible co t de mise en place du software puisqu il ne requiert que l installation d une puce dans l ordinateur pr existant de la voiture mais les constructeurs Technologie courant porteur de ligne cette technologie permet de transmettre l information vie le r seau lectrique existant et ne n cessite donc pas la cr ation d un r seau Ethernet pour communiquer l information 23 automobiles doivent pr voir en amont de mettre au point un ordinateur qui peut la recevoir Le d bit d information est moins important que dans
68. nt plut t dans le bas des fourchettes des tudes effectu s par d autres experts Evans estime les r serves base 30000kT a L Argonne laboratory est l un des plus grands laboratoires de recherche du United States departement of energy DOE 8 Les r serves bases sont les ressources le lithium existant dans la nature de lithium qui sont r cup rables dans les conditions technico conomique actuelle les ressources de lithium ayant une haute probabilit d tre produites 77 FigureA4 r serves de base de lithium en kT Torcheux 2010 et Argonne national laboratory 2009 1100 410 260 3000 5400 360 910 BUSA Australie OBolivie E Br sil BCanada OChili OChine La question n est donc pas celle de la quantit de lithium disponible en elle m me mais celle de la mise en place anticip e des capacit s industrielle d extraction du lithium et de la gestion de conflits g opolitiques En effet les producteurs de carbonate de lithium sont en situation quasi oligopolistique ils sont 5 selon la Deutsche Bank et deux d entre eux SQM au Chili et FMC en Argentine ont extrait respectivement 34 en 2007 et 16 en 2006 de la production mondiale De plus les ressources sont souvent d tenues par les tats en Bolivie par exemple qui peuvent pour des raisons politiques stopper les exportations Le pr sident bolivien a ainsi d clar qu il pourrait 78 devenir un cauchemar permanent p
69. oivent tre repr sent s Le Telecommunications Industry Association TIA est par exemple un consortium industriel de standardisation dans le domaine des TIC Ce standard s appuie lui aussi sur un document crit Ce type de standard partage donc avec la standard de jure un caract re transparent tout en tant beaucoup plus rapide a mettre en place ce qui prime dans un contexte de rapides progres technologiques Le Blu ray est par exemple un standard issu du consortium industriel Blu ray disc association constitu initialement de 9 firmes Sony Panasonic Pioneer Philips Thomson LG Lucky GoldStar Electronics Hitachi Sharp et Samsung La forme de standard adopt e d termine la structure du march dans lequel op rent les producteurs Le standard de jure peuvent augmenter la concurrence En effet les r gles de propri t intellectuelle plus strictes et la transparence introduite par le standard de jure rendent beaucoup plus difficile l exclusion d un producteur du march D un autre c t le standard de jure limine d embl e la concurrence potentielle entre deux technologies rivales un organisme de standardisation formelle ne cr e jamais deux standards concurrents et deux organismes de standardisation formelle ne se font jamais concurrence Pour comprendre la fa on dont la standardisation s articule au processus concurrentiel nous allons rapidement pr senter les concepts fondamentaux de l conomie
70. ont deux implications pour l efficacit des politiques publiques en mati re d infrastructure de recharge 1 Il ne faut pas d ployer de bornes de recharge normale sur la voierie ou dans les parkings publics Elle est en effet dix fois plus ch re que la recharge domicile ou sur le lieu de travail Cette pr conisation peut susciter des r ticences car ne pas d ployer de recharge lente partag e conduira de facto les usagers ne disposant pas de parking individuel ne pas adopter le VE Mais c est pr cis ment l effet recherch Le b n fice est potentiellement important car la recharge principale assurerait plus de 90 du besoin total de recharge En outre l effet n gatif sur le niveau de diffusion des VEx nous semble limit compte tenu du r servoir d adopteurs potentiels disposant d un parking priv plus de 80 d apr s le Livre Vert dans une agglom ration de 500 000 habitants inspir de Rouen voir Figure 8 35 Figure 8 Structure du stationnement principal g n ralement de nuit dans une agglom ration de 500 000 habitants en pourcentage Structure du stationnement principal g n ralement de nuit dans une agglom ration de 500 mille habitants en pourcentages m Habitat individuel m Habitat Collectif Entreprise 8 Parking public en ouvrage 3 T m Parking public en voirie Inspir de l agglom ration de Rouen Ces pourcentages Analyse CVA CVA peuvent varier fortement p
71. oppement technologique Dans ce contexte l conomie des r seaux sugg re de laisser la guerre de standards se d rouler pour que le march tranche la question 1 Introduction Ce document est le rapport final d une recherche sur l conomie du d ploiement des infrastructures de recharge r alis e dans le cadre du PREDIT et financ e par l ADEME Que la diffusion des v hicules lectriques et hybrides rechargeables VEx dans la suite du rapport d pende du d ploiement d une infrastructure de recharge dense et pratique est une vidence En outre compte tenu des param tres conomiques actuels de la solution VEx ce d ploiement ne peut se faire que sous l impulsion d autorit s publiques volontaristes offrant des financements et dictant des normes et des prescriptions Le plan gouvernemental pour le d veloppement des v hicules propres lanc en octobre 2009 a ainsi un volet infrastructures de charges incluant le lancement de d monstrateurs d infrastructures de charges financ s par l ADEME la cr ation d une nouvelle filiale d ERDF pour accompagner les communes dans le d ploiement des bornes un droit la prise dans les copropri t s la standardisation des prises des prises obligatoires dans les nouveaux immeubles avec parking etc En 2010 la loi dite du Grenelle 2 a explicitement confi aux communes la comp tence du d ploiement des infrastructures de recharge ouvertes au public Plus r cemment
