Penser la charge des véhicules électriques « au fil du soleil »

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Penser la charge des véhicules électriques « au fil du soleil »

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Jusqu’à présent, la production photovoltaïque en France s’est adressée, à de rares exceptions près, à des usages en courant alternatif, justifiant le raccordement des centrales PV au réseau électrique national. Parallèlement et dans cette logique du tout réseau, les véhicules électriques ont d’abord été développés pour être chargés à partir du réseau électrique – et ce bien avant qu’existent des productions photovoltaïques.

L’énergie solaire présente pourtant nombres d’avantages à être exploitée en source d’alimentation directe pour les systèmes de charge, tant en termes de coût et de dimensionnement des installations que parce qu’elle est adaptée aux usages réels de la mobilité.

Des modèles photovoltaïques en usage direct existent déjà, à l’instar des pompes solaires installées pour les usages agricoles notamment en Afrique subsaharienne. Fonctionnant « au fil du soleil », ces systèmes sont pensés pour fonctionner en autonomie et se sont majoritairement développés dans des pays qui ne disposaient pas de réseau électrique. Sous réserve d’une gestion de l’intermittence, ces modèles présentent des avantages en termes de coûts et d’usage et sont reproductibles dans le monde entier.

Au vu des incertitudes planant sur l’offre électrique et l’augmentation des coûts de l’énergie, une approche similaire peut et doit aujourd’hui être développée dans le domaine des transports en Europe. A terme, elle devrait même prévaloir à la situation existante.

Les besoins en mobilité correspondent à la disponibilité de l’énergie solaire

Si le pompage au fil du soleil a permis de pallier l’absence de réseau d’énergie électrique dans certains pays, l’analyse économique montre que le modèle PV en consommation directe peut très bien se développer (avec un secours réseau ou un branchement à un groupe électrogène par exemple) pour de nombreux autres usages, sous réserve d’avoir été imaginés dès la conception. C’est par exemple le cas des émetteurs radio (4G) et, de manière plus anecdotique, des micro-pompages réversibles.

La mobilité électrique offre toutefois un champ d’application dans toutes les géographies du monde et bien plus conséquent en volume.

En effet, si le prix de l’énergie électrique (€/kWh) représente à ce jour un énorme atout pour la mobilité, la mise à disposition de la puissance (kW) est coûteuse car elle nécessite, outre des bornes de recharge publiques, un réseau de distribution électrique suffisamment dimensionné pour charger simultanément plusieurs véhicules. L’offre des constructeurs automobile est aujourd’hui focalisée sur une recharge en heure creuse (la nuit) pour des véhicules qui se déplacent majoritairement le matin et le soir (domicile travail). Concernant les transports en commun, l’apport d’énergie renouvelable pour la traction reste anecdotique – pour des raisons relevant essentiellement de stratégies R&D.

Pour bien comprendre la répartition du flux journaliers des déplacements domicile-travail, voici à titre d’illustration, l’évolution sur une journée du taux de fréquentation de la ligne ferroviaire Paris-Fontainebleau.

Le constat est sans appel : au-delà de 10H00 le matin, la circulation Banlieue/Paris s’effondre. Le retour reprend à partir de 16H00.

Avec des besoins de déplacement très réduits en milieu de journée, les transports en commun et les véhicules individuels sont donc le plus souvent sous utilisés ou en stationnement entre 10h00 et 16h00 : selon le Centre d’études sur les réseaux, les transports, l’urbanisme et les constructions publiques (CERTU), une voiture individuelle est 95% du temps en stationnement et la durée journalière moyenne de stationnement pour le travail ou les études est de l’ordre de 6H00. Le taux d’utilisation des véhicules de transports en commun est certes sensiblement meilleur mais n’échappe pas à la fluctuation de la demande journalière dictée par les trajets domicile-travail et sont donc moins utilisés en milieu de journée. En résumé, la plupart des véhicules sont à l’arrêt aux heures de pointe de la production photovoltaïque.

Avantages économiques : circuits courts, courant continu et autoconsommation

Tous ces déplacements devraient mettre à profit le parfait synchronisme avec le soleil plutôt que se recharger la nuit, au profit d’autres énergies plus couteuses ou moins durables. L’équilibre production/consommation sera certes différent chaque jour et selon les périodes de l’année, mais c’est autant d’énergie PV produite qui n’a pas besoin d’être transformée en courant alternatif et réinjectée sur le réseau. Comme pour le cas du pompage, il s’agit d’un « circuit court » de l’énergie PV, les véhicules étant prioritairement utilisés pour stocker directement l’énergie produite.

