Rendement de la voiture électrique comparé à la voiture thermique ?
Plan de l'article :
Souvent mise de côté et peu prise en considération, la comparaison du rendement entre voiture électrique et voiture thermique n'est pas aussi caricaturale qu'on pourrait le penser ... En effet, les choses sont généralement exposées de manières grossières et simplistes, avec d'un côté 90% pour le moteur électrique et 40% pour le moteur thermique.
Si on s'arrête là, alors le moteur thermique paraît archaïque et dépassé (ce qui est en grande partie vrai ne nous mentons pas). Nous allons toutefois voir que ce niveau de comparaison est biaisé. Et pour mettre les choses sur un pied d'égalité, nous allons partir la comparaison depuis le baril de pétrole, ou plutôt juste après qu'il ait été raffiné (qu'on ait extrait l'essence et le fioul (= diesel). C'est donc une hypothèse toute particulière qui vise à comparer le rendement des voitures électriques et thermiques à partir d'une même source d'énergie, car en réalité la voiture électrique s'alimente d'un mix énergétique qui varie beaucoup d'un pays à l'autre.
Rendement du moteur thermique (20 à 42%) ?
Il y a hélas tout un tas de technologies différentes qui influent sur les chiffres du rendement. Nous allons cependant nous limiter aux principaux : essence (36%) et diesel (42%).
Le rendement est ici un terme incomplet, car pour être précis on va parler de rendement mécanique ... En réalité le rendement de tout carburant est de 100% ! En effet, rien n'apparaît ou ne disparaît, tout se transforme. Les 36% qui nous restent sur un moteur essence consistent à dire que sur les 100% d'énergie contenue dans le carburant, 36% vont induire le mouvement de mes roues, le reste sera majoritairement perdu en chaleur (50% dans la matière du moteur et 50% à l'échappement), dans les frottements divers et l'inertie des pièces (moteur et transmission).
Précisons aussi qu'il s'agit du rendement maximal, à savoir quand le moteur est sur sa plage de régime optimale : là où il offre le maximum de couple à un régime le plus faible possible, car plus on monte dans les tours plus la fréquence d'injections (nombre d'injections de carburant par période) est importante = consommation supérieure et baisse du rendement.
Ce rendement maximal n'est atteint que rarement, et il faut alors plutôt tabler à un rendement moyen de 20% en utilisation réelle. Notez que les transmissions CVT favorisent un peu plus le rendement du moteur car ce n'est pas le moteur qui varie de régime à chaque changement de rapport, mais c'est plutôt la transmission qui varie (le moteur restant sur son régime optimal en pleine charge).
Le rendement réel en utilisation serait alors plutôt proche des 20% (Wikipedia parle de 15%, mais cela concerne la conduite dans les milieux les moins favorables, à savoir la ville), sachant que cela variera selon le conducteur et
Le rendement maximal du moteur thermique est alors ici rogné d'environ de moitié si on se réfère aux 36 et 42% des rendements précisés plus haut.
Quand il fait froid le rendement est un peu meilleur (sauf moteur froid qui vient de démarrer) car l'air est plus dense (air plus dense = + de comburant = meilleur remplissage des cylindres). En revanche la pénétration dans l'air est plus difficile, forcément.
Dans cet exemple nous allons prendre 100 kWh de gazole, à savoir 9.3 litres.
Le rendement maximal sera de 100 X 0.42 = 42 kWh (42%)
Le rendement réel à l'utilisation (qui varie beaucoup, c'est donc un peu bancal et imprécis) sera de 100 X 0.2 = 20 kWh (20%)
Quoi qu'il en soit, si mon auto consomme 6 litres aux 100 km, ce qui est assez raisonnable avec un moteur diesel de calibre standard et moyen (150 ch), je pourrai rouler 155 km avec 9.3 litres de gazole (100 kWh).
Si je pousse à 7.5 litres alors ce sera plutôt 124 km.
En conduite sportive à 9.5 litres (il faut vraiment y aller) alors 98 km.
Rendement voiture électrique (27% ?)
Ici le rendement ne se limite pas au moteur, comme c'est le cas avec la voiture thermique. Nous allons prendre ici comme hypothèse pessimiste que l'électricité provient en totalité d'une centrale thermique.
Considérons ici que ma centrale va être alimentée par 9.3 litres de gazole, à savoir 100 kWh (pour comparer avec les 100 kWh de carburant de ma voiture thermique). Je préfère rester réaliste et ne pas imaginer que mon auto soit alimentée par du renouvelable, encore trop anecdotique aujourd'hui (ce qui devrait changer d'ici 2050 si bien entendu le mode de vie occidental n'a pas disparu, ce qui n'est pas aussi absurde que vous ne le pensez en lisant ces lignes ... L'histoire a été pleine de surprises et les plus grosses semblent être juste devant nous. Mais passons ..).
