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Les infrastructures de recharge des véhicules électriques

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REE N°2/2013 67REE N°2/2013 67 LE VÉHICULE ÉLECTRIQUE (2)LE VÉHICULE ÉLECTRIQUE (2) Claude Ricaud Schneider Electric – Partner Business Introduction Au cœur des enjeux énergétiques et environ- nementaux, le véhicule électrique est une réponse concrète et accessible pour diminuer l’empreinte environnementale des transports. Cet article est consacré aux infrastructures de recharge qui sont nécessaires au fonctionnement du système de mobilité électrique ; nous détaillons comment ces infrastructures doivent s’intégrer dans les réseaux électriques pour la gestion d’énergie, en particulier pour l’utilisation des énergies renouve- lables. Nous présentons ensuite les différents modes de charge et les principales caractéristiques des équi- pements d’infrastructure à travers quelques configu- rations types. Faut-il construire une nouvelle infrastructure ? Quand on aborde la question de la recharge des véhicules électriques, il est souvent évoqué le besoin d’une nouvelle infrastructure électrique. Faut il donc construire de nouveaux réseaux, investir de nouveaux moyens de production, créer un réseau de distri- bution spécifique, à l’instar des stations-services au siècle dernier pour les voitures thermiques ? Heu- reusement non ! C’est l’un des grands intérêts des véhicules électriques rechargeables : ils permettent d’utiliser une énergie propre, sans nécessiter une nouvelle et lourde infrastructure avec des investisse- ments massifs. Certes, des équipements électriques nouveaux doivent être installés dans les bâtiments, les maisons, les parkings ou sur la voie publique sur lesquels peuvent venir se connecter les véhicules. Mais toute l’infrastructure de production, transport, distribution de l’électricité existe déjà et, nous le ver- rons dans cet article, est suffisante pour servir un parc très important de véhicules rechargeables, à condition que quelques règles clefs d’ingénierie soient appli- quées. Mieux, les véhicules électriques permettront une meilleure utilisation des énergies renouvelables. Ainsi, les investissements nécessaires en points de recharge pourront être faits progressivement, en anti- cipant et accompagnant le développement du parc. Une infrastructure adaptée à l’usage du véhicule électrique Pour l’utilisateur, la garantie de trouver un point de charge est un élément essentiel à l’adoption du véhicule électrique, en particulier pour des véhi- cules dont l’autonomie est encore limitée à environ 150 kilomètres1 . Idéalement, le conducteur souhaite dis- poser, où qu’il soit, d’un point de recharge à proximité. Comment éviter dès lors le besoin d’une infrastruc- ture très dense et coûteuse de stations de recharge rapide ou d’échange de batteries ? Il convient de prendre en compte quelques observations d’usage : 1 Cette limite d’autonomie concerne les véhicules tout élec- triques, dits Battery Electric Vehicles. La situation est différente pour les hybrides rechargeables (PHEV, Plug In Hybrids EV) qui disposent également d’une motorisation thermique. Les infrastructures de recharge des véhicules électriques At the heart of energy and environmental issues, electric vehicle is a concrete and accessible answer to reduce environmental impact of ground transportation. This article is focused on charge infrastructures which are necessary for proper operation of e-mobility; most of the infrastruc- ture is already in place, for production, transport and distribution networks; only the final distribution, the charge spots need to be added. We detail how these infrastructures must integrate into electric grid and installations for efficient use of energy; we explain how smart charge will allow to maximize the use of renewable energies. We introduce the main characteristics of infrastructure equipment through presentation of typical configurations for the different modes of charge. ABSTRACT 68 REE N°2/2013 LE VÉHICULE ÉLECTRIQUE (2) très longues périodes pour recharger ; m’arrête plus pour faire le plein, je fais le plein parce que - mètres dans une même journée ; pour leur conducteur, un point de charge au domicile et sur le lieu de travail assurent la densité souhaitée avec quelques points publics assurant Pour ces différents usages, la vitesse et donc la puissance de recharge nécessaire est très différente, en fonction de la durée typique d’arrêt : - 2 en 6 à 8 heures peut se faire sur une installation domestique ou spécifique à 4 kW ; centre commercial, stationnement sur la voie publique, borne spécifique ; - - 2 Pour une batterie de 20 kWh (cas usuel d’un véhicule tout électrique en 2013). est nécessaire. L’infrastructure : une approche système La conception du système de