72. ou sur le lieu de travail est de 8 a 10 fois moins co teuse qu une charge normale sur une borne ouverte au public voierie ou parking e Elle est m me 100 moins co teuse que la solution la plus co teuse la charge rapide dans un lieu d di Remarquons d ailleurs que ce tableau ignore la solution la plus co teuse les stations d change instantan de batteries tel le Quick Drop d velopp par Better Place dont le co t serait d environ 350 000 euros e En acc s public le co t d une borne de charge semi rapide est environ deux fois plus lev qu une charge lente 30 Tableau 4 Les co ts unitaires de diff rents points de charge Voierie charge normale 3 kVA 4200 4626 Voierie charge semi rapide 23 6500 1300 195 7995 kVA Parking charge semi rapide 23 5700 1300 171 7171 kVA Source EDF Groupe Travail Livre Vert repris par CGDD 2011 3 2 Le calibrage de l infrastructure de recharge Le co t total va bien s r d abord d pendre du nombre de bornes Mais compte tenu de l h t rog n it du co t unitaire des diff rents types de recharge il sera galement tr s influenc par la r partition des points entre charge normale charge semi rapide et rapide et de la part des bornes en acc s public Dans l tude de 2011 le CGDD analyse un sc nario de d ploiement avec un ratio de 1 1 points de charge par v hicule dont 0 8 point priv charge lente 0 6 chez les particulier
73. our les Etats Unis Des conflits g opolitiques pourraient galement merger entre la Chine et les Etats Unis Torcheux 2010 M me si l acc s aux ressources est garanti il convient avant tout d anticiper la demande pour viter une hausse des prix du lithium par manque de capacit industrielle comme cela fut le cas par exemple pour le prix du nickel dont la hausse fut provoqu e par une forte demande non anticip e et li e aux constructions d infrastructure pour les Jeux olympique en Chine La disponibilit des autres mat riaux des batteries Li ion est plut t bonne dans la forme actuelle de la technologie a condition de privil gier des technologies a faible teneur en cobalt ce qui est maintenant bien pris en compte par les fabricants Torcheux 2010 En effet le cobalt est un mat riau critique tant donn son co t lev 110 kg en 2008 Abell amp Oppenheimer 2008 5 4 Conclusion L industrie de la batterie lithium ion pour les v hicules n est qu mergente aujourd hui car le march du v hicule lectrifi est un march de niche exception faite de celui des v hicules hybrides au Japon et aux EU dans les ann es 2000 et la technologie des batteries pour automobiles diff re largement de celle largement commercialis e des batteries usages lectroportatifs t l phone portables ordinateurs portables Elle n cessite en effet un circuit de surveillance et de contr le bien plus labor le battery m
74. parkings publics 0 04 sur la voierie et 0 025 sur les parkings d hypermarch s de centres commerciaux et d h tels soit un total de 0 105 borne par v hicule ce gain ramen au v hicule est donc de l ordre de 600 Comment ce chiffre se compare t il au co t d installation d un redresseur dans le v hicule Nous ne disposons pas des donn es permettant de r pondre ce point Mais m me une technologie sup rieure peut ne pas vaincre une guerre des standards comme nous l enseigne l conomie des r seaux et l exp rience Le pari de Renault est particuli rement risqu car le standard concerne la borne et le v hicule Une standardisation nationale ne suffit donc pas puisque le march des VEx est au moins continental On imagine mal les autres constructeurs installer des redresseurs dans leur mod le si seule la France d ploie les bornes n cessaires pour les charger Au del du bilan d ensemble les co ts ne sont pas support s pas les m mes acteurs l acheteur de VEx dans le mod le de Renault celui qui finance l infrastructure dans le cas de l autre option et donc les collectivit s dans le dispositif fran ais 5 3 Que retenir L lectro mobilit est un bien syst me exigeant de la standardisation pour interfacer efficacement ses diff rents composants v hicule connecteur borne logiciel de communication etc et pour exploiter des effets de r seau favorisant l adoption L conomie des r seau
