Energie et climat: Le trilemme énergétique

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Le secteur des transports

Le secteur des transports est très énergivore, et fortement dépendant du pétrole. Le constat est le même à travers les différentes régions du monde. En chine, Le transport routier a représenté 23,6% de la demande en pétrole en 2010 (Lin and Xie, 2014). En Europe, le secteur des transports a représenté un tiers de la consommation d’énergie finale pour l’année 2012 (European Commission, 2014a), avec une quasi-dépendance aux produits pétroliers. A titre d’exemple, 96% pour la France (ADEME, 2012). La demande en pétrole pour le secteur des transports en EU-27 a augmenté de 26% entre 1990 et 2008, dont plus de la moitié destinée aux véhicules particuliers (Pasaoglu et al., 2012). Le transport routier reste le poste de consommation d’énergie prépondérant parmi les autres moyens de transport (Lin and Xie, 2014; Pasaoglu et al., 2012).
On remarque que le secteur des transports dans sa globalité a un impact non négligeable sur les émissions de GES dans le monde. Cet impact est d’autant plus important dans les pays industrialisés (exemple de l’Europe), où le nombre de véhicules par habitant est plus élevé.
De plus, sur l’ensemble des modes de transport utilisés, le transport routier demeure prépondérant.
En EU-28, le secteur des transports est le second contributeur aux émissions CO2, après le secteur de production d’électricité et de chaleur (Figure 1.1). Dans d’autres pays, comme la France, où la production d’électricité est moins carbonée, le secteur des transports est le premier poste émetteur de CO2.
Ainsi, des mesures ont-elles été prises au niveau de l’Union Européenne et au niveau mondial afin de diminuer ces niveaux d’émissions. Les engagements européens impliquent pour le secteur des transports, une réduction de 60% en 2050, comparée au niveau des émissions en 1990 (European Commission, 2011b). Au niveau des Etats membres, les objectifs diffèrent en fonction de ce qui est défini dans la décision 406/2009/CE et des politiques nationales. A titre d’exemple, la France doit diviser par quatre son niveau d’émission global, comparé à 1990 (1990 : 525 Mt CO2eq, 2050 : 131Mt CO2eq). Pour le secteur des transports, une réduction des émissions de 92% s’impose (1990 : 113,3 Mt CO2eq, 2050 : 8,4 Mt CO2eq), selon l’Agence de l’environnement et de la maîtrise de l’énergie (ADEME) (ADEME, 2012).
Comme évoqué ci-dessus (Tableau 1.1), le règlement européen No 443/ 2009 a été introduit dans le cadre du paquet énergie-climat. Il a défini les normes d’émissions des nouveaux véhicules légers à hauteur de 130 g de C02 par km en 2015 et 95g par km en 2020 (European Commission, 2009), il a été complété en 2014 par le règlement européen No 333/2014 (European Commission, 2014b). Aujourd’hui, l’objectif de 2015 est atteignable par les différents constructeurs (EEA, 2015). Cependant, celui de 2020 est un challenge et nécessite des innovations en rupture.
Différents leviers sont possibles afin de respecter ce règlement et ainsi diminuer la dépendance énergétique européenne et ses émissions : amélioration de l’efficacité des moteurs thermiques, baisse de la consommation par l’allègement des véhicules, amélioration de l’aérodynamisme, utilisation des biofuels et électrification des véhicules. l’électrification progressive des véhicules, rendue possible par les récents progrès des technologies de stockage, est un levier pertinent pour réduire les émissions de CO2 à l’usage (McKinsey and Company, 2010). « Des gains considérables peuvent être atteints par l’amélioration des chaînes de traction actuelles et le déploiement de nouvelles chaînes, principalement électrifiées » (Pasaoglu et al., 2012), même si des freins rendent difficiles une large diffusion de ces technologies (coût des batteries, infrastructure de recharge, autonomie …etc.).
L’application de ces leviers pour respecter la réglementation peut être perçue comme source de contraintes ou sources d’opportunités. Sources de contraintes dans le sens ou plus de ressources seront nécessaires pour l’étude et l’intégration de ces leviers dans l’industrie automobile. Sources d’opportunités car ils donnent naissance à de nouveaux produits et marchés : « Les politiques environnementales créent des opportunités d’innovation majeures comme le véhicule électrique » (Charue-Duboc and Midler, 2011). Néanmoins, il faut préciser que ces innovations sont sujettes à de fortes incertitudes.
En conclusion, nous retenons que notre modèle énergétique doit être repensé afin de mieux répondre aux enjeux de ce siècle, à savoir un accès sécurisé à une énergie plus propre. Le secteur des transports dans sa globalité, le transport routier en particulier, impacte fortement notre modèle énergétique de par sa dépendance au pétrole et sa contribution aux émissions de GES. Le rendre plus écologique est donc une priorité et l’électrification des véhicules reste l’un des leviers pertinents pour y arriver.
Pour ce faire, il convient de partir de notre système de mobilité. Nous allons tout d’abord dresser un état des lieux de notre mobilité actuelle afin de présenter les conditions de son évolution vers le concept d’électromobilité, qui sera ensuite abordé.

