Faire des véhicules électriques plus légers pour maximiser les effets positifs sur le climat et la sécuritémat

Publié le 24 octobre 2021 par Nature via M.E. (traduction)

Taxer les véhicules lourds et rétrécir les batteries pour consolider les gains liés à l'électrification.

Circulation aux heures de pointe : émissions, pollution, bruit et stress. Source : Le Parisien

Les véhicules électriques sont là, et ils sont essentiels pour décarboner les transports. Le Royaume-Uni, la Californie, l'Union européenne, le Canada et d'autres prévoient d'éliminer progressivement la vente de véhicules à combustible fossile dès 2030 – la Norvège prévoit de le faire plus tôt. Les consommateurs sont intéressés.

En mai, la Ford Motor Company a dévoilé une version tout électrique de sa camionnette la plus vendue, la F-150 Lightning. En août, tant de clients en avaient réservé un que Ford a doublé son objectif de production initial. Le 27 septembre, l'entreprise a annoncé qu'elle allait dépenser des milliards de dollars pour construire des usines de batteries et une usine de camions électriques aux États-Unis. D'autres entreprises développent également leur production.

Les investissements majeurs dans les véhicules électriques sont une bonne nouvelle. Le secteur a parcouru un long chemin, mais de nombreux défis nous attendent. Une question qui a reçu trop peu d'attention, à notre avis, est l'augmentation du poids des véhicules.

Les camionnettes et les véhicules utilitaires sport (VUS) représentent désormais 57 % des ventes aux États-Unis, contre 30 % en 1990. La masse d'un véhicule neuf vendu aux États-Unis a également augmenté — voitures, SUV et camionnettes. ont pris respectivement 12 % (173 kilogrammes), 7 % (136 kg) et 32 % (573 kg) depuis 1990. Cela équivaut à transporter un piano à queue et un pianiste. Des tendances similaires sont observées ailleurs dans le monde.

L'électrification des véhicules ajoute encore plus de poids. Le pétrole combustible et dense en énergie est remplacé par des batteries encombrantes. Et le reste du véhicule doit s'alourdir pour fournir le support structurel nécessaire1. Le F-150 électrique pèse 700 kg de plus que son prédécesseur à essence. Les petites voitures électriques sont également plus lourdes que leurs équivalents essence (voir « Flotte électrique plus lourde »).

undefined — Une flotte électrique plus lourde. Source : Nature

Pourquoi est-ce important ? La sécurité est avant tout. La probabilité que des passagers soient tués dans une collision avec un autre véhicule augmente de 12 % pour chaque différence de 500 kg entre les véhicules [2]. Ce risque supplémentaire ne s'appliquerait pas si tout le monde conduisait des voitures de poids similaire. Mais jusqu'à ce qu'ils le fassent, le nombre de victimes dans les accidents augmentera probablement à mesure que les véhicules électriques lourds rejoindront les flottes existantes plus légères. Les piétons seront également en danger. Si les résidents américains qui sont passés aux SUV au cours des 20 dernières années étaient restés coincés avec des voitures plus petites, plus de 1 000 décès de piétons auraient pu être évités, selon une étude [3].

Les véhicules plus lourds génèrent également plus de pollution particulaire due à l'usure des pneus. Ils nécessitent plus de matériaux et d'énergie pour les construire et les propulser, ce qui augmente les émissions et la consommation d'énergie.

À quel point ce poids supplémentaire est-il un problème ? Une comparaison approximative entre les coûts de mortalité et les avantages climatiques montre qu'elle est significative. Dans le cadre des systèmes énergétiques en vigueur dans la plupart des pays aujourd'hui, le coût des vies supplémentaires perdues à cause d'une augmentation de 700 kg du poids d'un camion électrifié rivalise avec les avantages climatiques des émissions de gaz à effet de serre évitées.

Deux facteurs principaux sont en jeu : le poids et les supports de la batterie ainsi que la propreté des réseaux électriques à partir desquels elle est chargée. Pour calculer le coût du poids supplémentaire, nous avons utilisé la valeur du Département américain des Transports de 11,6 millions de dollars US par décès évité. Le compromis coût-bénéfice est valable même si l'on suppose que le coût social de l'émission d'une tonne de dioxyde de carbone est élevé, autour de 150 $ ; des valeurs inférieures, telles que 50 $, réduisent les estimations des avantages climatiques. Certes, c'est une simplification excessive.