75. que ce type de charge n est pas adapt aux VEHR Les prises et les connecteurs pour ce type de charge ne sont pas encore industrialis s grande chelle En avril 2009 la seule station de recharge rapide publique en activit tait le Dutch NRGspot City of Westminster 2009 Le co t d une borne de recharge rapide est videmment un inconv nient majeur 3 Renault envisage un syst me ou le redresseur est embarqu c est dire un l ment de la chaine de traction du v hicule ce qui permet une division des co ts de la borne par deux La borne d livre alors du courant alternatif 14 Charge tr s rapide Cette technologie est en cours de d veloppement Elle alimente le v hicule directement en courant triphas alternatif gr ce au redresseur de la cha ne de traction du v hicule Ce syst me injecte une puissance de 50 250 kW dans le v hicule et permet une charge de 50 de la batterie en 10 15 min ce syst me n a jamais t d ploy lors de projets pilotes Il est actuellement d velopp par quelques constructeurs de station de recharge eTec qui utilise un standard d velopp par un laboratoire japonais et Coulomb Technologies Ce syst me de charge est con u pour des stations d di es Echange de batterie Il s agit d un change automatis de batteries dans des stations services d di es Elles pourraient tre localis es sur autoroute voirie ou parking Le co t d une station d change es
76. r important taxis livreurs etc 37 e Elle permet de rassurer les adopteurs potentiels L id e est que les particuliers n ach teront un VEx que s ils ont l assurance d un r seau suffisamment dense de bornes publiques Par ailleurs la recharge semi rapide ou rapide n est n cessaire que pour les v hicules lectriques par opposition aux v hicules hybrides rechargeables Le dernier argument nous semble discutable il s agit d augmenter la densit des bornes publiques comme mesure d incitation l adoption En caricaturant des bornes tr s co teuses sont install es non pas pour tre utilis es mais pour rassurer Or il existe d j un instrument con u directement dans ce but le bonus l achat de 5000 euros Ce bonus n est peut tre pas suffisant Mais l augmenter para t tre une solution plus rationnelle que d installer des bornes publiques suppl mentaires Pour illustrer ce point il est possible de se livrer un calcul rapide Le rapport du CGDD pr voit en mati re de recharge semi rapide 0 04 prise par v hicule dans les parkings publics 0 04 sur la voierie et 0 025 sur les parkings d hypermarch s de centres commerciaux et d h tels Il pr voit en outre 0 003 bornes de recharge rapide En combinant ces donn es avec celles du 38 Tableau 4 cela correspond a un co t de 1000 euros par v hicule Il est peut tre pr f rable d allouer une partie de ce budget une augmentatio
77. rant mis au point par IEEE et IEC vitant que des harmoniques ind sirables puissent tre introduites sur le r seau Les logiciels Comme nous l avons vu plus haut l int gration d un logiciel au r seau implique une coordination lors de la conception du v hicule et de la conception de la borne Elle doit galement associ e l nerg ticien notamment pour les futurs possibilit s deV2G et V2H et dans un futur plus proche pour permettre une gestion intelligente de la charge avec abonnement type heures creuses heures pleines Cette longue liste montre que les besoins de compatibilit et de standardisation sont tr s importants dans le domaine de l lectromobilit 5 2 Deux guerres des standards aujourd hui en cours Nous allons maintenant d crire et analyse deux exemples dans lesquels coexistent aujourd hui plusieurs standards concurrents la prise de recharge et l alternative entre une recharge semi rapide en courant alternatif et en courant continu Le compteur Linky est le projet de compteur futur bilat ral de ERDF 12 Standard development organizations International Electronic Commission amp Insititute of Electrical and Electronics Engineer 53 La prise Aujourd hui la situation en Europe est caract ris e par la pr sence de deux standards majeurs en concurrence la prise de Type 2 dite Mennekes et la prise de dite de Type 3 promue par l EV Plug Alliance e La prise Mennekes
78. re de laisser la guerre de standards se d rouler pour que le march tranche la question 61 Bibliographie Abell L amp Oppenheimer P 2008 World lithium resource impact on electric vehicle Agence Internationale de l Energie 2007 Status Overview of Hybrid and Electric Vehicle technology final report Phase Ill Annex VII IA HEV Ahman M 2004 Government policy and the development of electric vehicles in Japan Energy Policy 34 433 443 Argonne national laboratory 2009 Lithium ion batteries possible material demand issues Belleflamme P amp Peitz M 2010 Industrial organization Markets and Strategies Cambridge University Press Bleijs C 2009 Low cost charging systems with full communication capability Borloo J L amp Estrosi C 2010 Dossier de presse du 13 avril 2010 les avanc es du plan de d veloppement des v hicules lectriques et hybrides Boston Consulting Group 2010 Batteries for electric car Challenges opportunities and the outlook to 2020 Brown S Pyke D amp Steenhoff P 2009 Electric vehicle the role and importance of standards in an emerging market Energy policy 3797 3806 Charte pour le d ploiement d infrastructures publiques de recharge pour le v hicule lectrique 13 avril 2010 City of Westminster 2009 Understanding existing electric vehicle recharging infrastructure vehicles available on the market and user behaviour and profile