L’électromobilité

Le système de mobilité a des conséquences non négligeables sur le sujet du développement durable. Il est responsable d’une partie conséquente de la consommation d’énergie et de ressources, des émissions de gaz à effet de serre, des émissions de particules fines et de la pollution sonore. De plus, Il permet une meilleure équité sociale en offrant des choix de mobilité accessibles pour différents services (éducation, travail, santé…etc.). Enfin, l’industrie automobile représente des enjeux économiques importants.
Afin de comprendre la mobilité actuelle et son évolution, nous allons dresser un état des lieux de ses caractéristiques.

Caractéristiques de la mobilité actuelle.

La voiture peut être considérée comme un objet de luxe ou un signe de réussite sociale. Cependant aujourd’hui, notre relation au véhicule devient plus rationnelle. La voiture est considérée comme une composante fonctionnelle dans le système de mobilité. 54% des français estiment même que la voiture est avant tout un « outil fonctionnel de transport »1.
On passe progressivement d’une logique de possession à une logique d’utilité.
En termes de mode de transports, la suprématie de la voiture individuelle n’est pas encore remise en cause, même si elle est en déclin au profit d’autres modes. Les gens utilisent de plus en plus des modes de transport alternatifs : transports en commun, vélos, auto-partage, covoiturage, etc. Ils sont aussi moins réticents à combiner plusieurs modes de transport sur le même trajet.
Les besoins en mobilité ont considérablement augmenté ces dernières décennies en Europe. La mobilité individuelle a doublé entre 1970 et 2005 (CEC, 2006). Le nombre total de kilomètres voyagés a augmenté de 25% entre 1995 et 2008 (European Commission, 2010).
En Europe, 75% des trajets sont accomplis par les véhicules particuliers; le reste par bus, train, transport aérien, maritime …etc. (Ghersi and McDonnell, 2007). En France, la voiture individuelle reste le moyen de mobilité principal, une tendance qui va baisser au fur et à mesure de l’émergence de modes alternatifs jusqu’à 2030 selon les prévisions de l’ADEME (Tableau 1.3), sans toutefois diminuer le niveau de mobilité global.
En Europe, 50% des trajets sont inférieurs à 10km et 80% sont inférieurs à 25 km (IEA, 2011). Au Royaume-Unis, 97% des trajets sont inférieurs à 80 km (IEA, 2011). Aux USA, 60% des véhicules sont utilisés pour un trajet inférieur à 50 km par jour et 85% pour moins de 100 km (Département du Transport des Etats-Unis). Concernant l’utilisation du véhicule, en France il est inexploité 95% du temps (ADEME, 2012).
Pour synthétiser, la voiture individuelle est une composante fonctionnelle dans un système de mobilité multimodal. Elle reste le moyen de mobilité le plus sollicité. Elle est largement utilisée pour des petites distances (moins de 25 km), pendant un temps marginal de la journée.
Ces caractéristiques constituent un cadre favorable pour l’émergence d’une mobilité plus rationnalisée, à savoir l’électromobilité.
Nous avions mentionné au début de ce chapitre, que notre travail a pour objet la filière de valorisation des batteries des véhicules électriques. Cette dernière étant imbriquée dans plusieurs systèmes, nous abordons maintenant celui de l’électromobilité.