Des analyses coûts-avantages réalistes pour les véhicules électriques nécessitent l'évaluation de nombreux autres facteurs. Il s'agit notamment des coûts liés aux blessures lors de collisions, des avantages pour la santé d'un air plus pur et des impacts sur le cycle de vie des différentes conceptions de voitures.

Au fil du temps, des réseaux plus propres renforceront les arguments en faveur des véhicules électriques. Certains pays disposant de nombreuses sources d'électricité propres, comme la Norvège, en sont déjà à un point où l'électrification d'un camion présente plus d'avantages pour le climat que les coûts de sécurité.

D'autres, dont les États-Unis, doivent continuer sur la voie d'un système électrique à zéro net (voir « Coût-bénéfice calcul »). Pourtant, sans aborder la question du poids, les avantages pour la société de passer à l'électricité seront moindres qu'ils ne pourraient l'être au cours de la prochaine décennie. Voici ce que nous pensons que les chercheurs, les décideurs et les fabricants doivent faire pour résoudre le problème.

Calcul coût-bénéfice des véhicules électriques en fonction de la carbonation de la production électrique. Source : Nature.

Taxer les voitures lourdes

Les bases de l'économie nous disent que les activités qui imposent des coûts aux autres devraient être taxées. Fixer les droits d'immatriculation sur la base du poids des véhicules peut décourager les poids lourds et encourager les véhicules légers. La perception de redevances basées sur le poids résout également un autre problème imminent pour les gouvernements – la perte de revenus provenant des taxes sur l'essence et le diesel perdues alors que davantage de véhicules électriques circulent sur les routes.

C'est potentiellement beaucoup d'argent. En 2019, les gouvernements fédéral, étatiques et locaux des États-Unis ont perçu plus de 112 milliards de dollars en taxes sur les carburants. Plusieurs États ont déjà commencé à imposer des frais aux propriétaires de véhicules électriques, de l'ordre de 50 à 200 dollars par an, pour récupérer une partie de cette taxe perdue. C'est juste, soutiennent-ils, car les taxes sur les carburants couvrent une partie des coûts des infrastructures routières, que les conducteurs de véhicules électriques utilisent également.

La variation de ces redevances en fonction du poids maintiendrait les revenus tout en incitant les gens à choisir des véhicules plus économes en énergie et imposant moins de coûts sociaux [4]. Cela réduirait également d'autres émissions provenant de la production et de la fabrication de matériaux.

Quelques endroits ont de telles taxes. Dans l'Iowa, par exemple, les frais d'enregistrement augmentent de 0,40 $ pour chaque 45 kg de poids de véhicule. Dans l'État de New York, le tarif est de 1,50 $ par 45 kg pour les poids supérieurs à 750 kg ; au-dessus de 1 600 kg, il s'élève à 2,50 $. La France ira encore plus loin l'année prochaine, en facturant 10 € (11,60 $ US) pour chaque kg qui dépasse le seuil de 1 800 kg. Si cette loi n'exemptait pas déjà les véhicules électriques et hybrides, elle aurait ajouté 12 000 € au prix d'un camion électrique, comme le F-150.

L'ajout de la distance parcourue aux frais inciterait également les gens à conduire moins. L'Oregon pilote un tel programme, donnant aux propriétaires la possibilité de baser leurs frais d'enregistrement sur la distance qu'ils parcourent au cours d'une année (à un taux d'environ 1,1 cents par kilomètre) au lieu de frais annuels fixes. Les données de voyage peuvent être collectées par des appareils embarqués ; certaines compagnies d'assurance proposent déjà des polices basées sur le kilométrage total et d'autres habitudes de conduite.

Rétrécir les batteries

Les batteries coûtent aujourd'hui 90 % de moins qu'il y a dix ans. Et leur densité énergétique a plus que triplé [5] depuis l'introduction des batteries lithium-ion en 1991. Pourtant, la plupart des progrès réalisés dans la technologie des batteries ont permis d'augmenter la distance qu'une voiture électrique peut parcourir en une seule charge et d'augmenter la puissance de la voiture. Au cours de la dernière décennie, par exemple, Nissan a mis sur le marché une version longue autonomie de son véhicule électrique phare Leaf, avec une autonomie triple (364 kilomètres) et une puissance double (214 ch). Mais son poids a augmenté, lui aussi, de 14 %, à 1 749 kg.