79. remi re d crit les technologies de l lectro mobilit puis nous r sumons rapidement la politique fran aise dans une seconde partie Nous rassemblons et analysons les donn es technico conomiques sur le co t de la recharge dans la partie suivante Cela nous permet de formuler des points de vue sur le calibrage de l infrastructure de recharge La quatri me partie discute les modes d organisation de la recharge publique et sa tarification Une cinqui me partie explore le r le de la standardisation Enfin la conclusion rassemble les r sultats Une annexe toff e pr sente l industrie de la batterie pour v hicule lectrique 10 2 La technologie Cette partie est une synth se pr sentant les technologies mis en uvre dans l lectro mobilit la fois au niveau des v hicules des infrastructures de charge des batteries et des technologies logicielles Sa lecture n est pas indispensable aux lecteurs familiers avec I lectro mobilit 2 1 Les v hicules lectriques rechargeables V hicule hybride rechargeable Le v hicule hybride fait appel une source d nergie lectrique et un moteur a combustion interne pour permettre la gestion optimale de ces deux nergies Le moteur combustion interne peut fonctionner avec diff rents carburants essence diesel biocarburant gaz etc L objectif est d assurer une gestion et un pilotage optimal des composants afin de minimiser les consommations d nergie du v h
80. roduire en quantit q est telle que C q lt YM C q avec Y qi q jusqu saturation du march En pratique cette situation appara t quand e La part des co ts fixes dans le co t de production est lev e En effet les co ts fixes g n rent des conomies d chelle cad un co t moyen d croissant et donc un avantage la grande taille e La demande est suffisamment faible pour ne pas saturer un r seau Quand le r seau est satur un second r seau est n cessaire et la situation de monopole naturel dispara t puisque deux r seaux sont en concurrence Cette situation pose des probl mes d efficacit conomique car une fois le monopole install il pratique un prix trop lev ce qui induit une trop faible consommation du bien ou du service La science conomique pr conise en cons quence une intervention publique pour r guler le prix 41 Quand les investissements sont tr s r versibles en ce sens qu ils peuvent tre r cup r s sans d cote importante en cas de sortie du march cette situation ne suscite pas d inefficacit conomique En effet l entr e sur le march est peu risqu e puisqu en cas d chec l entrant sort sans co t La menace d entr e de concurrents incite alors la firme en place ne pas pratiquer un prix de monopole pour l viter Application la recharge publique La recharge publique nous semble pr senter les caract ristiques d un monopole naturel
81. s effets de r seaux indirects suivants e Effet indirect d offre Lorsque le bien r seau est constitu de deux produits compl mentaires par exemple un quipement et les logiciels associ s plus il existe d applications associ es une infrastructure plus l utilit du consommateur s en trouve augment e et donc l incitation rejoindre le r seau devient plus forte L effet de r seau indirect provient du fait que les firmes produisant les applications associ es sont incit es multiplier les applications compatibles avec l infrastructure Consid rons l exemple d un lecteur de DVD et son format de DVD associ Plus le nombre de films propos s dans ce format de DVD est grand plus les b n fices retir s du lecteur de DVD sont grands et plus le nombre d usagers sera lev A leur tour les studios de production seront alors plus incit s produire leurs films dans ce format de DVD e Plus le nombre d usagers est grand plus il sera facile pour un usager de quitter le r seau en revendant son bien r seau sur le march d occasion e Effet indirect d apprentissage au niveau de l offre via le learning by doing Plus il y a d usagers sur le r seau plus la qualit du service s am liore et plus le co t diminue par effet d apprentissage des producteurs Le r seau d infrastructure de charge pour v hicule lectrifi b n ficie a priori de ces trois types d effets de r seaux indirects e Plus le nom
82. s et 0 2 dans les entreprises 0 14 de point sur la voirie et 0 14 sur les parkings publics et 0 003 lieu d di pour la charge rapide Ces hypoth ses sont tr s diff rentes de celles de l tude men e par EDF en 2009 dans le cadre du Groupe de travail de Jean Louis Legrand EDF teste deux sc narios de d ploiement des points de charge Tableau 5 Le sc nario 1 comporte une tr s grande majorit de points de charge lente et quelques points de charge rapide et ne comporte pas de stations d change de batteries Ce sc nario est adapt un parc automobile constitu essentiellement de VEHR pour lesquels la charge rapide n est pas adapt e Le sc nario 2 g n ralise la charge 24kW et 42kW sur voirie dans les parkings publics et dans les entreprises Il comprend des stations d change de batteries Il est 31 adapt a un sc nario v hicule lectrique pur Dans son esprit le sc nario 1 est le plus proche de celui de l valuation r cente du CGDD sauf qu il pr voit deux fois plus de point de charge par v hicule et une proportion de points de recharge partag s dont le co t unitaire est nettement plus lev Tableau 5 Comparaison du nombre de points par v hicule dans les sc narios 2011 du CGDD et des deux sc narios EDF de 2009 D Sc nario CGDD Sc nario 1 EDF Sc nario 2 EDF Voierie charge normale 3 KVA 0 14 Voierie charge semi rapide 23 kVA Uae ce PR ee Stations d change ex Quick Drop ar e