Le concept d’électromobilité

L’électromobilité, une mobilité où le moteur de mobilité est le véhicule électrifié (tout électrique, hybride rechargeable ou hybride), apparait comme une alternative intéressante pour satisfaire les enjeux du contexte inédit, dressé ci-dessus, à savoir : l’épuisement des ressources fossiles, prise de conscience de la réalité du réchauffement climatique, adoption de politiques de réduction des émissions de CO2, et caractéristiques de la mobilité actuelle.
D’autre facteurs viennent aussi favoriser l’émergence de l’électromobilité, qui sont d’ordre local et sanitaire : « la lutte contre le bruit en milieu urbain et surtout la réduction des “nouvelles” formes de pollution atmosphérique » (Pélata et al., 2010)
Selon (Sandén, 2013), l’électromobilité est un système de transport basé sur des véhicules propulsés par l’électricité. L’électricité est produite par le véhicule (hybride) ou stockée depuis le réseau (électrique). De plus, il rajoute « L’électromobilité est un concept complexe qui impliquera un développement technologique, l’élaboration des politiques, de l’innovation, de nouveaux modèles d’affaires, de nouveaux comportements de conduite et de nouveaux liens entre les industries. Les aspects systémiques de l’électromobilité sont au-delà des simples aspects techniques et le passage à la propulsion électrique doit être compris comme un processus de transformation sociotechnique » (Sandén, 2013). Ainsi, toute analyse du concept de l’électromobilité doit se faire dans ce cadre de transformation sociotechnique (Attias and Donada, 2012; Dijk et al., 2013; Geels and Schot, 2007).
Même si le véhicule électrique existe depuis un siècle, le véhicule électrique dans le concept de l’électromobilité peut être considéré comme une innovation radicale, du point de vue de l’usage et des business modèles (Reiner et al., 2010). « Le changement majeur opéré est celui de la rupture du système classique de la mobilité qui fait écho à l’apparition de nouvelles conditions technologiques, environnementales, financières et socio-économiques » (Attias and Donada, 2012).
L’une des conséquences de ce changement est la redéfinition de la chaîne de valeur automobile. Selon l’étude réalisée par KPMG’s sur le secteur automobile en 2012 (Global Automotive Executive Survey), on relève que la chaîne de valeur automobile est en pleine mutation et la bataille pour son contrôle ne fait que commencer. Les fournisseurs de composants électriques acquièrent aujourd’hui un rôle non négligeable et contraignent les constructeurs à des choix difficiles et complexes susceptibles de remettre en cause leur position d’acteurs centraux et dominants dans l’industrie.
En conclusion, les constructeurs doivent s’engager dans le développement de technologies pour l’électromobilité, la connectivité des voitures et les services de mobilité urbaine, le tout dans le cadre de coopérations et alliances. « Pour satisfaire les nouveaux besoins de mobilité des consommateurs, les constructeurs automobiles doivent se réconcilier avec l’idée d’intégrer la voiture et les services dans le cadre d’un système plus global, au lieu de se concentrer juste sur la fabrication des voitures. Seulement les entreprises qui s’adapteront sciemment vont maintenir leur position dominante sur le marché et continueront de jouer un rôle majeur dans la croissance de l’industrie dans son ensemble » (Capgemini, 2012)
Il existe plusieurs alternatives technologiques associées à l’électromobilité, en fonction du niveau d’électrification du véhicule:
• Les véhicules hybrides (VHY) (Full Hybrid HEV) : ils utilisent un moteur à combustion et un moteur électrique, alimenté par une petite batterie (1 kWh- 2 kWh) qui stocke l’électricité générée par le moteur à combustion, ainsi que l’énergie récupérée lors du freinage (IEA, 2011).
• Les véhicules hybrides rechargeables (VHR) (Plug-in hybrid electric vehicle PHEV) : il s’agit d’un véhicule hybride avec la possibilité de se recharger sur le réseau grâce à une batterie d’une plus grande capacité (5 kWh- 15 kWh). Les VHRs ont une autonomie moyenne en mode électrique de l’ordre de 40 km (IEA, 2011). Un VHR peut utiliser uniquement la batterie, uniquement le moteur thermique ou les deux en combinaison (Soares et al., 2013).
• Les véhicules électriques (VE) (Electric vehicle EV) : les VEs ont une autonomie moyenne de 150 km (IEA, 2011). Un VE utilise uniquement la batterie (plus de 15 kWh) comme source d’énergie (Soares et al., 2013).
L’un des critères d’appréciation de l’aspect écologique d’un véhicule est le nombre de kilomètres accomplis en mode de roulage ZEV (Zero emission vehicle), c’est-à-dire sans émissions polluantes. Bien évidemment, on parle uniquement d’émission du réservoir à la roue (Figure 1.2). Comme indiqué ci-dessus, le véhicule électrifié est un élément central dans le concept d’électromobilité. Son histoire et évolution seront explicitées dans la section suivante.