  • La production solaire est essentiellement synchrone avec la charge des véhicules

  • Un bon dimensionnement du couple « production PV / charge de véhicule » limite les excédents à évacuer en été et minimise les prélèvements sur le réseau électrique en hiver ou pour d’autres profils d’utilisation

  • Une bonne gestion de la charge des véhicules permet de contrôler la puissance excédentaire pour distribuer cet excédent en autoconsommation collective : la production d’eau chaude sanitaire peut bénéficier de ce surplus pendant environ neuf mois par an

Le dimensionnement des projets solaires de mobilité au fil du soleil

Ce seront souvent des projets dont la taille sera comprise entre 20 à 500 KWc (ombrières de parking pour des vélos, des voitures) et entre 500 et 2500 kWc (hangars PV pour des trains électriques de nouvelle génération). Un dimensionnement optimal nécessitera des puissances crête avoisinant le double de la puissance mobilisée pour la charge des véhicules en été, de manière à disposer de suffisamment de ressource en hiver. Cela correspond à des surfaces allant de 360 m2 à 40 000 m2 raccordées directement aux stations de recharge … en courant continu. Il faut donc que ces surfaces soient disponibles en zone urbaine (parkings, toits terrasse, emprise ferroviaire, …) afin de ne pas contribuer inutilement à l’artificialisation des sols.

Une implantation PV de taille relativement limitée et au cœur d’une zone urbanisée permet de mettre à profit les excédents de production pour les réaffecter au voisinage immédiat : c’est désormais autorisé par l’article L 315-2 du Code de l’Energie (autoconsommation collective) sur un large périmètre géographique. De la même manière que pour la charge des véhicules, cette énergie excédentaire doit être affectée en priorité à un stockage local et gratuit : le cumulus électrique, aujourd’hui piloté par le tarif de nuit !

Une offre de recharge quasi inexistante à développer 

Comme cela a déjà été dit, les offres de bornes de recharge publiques et les véhicules électriques des particuliers ont décliné la tarification électrique jour/nuit qui existe dans la plupart des pays développés, mais il n’existe à ce jour aucune offre de marché pour transférer directement à l’utilisateur les bénéfices d’une production photovoltaïque locale, pas plus que n’existe une offre de marché PV/réseau au niveau d’une boucle locale basse tension. De fait, la production PV obéit actuellement à une loi du marché totalement décorrélée de l’ensoleillement local…

A noter toutefois que certains acteurs du marché offrent des solutions de recharge permettant d’affecter prioritairement l’énergie solaire locale. Cependant, il s’agit alors d’une double conversion DC/AC puis AC/DC au sein du véhicule, car ces derniers n’acceptent qu’une charge en courant alternatif. On peut aussi citer les offres de charge de véhicules en courant continu (mode 4) mais ce type de connecteur est encore peu développé. En outre ces chargeurs DC font la conversion AC/DC au niveau de la borne : à supposer qu’un champ photovoltaïque soit à proximité immédiate de la borne DC, la production a donc d’abord été transformée en courant alternatif pour être injectée sur le réseau.

A la manière de certains véhicules thermique qui autorisaient le choix de 2 carburants (superéthanol/SP85), les constructeurs automobiles doivent envisager le développement de véhicules acceptant indifféremment la charge en alternatif ou en continu. Vu du client, la charge en continu a l’avantage d’être plus rapide, la charge en courant alternatif est disponible à toute heure. Vu du gestionnaire public, une borne en courant continu peut être alimentée directement par un champ photovoltaïque (à un prix indépendant du marché) avec l’excédent réinjecté sur le réseau via des onduleurs dimensionnés à cet effet.

Ainsi, plutôt que de développer une électronique de puissance complexe et impliquant des doubles pertes de conversion électrique, l’effort des constructeurs est attendu sur une optimisation de la gestion des puissances de charge des véhicules et des capacités de réinjection des surplus sur le réseau.

A PROPOS DE L’AUTEUR

Après un parcours de cadre dirigeant au sein d’EDF et d’Engie, Philippe Bourguignon a lancé en 2019 le projet Ecotrain, une navette ferroviaire autonome sur batteries, alimentée à partir de hangars photovoltaïques. Il a consacré les 8 dernières années de sa carrière à diriger un programme européen de recherche et de standardisation des échanges d’information dans le domaine de l’énergie (SEAS), plus particulièrement à destination des smartgrids alimentés par des énergies renouvelables.

The views and opinions expressed in this article are the author’s own, and do not necessarily reflect those held by pv magazine.