83. s la mesure o le prix de la prise ne repr sente qu une part faible du co t de possession d un VEx Rappel le co t d une prise domicile qui inclut le prix de la prise son installation et l adaptation du r seau domestique la recharge ne co te que 500 La recharge semi rapide En mati re de recharge la standardisation avance Mais demeure une concurrence sur le mode de recharge semi rapide Deux options sont en pr sence e Renault promeut aujourd hui une recharge en courant alternatif Cette technique conduit r duire le co t des bornes puisque le redresseur qui assure la conversion AC DC est int gr 13 P 1 a z Il n est d ailleurs pas inutile de rappeler que la prise lectrique classique est tr s loin d tre standardis e a l international 55 dans les v hicules Aujourd hui seules les mod les Zo et Kangoo sont compatibles avec cette recharge Evidemment l quipement avec un redresseur augmente le co t du v hicule e Le reste des constructeurs PSA les japonais dont NISSAN les allemands etc privil gie une recharge en courant continu Nissan pourtant partenaire de Renault est particuli rement proactif puisque dans le but de diminuer le co t des bornes DC l entreprise a con u une borne qu elle va faire produire sous licence par 5 fabricants en Europe ENDESA SIEMENS Efacec Circutor DBT Les voitures de Renault ne seront pas rechargeables en
84. t de production de carbonate de lithium mati re premi re partir de laquelle sont produits les sels de lithium et le lithium m tal utilis s dans les batteries lithium polym res Toyota Tsuho s est lui associ la compagnie mini re australienne Orocobre Toyota va cofinancer l exploitation d un gisement de lithium en Argentine a hauteur de 15 millions mais Orocobre restera le propri taire du gisement 72 Tableau A2 partenariats entre constructeurs automobiles et fabricants de batteries IEA 2009 et source auteur Constructeur automobile BYD Auto Fiat Chrysler GEM GM Hyundai Fabricant de batteries BYD group A123 Systems Altairnano Magna international Johnson Controls Saft Sanyo Panasonic LG Chem LG Chem SK energy Type de partenariat Int gration verticale Contrats Contrat Contrat Joint venture HL Green Power Co contrat Source http www greencarcongress co m 2009 04 chrysler llc forms strategic alliance with a123systems for first generation of envi electric vehicle html City of westminster 2009 http nuclear energy business review com news johnson contr olssaft receives contract from f ord to supply battery system 090203 http www designnews com arti cle 162063 GM Selects LG Chem to Build Volt Batteries php http www hyundai blog com inde
85. t de l infrastructure va donc reposer sur l initiative locale et donc sur les budgets des collectivit s locales et des fonds d op rateurs priv s acceptant le risque L affirmation par la loi du caract re d int r t g n ral de la mobilit lectrique vise encourager l action des collectivit s Le r le du gouvernement est d autoriser sans l imposer l initiative des communes pour quiper l espace public Publi en avril 2011 le Livre Vert est un v ritable mode d emploi l usage des communes d crivant les modalit s pratiques de d ploiement des bornes de recharge publiques Il r pond des questions comme quels bornes choisir Comment calibrer l infrastructure Comment financer l investissement Etc 26 Il annonce galement des subventions des co ts d investissement de recharge dans le cadre des Investissements d Avenir pour des agglom rations pilotes 50 pour bornes dans les espaces publiques de stationnement non conc d s 30 pour les bornes de recharge rapide 43 kVA dans les stations service pour un montant plafonn 50 millions Au nombre de douze ces agglom rations ont d cid d tre pilotes dans le cadre de la charte pour le d ploiement d infrastructures publiques de recharge de v hicules lectriques sign e le 13 avril 2010 avec l Etat Renault et PSA Bordeaux Grenoble Rennes Nice Angoul me Aix en Provence Orl ans Paris Rouen Strasbourg le Havre et le Grand Nancy
86. t de plus petites tailles que les cellules pour VEH ce qui a des cons quences sur le co t respectif des deux technologies La r volution lithium Les batteries Nickel m tal Hydrure NiMH ont quip les premiers v hicules hybrides comme la Toyota Prius vendu 1 million d exemplaires soit 80 des ventes d hybrides dans le monde Ces batteries sont sures et ont une longue dur e de vie Elles sont cependant ch res et ont une nergie sp cifique relativement faible qui ne permet pas d quiper les v hicules tout lectriques De plus cette technologie est mature et a atteint une asymptote de performance et de co t Presque tous les constructeurs automobiles envisagent aujourd hui d opter pour des batteries au lithium Elles pr sentent de nombreux avantages Le lithium est un mat riau l ger qui lui conf re une haute nergie sp cifique Les perspectives de baisse de co t et d am lioration des performances technologiques sont importantes C est de plus la seule technologie qui permette aujourd hui d atteindre une autonomie de 150 km pour un poids acceptable pour un v hicule tout lectrique Ces batteries sont de deux types les batteries lithium ion et les batteries lithium polym res Les premi res sont constitu es d une anode en carbone et d une cathode constitu e d une structure cristalline renfermant du lithium on appelle par la suite mat riaux actifs ceux qui constituent la cathode Le Tableau 2 pr