L'autonomie est importante pour l'adoption généralisée des véhicules électriques. La plupart des consommateurs achètent des voitures en fonction de la portée parce qu'ils craignent de perdre de l'électricité ou de ne pas pouvoir se recharger lors d'un long voyage. Pourtant, la plupart des trajets en voiture sont courts - vers les magasins ou l'école. Aux États-Unis, par exemple, les conducteurs parcourent en moyenne 56 kilomètres par jour, bien en deçà de l'autonomie maximale des véhicules électriques.

L'extension de cette portée d'environ 100 kilomètres supplémentaires toutes les quelques années rendra les véhicules électriques plus pratiques pour les personnes qui doivent parcourir régulièrement de longues distances, pour le travail par exemple. Mais même maintenant, il a des rendements décroissants pour le conducteur moyen. Les infrastructures de recharge rapide se déploient plus largement. La production de batteries légères sera immédiatement récompensée.

La batterie lourde et les structures de support associées rendent le Hyundai Kona électrique environ 20 % plus lourd que son homologue à essence. Crédit : Milan Jaros/Bloomberg/Getty

Les moyens d'alléger les batteries incluent l'utilisation de matériaux plus denses en énergie et la suppression de composants plus lourds. Par exemple, les batteries à semi-conducteurs qui n'utilisent pas d'électrolytes liquides et qui ont les dernières chimies d'anode sont plus compactes et pourraient offrir des densités d'énergie plus élevées que ce qui est possible pour les cellules lithium-ion. Les batteries lithium-silicium peuvent atteindre des densités d'énergie plus élevées si les fabricants utilisent plus de silicium dans les anodes que de graphite. Les améliorations peuvent également être numériques : les systèmes de gestion de batterie sans fil peuvent supprimer jusqu'à 90 % du réseau de fils. L'utilisation de moins de matériaux aide les fabricants à économiser de l'argent.

Mais les technologies de pointe sont coûteuses à intégrer, ce qui augmente les coûts des voitures électriques. Le soutien des pouvoirs publics, du laboratoire à l'usine en passant par le consommateur, est donc essentiel pour stimuler l'innovation et le développement. Les frais d'enregistrement basés sur le poids pourraient fournir une partie de cet argent. Les subventions américaines pour les véhicules électriques augmentent actuellement avec la capacité de stockage de la batterie. Baser plutôt les subventions sur les véhicules électriques sur le stockage d'énergie par kg (kWh/kg) encouragerait les progrès des batteries plus légères.

De nouveaux développements dans la technologie des batteries sont nécessaires pour réduire la pollution provenant de la fabrication et pour consommer moins de cobalt et d'autres métaux et minéraux rares. Des programmes de recyclage et de réutilisation des batteries et autres matériaux doivent être mis en place [6], avant que des dizaines de millions de véhicules électriques n'arrivent puis ne quittent les routes.

Alléger les structures

Tesla, Volvo, GM et d'autres constructeurs automobiles explorent l'utilisation d'un emballage de batterie pour soutenir une partie du châssis du véhicule. À l'horizon, il faut faire du châssis du véhicule lui-même le moyen de stocker de l'énergie. La recherche et le développement sont nécessaires pour améliorer la conductivité, la résistance et la façon dont les batteries structurelles gèrent les collisions [7].

Environ un tiers de la masse d'un véhicule est en acier conventionnel, contre 44% en 1995. Les structures des véhicules peuvent être rendues plus solides et plus légères en utilisant des formes avancées d'acier, plus d'aluminium et de magnésium, et des polymères renforcés de fibre de carbone. Chaque matériau apporte ses propres coûts et défis techniques ainsi que les impacts sur les émissions des chaînes de production et d'approvisionnement. Les chercheurs doivent évaluer ces compromis pour trouver des solutions sûres, propres et abordables.

La substitution de l'aluminium à l'acier réduit le poids du véhicule et améliore l'efficacité énergétique. Mais la production d'aluminium peut avoir près de cinq fois les émissions de carbone intrinsèque de l'acier [8]. Le passage à l'aluminium recyclé avec une grille à faible émission de carbone peut réduire les émissions du cycle de vie en deçà de celles de l'acier.