recharge s’appuie sur une approche système où les différents composants doivent coo- pérer pour assurer les performances requises en termes de : Chacun de ces composants assure lui-même des fonc- tions d’optimisation : le véhicule pour optimiser la charge de la batterie, le bâtiment pour la gestion de l’énergie par son la gestion de l’équilibre production/consommation. Le travail d’architecture et de normalisation porte donc à - de fonctionnement. Abordons d’abord l’aspect de la gestion d’énergie. Les capacités du réseau électrique Elément clef du système de recharge, le réseau électrique devra supporter la charge d’un parc important de véhicules. Ainsi la France vise, à horizon 2020, d’avoir près de deux mil- lions de véhicules rechargeables en circulation. Quel impact cela aura-t-il sur le réseau électrique ? Comment doivent fonc- tionner les équipements pour utiliser au mieux le réseau ? Le tableau 1 donne les chiffres de production d’élec- tricité et de puissance installée pour quelques pays Figure 1 : L’infrastructure de recharge doit être adaptée aux usages et installée sur les lieux d’arrêt usuel des véhicules : 90 % des points de recharge seront installés dans les bâtiments et les habitations. REE N°2/2013 69 Les infrastructures de recharge des véhicules électriques industrialisés. En France, la production annuelle d’électricité Avec une distance moyenne parcourue de 15 000 kms annuellement, un véhicule électrique nécessite environ 3 MWh par an. Pour un parc de 2 millions de véhicules re- chargeables, cela nécessite entre 5 et 6 TWh. La recharge supplémentaire, ce qui est absorbable avec les moyens de production actuels. La question cruciale : éviter la pointe de charge sur le réseau Si l’énergie produite est suffisante, il n’en va pas de même pour la puissance disponible. Comme le montrent les ta- bleaux 1 et 2, la puissance appelée par la charge des véhi- cules peut créer des pointes très importantes pour le réseau. nécessaires, soit une pointe de charge supplémentaire de 3 kW pour tous les véhicules. La puissance de pointe nécessaire devient alors un pro- blème majeur pour le réseau. Il faut donc éviter cette charge aux périodes de pointe, pour forcer la charge aux moments de creux de consommation : la charge doit être régulée. C’est un enjeu majeur de la charge intelligente : décaler au de la puissance de charge. Pour cela, l’infrastructure doit intégrer des outils de gestion adaptés, à tous les niveaux de la chaîne. Venant du réseau, des informations devront être fournies sur les pointes et creux Ces informations devront être progressivement complétées par d’autres éléments permettant d’optimiser les profils de charge, telle que l’origine de l’électricité marginale distribuée à L’utilisation des énergies renouvelables Une promesse majeure du véhicule électrique est la ré- duction de la pollution et des émissions de CO2 . La maxi- Figure 2 : Le système de charge implique plusieurs composants : véhicule, installations, réseau. D’où un travail de normalisation complexe engagé depuis de nombreuses années. Tableau 1 : Capacité de production dans les principaux pays de déploiement du VE. Figure 3 : Courbe de consommation en France, un jour de semaine et un dimanche Le creux de consommation est en semaine de 66 GW, la pointe de 87,7 GW. La charge de deux millions de véhicules peut représenter 6 GW. Elle doit être répartie dans les creux. Source : RTE. Production annuelle d’électricité (TWh) Puissance installée (GW) Etats-Unis 4 200 1 140 Chine 3 500 900 Allemagne 600 140 France 500 100 Consommation annuelle Puissance de pointe (théorique) Un véhicule électrique ~ 2.5 à 3 MWh 3. à 43 kW Deux millions de véhicules électriques ~ 5 à 6 TWh 6 à 80 GW Tableau 2 : Energie pour deux millions de véhicules, 5 TWh soit 1 % du total pour la France. 70 REE N°2/2013 LE VÉHICULE ÉLECTRIQUE (2) misation de l’utilisation des énergies renouvelables est un élément clef pour atteindre cet objectif. Eviter de charger au moment des pics de consommation, lorsque les kW supplémentaires sont produits à partir d’éner- gie fossile est une condition nécessaire. Mais il est possible de faire beaucoup mieux. de puissance éolienne installée, pour une production de près de 60 TWh. Cette production éolienne, intermittente et relativement aléatoire, pose un problème particulier : en cas de production 3 ou de dissiper l’électricité produite en pure perte. Dans le cas de la France, l’analyse des courbes de production permet de constater que la production nucléaire est très stable, autour quasi satisfaire à elle seule l’ensemble de la consommation ; 3 C’est déjà le cas en Allemagne où en 2010 des arrêts forcés ont été nécessaires plus de 100 jours dans l’année. la consommation. Le véhicule électrique, qui offre un stockage distribué sur le réseau, permet de résoudre