87. t estim a 800 k Il faut y ajouter un stock de batterie changer Ces stations sont con ues pour des usages lors de parcours de grandes distances Cette technologie est d velopp e par la firme Better Place en partenariat avec Renault qui con oit des v hicules compatibles avec ces stations d change le prototype Fluence ZE 4 a is m Le redresseur assure la conversion courant alternatif courant continu 15 Tableau 1 R sum des diff rentes techniques de recharge et usages associ s source auteur e 16A monophas 3 e 32A triphas 22 kW e 43kW 400V 63A e Echange en 5 min kW e 1h de charge e Charge en 30 min e Stock de 20 batteries e Charge de6a8h e 10kmen5min 90 des usages Solution d appoint Solution grand rouleur Solution grand rouleur Domicile lieu de travail Points de charge publics Domaine public voirie places de parkings Domaines conc d s gare port parkings publics Domaine priv relevant du public commerces Stations services Parking publics Stations services Parking publics 16 2 2 Les batteries La motorisation lectrique constitue l nergie motrice des v hicules lectriques et hybrides rechargeables et des v hicules lectriques hybrides La batterie est l organe qui doit r pondre aux n cessit s de stockage de continuit et de fiabilit d approvisionnement du v hicule en nergie lectrique Principe de fonctionnement et architectur
88. tationnaire batterie utilis e pour stocker de l nergie dans les usines de productions par exemple 4 vie recyclage 22 interviennent Par ailleurs la s curit des batteries doit encore tre am lior e Enfin autonomie des batteries restera durablement plafonn e 200 km 2 4 Les logiciels La diffusion des v hicules lectriques et hybrides n cessite galement des technologies logicielles pour faire communiquer les diff rents l ments que sont le v hicule lectrique les bornes de recharge et plus g n ralement l infrastructure produisant et distribuant l lectricit Le Tableau 3 d crit les informations produire et transf rer aux diff rents acteurs impliqu s dans la fourniture du service Le besoin logiciel varie selon les usages Une recharge domicile simple peut s effectuer sans logiciel sp cifique En effet le propri taire du v hicule est le propri taire du point de charge et l nerg ticien peut donc facilement identifier l usager pour la facturation Des logiciels deviennent n cessaires si l on veut effectuer une gestion intelligente de la charge qu il s agisse simplement de compteurs intelligents ou des possibilit s offertes par le V2G dans un futur plus lointain Pour les infrastructures de recharge partag es l identification de l usager n est pas imm diate et un logiciel g rant la communication v hicule borne gestionnaire de l infrastructure de recharge est indispe
89. ticalement en produisant en interne batteries et v hicules lectriques 80
90. to grid V2G et vehicle to home V2H Le fait que l lectricit puisse tre transmise du v hicule vers le r seau n cessite l installation d un protocole de communication pour que le distributeur puisse avoir acc s la batterie et l existence d un compteur qui comptabilise les flux d nergie dans le sens batterie r seau Le c ble connecteur doit tre compatible la fois avec le connecteur cot v hicule et la prise cot mur ou borne Le c ble doit tre con u pour pouvoir transporter de l nergie bilat ralement dans la cadre d un syst me V2G ou V2H Le point de livraison Cet l ment constitue le point fronti re d acc s au march des fournisseurs d lectricit Il est la fronti re du r seau de distribution public d lectricit et des fournisseurs en concurrence Ce point est quip d un compteur qui permet l op rateur du r seau de distribution public de communiquer les donn es de consommations au fournisseur qui tablit la facture client Ce point de livraison doit pourvoir comptabiliser les flux dans les deux sens si l on veut int grer les possibilit s de V2G Le r seau de distribution d lectricit doit pouvoir supporter la transmission de l lectricit dans les deux sens ce qui n cessitent de nouveaux standards Le r seau doit tre en mesure d accepter de l lectricit de moins bonne qualit V2G Il existe en effet des standards de qualit de cou
91. travaillent galement sur la possibilit d offrir une deuxi me vie la batterie Par ailleurs une commercialisation massive permettrait d exploiter des conomies d chelle Au final la Deutsche Bank estime que le prix des batteries pourrait tre divis par deux en 10 ans Les batteries automobiles suivraient ainsi la m me volution que celle des batteries quipant les t l phones mobiles et les ordinateurs portables dont le co t a t divis par 3 en 10 ans Une division par deux des co ts actuels c est dire un co t de 300 kWh selon Torcheux 2010 ou de 250 selon United States Advanced Battery Consortium rendrait le mod le lectrique conomiquement comp titif en terme de co t total de possession par rapport au v hicule thermique Pour r sumer la batterie pour v hicules lectrifi s sera demain au lithium sans pouvoir d terminer quelle technologie pr cise s imposera m me si de nombreux constructeurs favorisent les batteries lithium ion Cette derni re technologie n est pas encore mature les productions de batteries pour automobile sont au stade de pr s ries industrielles ou de d veloppement Le co t des batteries lithium ion pourrait tre divis par deux soit environ 300 kWh si des effets volume importants Un mod le d affaire qui permettrait de rendre la batterie plus lucrative 1ere vie quipement d un v hicule neuf 2 vie quipement voiture d occasion 3 me vie march du s