Histoire et prospectives

Le véhicule électrique n’a rien d’une révolution. On parle même de son troisième âge (IEA, 2013). Le premier VE a été commercialisé en 1897 à New York. Trois ans après, 28% des véhicules vendus aux USA sont électriques. Cette tendance s’est généralisée au reste du monde jusqu’à atteindre un parc mondial record de 30 000 VEs en 1912. Le succès des VEs a commencé à décliner à partir de l’introduction du moteur à combustion par Ford en 1908 jusqu’à leur effacement dans les années 30. A partir des années soixante, les initiatives VE reviennent régulièrement sans grand succès, c’est ce qu’on appelle le second âge du VE.
Aujourd’hui, on peut parler du troisième âge du VE, avec les pouvoirs publics et acteurs privés qui s’impliquent activement pour le développement de la mobilité électrique. En 2011 le parc mondial des VEs culmine à un nouveau record de 50 000 véhicules. En 2012 : 180 000 véhicules et en 2013 : 405 000 véhicules. Cependant, une poignée d’Etats concentre 90% de ce parc (IEA, 2013). En France, le marché des véhicules électrifiés a représenté 3,1% du marché des véhicules particuliers en 2013. Celui des véhicules tout électriques a représenté 0,59% en 2014, enregistrant une progression de 20% entre 2013 et 2014 (2014 : 10 560,2013 : 8779 , 2012 : 5663). Celui des véhicules utilitaires électriques a en revanche reculé de 13% entre 2013 et 2014 (2014 : 4502, 2013 :5175, 2012 : 3651). Une plus grande progression est à reporter pour les hybrides (2013 : 46 785, 2012 : 29 120) (Avere, 2014).
La prospective sur le marché des VEs est un exercice assez difficile. Leur développement étant dépendant de plusieurs paramètres incertains (coût des batteries, disponibilité des infrastructures de recharge, prix du pétrole, comportement des consommateurs …etc.) (Al- Alawi and Bradley, 2013). La Figure 1.3 illustre la disparité et éventail des estimations possibles. L’ACEA (Association des constructeurs européens d’automobiles) estime qu’une part de marché entre 3% et 10% est réalisable à l’horizon 2020-2025. L’ACEA le conditionne à cinq facteurs de succès : environnement politique, préparation des marchés, standardisation, capacité des technologies et considération de tout le cycle de vie du véhicule (Zetsche, 2010).