Réduire les collisions

Avec des véhicules plus lourds sur la route, la sécurité devient encore plus importante. Certains véhicules utilisent déjà des caméras, des radars et d'autres capteurs pour éviter les collisions en surveillant les angles morts et la vigilance du conducteur. Ces dispositifs maintiennent les véhicules dans les voies, ajustent les vitesses, contrôlent les phares et appliquent les freins en cas de risque d'accident. Le déploiement de telles technologies sur l'ensemble du parc automobile américain pourrait éviter des milliers de morts, plus d'un million d'accidents et des milliards de dollars de coûts sociaux par an [9].

Les vieilles idées pour améliorer la sécurité dans les rues doivent toujours être encouragées – limites de vitesse, conceptions de routes apaisantes et infrastructures axées sur les piétons. Paris, Bruxelles, Bilbao et d'autres villes ont des vitesses limitées sur la plupart des routes à 30 kilomètres par heure.

Conduire moins

La réduction de la distance parcourue peut aider à atteindre les objectifs climatiques à mesure que les véhicules électriques et, à terme, automatisés deviennent largement disponibles10. Les politiques devraient veiller à ce que les alternatives telles que la marche, le vélo et les transports publics soient plus sûres, plus pratiques, accessibles, abordables et fiables.

Les concepteurs urbains devraient tenir compte des impacts du zonage et du développement sur les habitudes de conduite afin de minimiser les distances moyennes parcourues et les impacts de la pollution atmosphérique qui pèsent de manière disproportionnée sur les communautés vulnérables. L'un des héritages de la pandémie de COVID-19 est la prise de conscience de la quantité de travail qui peut être effectué à distance, avec moins de déplacements. Résoudre ces défis sauvera des vies et protégera le climat.

En fin de compte, pour gérer le changement climatique, le monde doit cesser d'émettre des gaz à effet de serre provenant des véhicules et des centrales électriques. Les véhicules électriques alimentés par un réseau propre sont un pas essentiel dans la bonne direction. Mettre l'accent sur une conduite plus légère, plus sûre, plus propre et moins peut assurer un avenir meilleur pour tout le monde.

Les auteurs : Blake Shaffer est assistant professeur au Département d'économie et à l'École de politique publique de l'Université de Calgary, à Calgary, Canada.

Maximilian Auffhammer est professeur au Département d'économie agricole et des ressources, à l'Université de Californie, Berkeley, États-Unis, et au National Bureau of Economic Research, à Cambridge, Massachusetts, États-Unis.

Constantine Samaras est professeur associé au Département de génie civil et environnemental de l'Université Carnegie Mellon, à Pittsburgh, Pennsylvanie, États-Unis.

Références :

Lewis, G. M. et al. Environ. Sci. Technol. 53, 4063–4077 (2019).
Anderson, M. L. & Auffhammer, M. Rev. Econ. Stud. 81, 535–571 (2014).
Tyndall, J. Econ. Transp. 26–27, 100219 (2021).
Davis, L. W. & Sallee, J. M. Environ. Energy Policy Econ. 1, 65–94 (2020).
Ziegler, M. S. & Trancik, J. E. Energy Environ. Sci. 14, 1635–1651 (2021).
Baars, J., Domenech, T., Bleischwitz, R., Melin, H. E. & Heidrich, O. Nature Sustain. 4, 71–79 (2021).
Kalnaus, S. et al. J. Energy Storage 40, 102747 (2021).
Wolfram, P., Tu, Q., Heeren, N., Pauliuk, S. & Hertwich, E. G. J. Ind. Ecol. 25, 494–510 (2020).
Khan, A., Harper, C. D., Hendrickson, C. T. & Samaras, C. Accid. Anal. Prev. 125, 207–216 (2019).
Alarfaj, A. F., Griffin, W. M. & Samaras, C. Environ. Res. Lett. 15, 0940c2 (2020).

Déclaration d'intérêt : Après la soumission de ce document, C.S. a commencé une mission d'emploi temporaire avec le gouvernement des États-Unis par le biais de la loi sur le personnel intergouvernemental. Il est en congé de service public et cet article a été préparé alors qu'il était employé à l'Université Carnegie Mellon. Les opinions exprimées dans cet article sont celles des auteurs et ne reflètent pas le point de vue du gouvernement américain ou de toute autre organisation.

Source : https://www.nature.com/articles/d41586-021-02760-8