92. tre en pr sentant le co t du plein en fonction de la quantit de kWh d livr s par semaine Pour une recharge semi rapide le Livre Vert l value a 24 en faisant l hypoth se d une fr quence d utilisation de 2 3 pleins par semaine et 36 pour une recharge rapide avec une fr quence de 3 6 utilisations par semaine Sans pouvoir aller plus loin remarquons que ces fr quences estim es dans le Livre Vert partir de la simulation de d ploiement du VEx dans l agglom ration hypoth tique de 500 000 habitants paraissent extr mement faibles Figure 9 Co t complet d un plein de 25 kWh en fonction de la quantit de kWh d livr s par la borne par semaine Source Livre Vert ee SES Voirie 3 kVA 90 Voirie 22 kVA 3 80 Borne 43 kVA un 70 3 60 36 pour 25 kWh a Taux d utilisation O 50 quivalent 3 6 2L pleins 1 par semaine v 40 s 24 pour 25 kWh v 30 Fi Taux d utilisation pas quivalent 2 3 20 pleins 1 par semaine 10 gt 0 x 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 T 13 pour 25 KWh quivalent 2 3 kWh d livr s par semaine pleins 1 par semaine Analyse CVA CVA Les besoins de recharge semi rapide et rapide des adopteurs potentiels Le Livre Vert en voque trois e Elle permet les d placements non pr vus e Elle est n cessaire a ceux qui effectuent un kilom trage journalie
93. um Ce document est le rapport final d une recherche du CERNA le laboratoire d conomie de MINES ParisTech sur l conomie du d ploiement des infrastructures de recharge r alis e dans le cadre du PREDIT et financ e par l ADEME L objectif de cette tude conomique est d analyser les politiques publiques et priv es dans le domaine de la standardisation notamment qui permettraient de d ployer rapidement les infrastructures de charge un co t minimal pour la soci t Notre analyse a permis de produire des r sultats sur trois points que nous allons maintenant r sumer le calibrage de l infrastructure de recharge l organisation de la recharge publique et la standardisation Le calibrage de l infrastructure de recharge L examen des donn es technico conomiques sur le co t des diff rents types de recharge montre qu il n est pas conomiquement rationnel de d ployer des bornes de recharge normale lente sur la voie publique ou sur les parkings Elles sont en effet dix fois plus ch res que la recharge domicile ou sur le lieu le travail Cela conduira ceux ne disposant pas de stationnement priv ne pas acheter de VEx Mais d apr s les simulations du Livre Vert sur une agglom ration fictive de 500 000 habitants cette population ne repr sente que 20 des adopteurs potentiels La recharge publique doit donc tre semi rapide ou rapide Comme le co t des bornes de recharge semi rapide et rapide est lev
94. une forte r duction cylindr e 4 Mode tout lectrique Cette fonctionnalit correspond a un usage possible du v hicule hybride a partir de sa motorisation lectrique seule c est a dire que le moteur thermique pourra tre isol de la transmission et stopp durant ces phases Une grande part des situations d favorables pourra tre r alis e en mode tout lectrique ce qui permet d obtenir un gain en consommation qui va jusqu 40 en conduite urbaine mais se r duisent quelques sur l autoroute 5 Mode tout lectrique avec autonomie ce mode est compl mentaire du mode lectrique Il s en distingue par le fait que l arr t du moteur thermique pourra tre d cid par le conducteur et maintenu sur une distance significative all electric range 5 a 20km en Europe jusqu a 60 km envisag s aux Etats Unis Les performances dynamiques du v hicule seront donc li es a la puissance disponible sur la machine et la batterie 20 a 50kW et l autonomie nergie contenue dans la batterie 5 20kWh au total V hicule tout lectrique Le v hicule lectrique ne pr sente pas de r servoir carburant et de moteur thermique Il est uniquement quip d un moteur lectrique aliment par une batterie qui doit tre recharg e Cette partie est une synth se pr sentant les technologies mis en uvre dans l lectro mobilit pour recharger les v hicules Sont d crits successivement les technologies mobilis es
95. ur la courbe lectricit de recharge e Possibilit ult rieure d une gestion intelligente de la charge smart meters et possibilit de V2G et V2H ult rieures 24 3 La politique fran aise de d ploiement de l infrastructure de recharge Avec le Grenelle de l environnement puis la loi n 2010 788 du 12 juillet 2010 dite Grenelle 2 portant engagement national pour l environnement l Etat fran ais a fait du d veloppement des v hicules d carbon s un objectif cl de sa politique de lutte contre l effet de serre Un plan gouvernemental a t lanc en octobre 2009 avec un volet infrastructures de charges En avril 2011 un Livre Vert sur les infrastructures de recharge ouvertes au public a t publi Il constitue le document de r f rence d crivant la strat gie fran aise pour d ployer les bornes de recharge des VEx 3 1 Objectifs Le gouvernement vise 2 millions de VEx dans le pays en 2020 et 4 5 millions en 2025 En supposant que le nombre de v hicules l gers sur les routes demeure au niveau de 2007 soit pr s de 30 4 millions les VEx en repr senteraient alors 6 6 du parc en 2020 et 15 en 2025 Pour une agglom ration de de 500 000 habitants cela correspond environ 15 000 v hicules en 2020 Pour cela le Livre Vert pr voit 2 2 millions de bornes de recharge soit 1 1 borne par v hicule dont une tr s grande majorit de bornes priv s au domicile ou sur le lieu de travail Pour les 25 pl