Table des matières

Introduction générale
Chapitre 1 : Contexte
1.1 Energie et climat: Le trilemme énergétique
1.2 Le secteur des transports
1.3 L’électromobilité
1.3.1 Caractéristiques de la mobilité actuelle.
1.3.2 Le concept d’électromobilité
1.3.3 Histoire et prospectives
1.3.4 Freins au développement de l’électromobilité
1.4 Les batteries pour véhicules électrifiés
1.4.1 Technologies de stockage pour les VEs
1.4.2 Composition des BLIs
1.5 Motivations pour la valorisation des BLIs
1.5.1 Motivations géostratégiques
1.5.2 Motivations réglementaires
1.5.3 Motivations économiques
1.5.4 Motivations environnementales
1.6 Conclusions du chapitre 1
Chapitre 2 : Problématique, Etat de l’art & Approche
2.1 Problématique :
2.1.1 Caractéristiques industrielles
2.1.2 Positionnement académique
2.2 Etat de l’art
2.2.1 Travaux traitant des filières de valorisation
2.2.2 Travaux traitant de la valorisation des BLIs
2.3 Formulation des questions de recherche
2.4 Approche
2.4.1 Modélisation de la filière
2.4.2 Prospective sur l’évolution de la filière
2.4.3 Analyse de la gouvernance de la filière
2.5 Conclusions du chapitre 2
Chapitre 3 : Modélisation de la filière
3.1 Etat de l’art sur la modélisation des systèmes complexes
3.1.1 La multimethodology
3.1.2 La méthode SCOS’M
3.1.3 La cartographie cognitive
3.1.4 La dynamique des systèmes
3.1.5 La multimethodology pour la modélisation de la filière
3.2 Application à la modélisation de la filière
3.2.1 Caractérisation de la filière: Application de SCOS’M
3.2.2 La compréhension des dynamiques d’évolution de la filière et l’identification des variables clés: Application de la cartographie cognitive et de la DS
3.3 Conclusions du chapitre 3
Chapitre 4 : Prospective sur l’évolution de la filière
4.1 Construction des scénarios
4.1.1 Remplissage de la matrice SRI
4.1.2 Présentation des scénarios
4.2 Analyse de la criticité géologique des matières
4.3 Analyse des procédés de recyclage
4.3.1 Rappels sur les technologies BLI et de recyclage
4.3.2 Taux et revenus de recyclage par procédé
4.3.3 Coût de recyclage par procédé
4.3.4 Conclusions de l’analyse des procédés de recyclage
4.4 Analyse du reconditionnement
4.4.1 Rentabilité et marge du reconditionnement
4.4.2 Analyse de sensibilité du reconditionnement
4.4.3 Conclusions sur l’analyse du reconditionnement
4.5 Analyse du coût de la fin de vie
4.6 Conclusions du chapitre 4
Chapitre 5 : Analyse de la gouvernance de la filière
5.1 Précision du périmètre d’analyse de la gouvernance de la filière
5.2 Organisation de la filière sur le périmètre de l’activité de reconditionnement
5.2.1 Etat de l’art sur les applications 2nde vie
5.2.2 Identification de la structure de la filière de reconditionnement « actuelle »
5.2.3 Choix des structures potentielles de la filière de reconditionnement
5.2.4 Exemple d’illustration
5.2.5 Récapitulatif de MadOFR
5.3 Conclusions du chapitre 5
Conclusion et perspectives
Publications et communications
Bibliographie :
A. Annexes chapitre 1 (Contexte)
A.1 Technologies BLI pour VE
A.2 Fonctionnement d’une BLI
B. Annexes chapitre 3 (Modélisation)
B.1 Procédés et opérations élémentaires de recyclage
B.2 Flux potentiels entre les sous-systèmes de la filière
B.3 Concepts de la dynamique des systèmes (DS)
B.3.1 Les diagrammes causaux
B.3.2 Les diagrammes stock & flux
B.4 Formulation du modèle de simulation
B.4.1 Caractérisation des variables exogènes
B.4.2 Diagrammes stock & flux et caractérisation des variables endogènes
B.5 Test du modèle et Sensibilité des variables incertaines
B.5.1 Validation du modèle
B.5.2 Graphiques de sensibilité des variables exogènes incertaines
C. Annexes chapitre 4 (Prospective)
C.1 Analyse des procédés de recyclage
C.1.1 Prix de revente des matières recyclées
C.1.2 Contribution des opérations élémentaires

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