La première chose à faire va être de convertir de carburant fossile en électricité. Je vais alors disposer d'un moteur thermique au rendement de 45% (le maxi est à 50% avec le fioul lourd mais faisons une moyenne générale, avec un chiffre plutôt optimiste de 45% de rendement moteur. Sachez aussi que le rendement des centrales à charbon modernes est bien meilleur qu'avant, approchant presque les centrales à fioul). Ce moteur au rendement de 45% va faire tourner une génératrice électrique au rendement de 90%, et donc au global la transformation de mon carburant en électricité va prendre environ 60% de mon énergie initiale contenue dans le carburant.
Mes 100 kWh sont alors réduits à 40 kWh.
Ces 40 kWh vont être distribués par des lignes électriques sur lesquelles il y a des transformateurs. La perte s'élève alors à environ 10%, pas moins ...
Mes 40 kWh sont alors réduits à 36 kW quand ils arrivent chez moi.
De la prise à ma voiture, la perte va être de 5 à 15% (certains ont parfois constaté un peu plus), avec une moyenne qui me paraît plutôt se situer aux alentours de 12%.
Mes 36 kWh sont alors réduits à 31.7 kWh quand ils passent de ma prise à ma batterie lithium.
Mon rendement est alors de 31.7% sachant qu'il n'y a pas de différence entre rendement maximal et rendement réel contrairement au thermique (sauf sur autoroute ! L'électrique voit son rendement chuter en raison du surrégime couplé aux pertes du retour de force électromotrice: back EMF).
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Reste maintenant à alimenter mon moteur électrique dont le rendement se situe clairement vers les 93% (ce chiffre me paraît raisonnable si on prend en compte que la majorité des moteurs électriques sont synchrones à aimant permanent), sachant que cela chute drastiquement à partir d'une certaine vitesse ( comme je l'ai déjà dit : retour de force électromagnétique [back EMF] lié au rotor à aimant permanent qui génère à son tour du courant dans le stator, ce qui produit une contre force qui freine le mouvement ... Un moteur électrique ne va donc pas plus vite en descente contrairement à une thermique, une fois la vitesse maximale atteinte on est bridé et même freiné si on nous pousse).
A cela s'ajoute les pertes à la batterie, à la fois avec l'effet Joule mais aussi la perte côté chimie (toute transformation de l'énergie induit des pertes). Sachez que le rendement énergétique de la batterie dépend aussi de sa vitesse de charge ... Une batterie qui a été chargée rapidement avec une puissance élevée en kW offrira un peu moins d'énergie en sortie.
On a alors au bas mot 15% de perte, ce qui mène alors à une énergie réduite à 27 kWh, à savoir un rendement mécanique de 27%
A lire : Combien de perte lors des recharges ?
Si j'ai une voiture qui consomme 15 kWh aux 100 km, alors j'aurai 180 km d'autonomie.
Si je consomme 20 kWh aux 100 km (une conduite qui reste sans excès et en évitant les 130 km/h sur autoroute) je serai à 135 km.
Si je consomme 25 kWh aux 100 km (conduite sur autoroute à 130 km/h chargé avec une température entre deux) je serai à 108 km.
Pour ma part je suis à 21 kWh de moyenne sur une Model 3 Performance utilisée majoritairement sous des températures favorables, et cela inclut la récupération d'énergie ! Le rendement est donc encore inférieur sans ce paramètre ...
Enfin, en conduite sportive on pourra tabler facilement et raisonnablement sur 50 kWh/100 km, à savoir 54 km. Remorquer consiste aussi à réduire l'autonomie par deux (et ce malgré une conduite éco) ... La variation de consommation sur une électrique peut être gigantesque, croyez-moi sur parole.
Bien entendu, vous pouvez ajouter environ 20% de consommation en plus en hiver, sauf en conduite sportive puisqu'elle induit un échauffement de la batterie rapide (vecteur de meilleure autonomie).
Conclusion ?
Si mes voitures thermiques et électriques tournent avec du carburant fossile (qui est encore majoritairement le cas), il semble encore préférable de l'injecter directement dans la voiture thermique plutôt que d'alimenter une centrale qui va ensuite acheminer l'électricité avec des pertes très importantes entre cette dernière et la finalité : à savoir le moteur électrique de votre voiture. Il faut aussi bien assimiler que face à l'effort (ou dans le froid), l'électrique perd beaucoup de plumes ... Le bilan va donc d'autant plus en faveur du thermique si vos besoins s'orientent vers de la prise de poids régulière (enfants, bagages) ou si les vitesses moyennes sont élevées (autoroute).
De plus, le moteur diesel reste le meilleur si on considère le CO2, l'essence étant nettement moins favorable (mis à part à l'éthanol) il faut l'avouer (la suralimentation couplée à l'injection directe haute pression réduit un peu la casse mais de peu).
Le bilan peut toutefois largement être inversé si l'énergie provient d'une autre source comme le solaire par exemple, mais il faudra alors déduire l'énergie qu'il a fallu pour produire et distribuer les panneaux solaires. Et sans en faire la démonstration, et d'après ce que j'en sais, le bilan serait alors nettement plus positif pour la voiture électrique. En attendant cela ne reste qu' à l'état de théorie, car il faudrait un volume colossal (et même vertigineux !) de panneaux pour remplacer les énergies fossiles.
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