en partie le problème ainsi posé, en permettant de stocker l’électricité. Il est possible d’estimer que ce sont plusieurs TWh qui sont ainsi à récupé- rer. Comparés aux six TWh nécessaires annuellement pour deux millions de VE, on constate qu’une part importante de la recharge des véhicules pourra être faite à partir de l’énergie Le scénario d’utilisation est alors le suivant : - - terie pour alimenter la maison, en fonctionnant en “Vehicle et augmentant sa capacité de stockage ultérieur ; - atteindre sa charge complète en une à trois heures. Dans un tel scenario, les services de stockage rendus au réseau seront monétisés. Les modes de charge La modulation de la charge apparaît donc comme une fonction essentielle de l’infrastructure de recharge. La norme internationale IEC 61851 a défini différents modes de charge, dont certains permettent la gestion intelligente de la charge. Production 2020 (TWh) Puissance installée (GW) Etats-Unis (éolien) 250 >100 Chine (éolien) 350 150 Allemagne (éolien + PV) 125 + 40 50 + 35 France (éolien + PV) 59 + 6 25 + 5 Tableau 3 : Prévisions de production d’électricité d’origine renouvelable. A l’horizon 2020, la France prévoit une puissance éolienne installée de 25 GW pour une énergie produite de 59 TWh. La consommation de deux millions de VE s’élèvera à environ 5 TWh (1/10e ). Figure 4 : Modes de recharge des véhicules électriques. Les modes 3 et 4 permettent une charge intelligente, alors que dans les modes 1 et 2, la puissance appelée ne peut être négociée entre le véhicule et le point de charge. Le mode 3 est le mode recommandé pour les infrastructures dans les bâtiments et les habitations. REE N°2/2013 71 Les infrastructures de recharge des véhicules électriques le point de charge est une simple prise électrique : le véhi- cule se comporte comme une charge électrique standard - pondent au cas où la charge est gérée : le véhicule dialogue avec l’installation, pour assurer la vérification des conditions de sécurité pendant la charge ainsi que la gestion de la puissance de charge. Les équipements L’offre des fabricants d’équipements d’infrastructure est aujourd’hui suffisamment riche pour répondre à la variété des besoins des installations. Dans tous les cas, la sécurité de la recharge, pour la per- sonne, pour le véhicule et pour l’installation sur laquelle il se connecte, est essentielle. Cette contrainte se traduit dans les normes produits et les règles d’installation. A ce titre, la des prestations exigées lors de l’installation. En plus des équipements de charge visibles du public, des équipements et des logiciels permettent la gestion de cette infrastructure : gestionnaires de grappes de bornes, logiciels de supervision, systèmes de paiement, de réser- vation… Ces équipements sont installés conformément aux règles d’installation en vigueur, pour assurer la sécurité maximale. Figure 5 : Les équipements de charge existent en version wallbox (usage domestique), coffret ou borne sur pied pour parking, stations de charge rapide AC et DC. Source Schneider Electric. Figure 6 : Installations types en maison individuelle, ou en immeuble, utilisant les mêmes types d’équipement terminal (prise simple, wallbox, coffret ou borne de charge). Source : « Recueil Pratique » co-écrit par le Gimelec, le Serce, Ignes, FFIE et FGME. 72 REE N°2/2013 LE VÉHICULE ÉLECTRIQUE (2) Les illustrations de la figure 6, issues du recueil pratique établi par la profession, montrent les points de charge instal- lés dans différents configurations de bâtiments. Pour les installations sur la voie publique, le Livre Vert, élaboré par les autorités françaises à l’usage des collectivités, définissent l’ensemble des règles applicables à ces installa- tions ainsi que les éléments pour l’analyse économique de ces investissements. Conclusion Après de nombreuses tentatives de développement du assistons enfin depuis 2011 au vrai démarrage de la mobi- lité électrique. A côté d’une offre de constructeurs auto- mobiles qui s’enrichit à rythme soutenu, les fabricants ont mis sur le marché les solutions qui permettent de déployer des infrastructures performantes et économiques. Asso- ciée à une forte volonté des puissances publiques afin de réduire l’empreinte CO2 , cette conjonction des efforts est la garantie d’un développement irréversible des véhicules électriques. Par les exigences nouvelles de gestion d’éner- gie qu’impose la mobilité électrique, cette infrastructure illustre parfaitement ce que seront les réseaux intelligents de demain. Références 2012. Guide pratique – Installations d’alimentation de véhicules électriques ou hybrides rechargeables par socle de prise de courant » - 2013. Claude Ricaud - nelle à France Télécom dans les Lignes Longues Distance, puis que directeur scientifique et technique. Claude Ricaud dirige le L'AUTEUR