96. us grandes agglom rations de France 7 000 points de charge seraient ouverts au public en 2011 et 44 000 en 2014 dont 50 sont destin s la charge normale en espace public Livre Vert 2011 Globalement l infrastructure ouverte au public n cessiterait 30 milliards d euros d investissement cumul sur 2010 2020 3 2 Instruments pour inciter l achat de VEx En mati re d incitation l achat par les particuliers la politique repose sur le versement d un bonus de 5000 jusqu en 2012 pour les VE et de 2000 pour les VEH Cette subvention est cumulable avec les subventions vers es par certaines collectivit s comme celle de 1000 au Pays d Aix en Provence Pour les entreprises l ADEME apporte une aide de 10 000 l acquisition de bus lectriques de moins de 30 places et 15 000 pour un bus de plus de 30 places En outre l Etat a sign un accord avec une dizaine d entreprises priv es et publiques ADP EDF La Poste SPIE Air France Eiffage Bouygues Veolia Areva France Telecom RATP Vinci Darty GDF 25 Suez SNCF Il pr voit l achat de 30 450 VEx Parmi ces 30 450 VEx 5 000 seront ou ont t achet s par l Etat et entre 11 150 et 14 600 par les collectivit s territoriales 3 3 Instruments pour d ployer l infrastructure de recharge Il convient de distinguer la recharge priv e au domicile ou sur le lieu de travail de la recharge publique En mati re de recharge pri
97. v e la loi Grenelle 2 de 2010 a ent rin les propositions du plan gouvernemental de 2009 Un droit objectif la recharge domestique il ajoute au droit existant a tre raccord au r seau de distribution public celui d ajouter l installation une pris d di e l usage qui n est pas li e a l habitation mais reli e au tableau lectrique principal En pratique cela autorise un fournisseur pour la recharge distinct du fournisseur pour les autres usages Construction neuves A partir de 2012 les constructions d immeubles bureaux et habitations avec parking int greront obligatoirement des prises de recharge Remarquons que le renouvellement du parc de b timents existants n est que de 1 par an ce qui limite la port e de cette mesure Constructions existantes Installation obligatoire dans les parkings des immeubles de bureaux d ici 2015 d s lors qu ils sont quip s de places de stationnement destin es aux salari s Droit la connexion pour installation de recharge du VEx dans les copropri t s c est une disposition assouplissant la proc dure actuelle de raccordement individuel pour le copropri taire jusqu pr sent il fallait accord pr alable de l Assembl e G n rale Am nagement sur simple demande du locataire ou co propri taire et ses frais d un dispositif de connexion Concernant la recharge publique la comp tence a t confi e aux collectivit s locales Le d ploiemen
98. x contraste deux processus de standardisation e Une standardisation de jure qui intervient un stade pr coce du processus de diffusion e Une standardisation de facto dans laquelle un standard s impose l issue d un processus concurrentiel Elle est donc pr c d e d une phase de concurrence entre standards concurrents une guerre des standards selon la terminologie de l conomie des r seaux 14 2124 Ces l ments de calcul sont tr s fragiles notamment parce nous n avons pas pu valider par une source ind pendante le co t de 2 000 pour la borne AC 15 2 ge a gt Ou l usager du VEx si la tarification de l infrastructure est au co t complet ce que nous pr conisons plus haut 57 Contrairement ce que pourrait sugg rer l intuition la standardisation pr coce de jure n est pas toujours la meilleure option Certes elle permet d exploiter rapidement les effets de r seau elle favorise une concurrence sur le march la standardisation assurant la substituabilit des biens produits par diff rentes entreprises Mais elle requiert un consensus qui est lent merger Elle n cessite de s lectionner la technologie un stade o elle est moins mature que le stade de la standardisation de facto Le standard choisi n est donc pas forc ment le meilleur d autant que le standard de facto est s lectionn par le march Mais surtout elle peut limiter l innovation en
99. x php 2010 02 10 hyundai and lg chem form a car battery joint venture http www reuters com article i dUSTRE57U13720090831 Production cibl e v hicules an 500 000 v hicules d ici 2013 City of westminster 2009 5000 VEHR de 2012 a 2017 200 000 pack batteries par an Global Electric Motocar cr e en 1998 est depuis 2000 une filiale de Chrysler sp cialis e dans la production de v hicules lectrifi s 21 LG chem fournit les cellules et l assemblage est fait dans une usine GM 73 Mercedes Benz BMW Mitsubishi Nissan Renault Subaru Tata Think 22 age Filiale de ener1 SB LIMotive Johnson Control Saft Johnson Control Saft Lithium energy Japan JV AESC AESC AESC Electrovayaya Energy innovation group EnerDe 22 p contrat contrat JV entre GS Yuasa mitsubishi amp JV Nissan NEC Filiale indirecte contrat JV Tata Electrovaya ya Milj bil Grenland contrat Ener1 amp http www mlive com business west michigan index ssf 2010 05 john son_controls_working_to_st htm l http www mlive com business west michigan index ssf 2010 05 john son controls working to st htm Deutsche Bank 2008 http e2af com review 091026 shtml http www electrovaya com pdf PR 2009 PR20091029 pdf http www greencarcongress co m 2009

Rapport final recharche VEx (v3

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