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janvier 2021

Voiture électrique et mix énergétique, le prix de la vertu...

Cet article est une (ébauche de) réponse à une interrogation de la rédaction du site Atlantico, qui accorde une grande importance dans ses colonnes au suivi de la mutation technologique de l'automobile dans toutes ses dimensions. Sous sa forme originelle, l'article a été publié le 20 février 2021. le point de départ de la réflexion est l'annonce d'un développement de Tesla en Inde alors que l'électricité y est produite, comme en Chine, majoritairement à base de charbon générateur de CO2.

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 Les émissions d’un véhicule électrique dépendent-elles de la source d’énergie ? 

Après des années de progression marginale, le développement rapide de la voiture électrique conduit à reposer le problème de la réalité de ses vertus environnementales.  La voiture « zéro émission » n’est effectivement qu’un slogan, la réalité de la production et de l’usage d’un véhicule étant bien différente car toute forme de mouvement d’un objet d’au moins 1500 kg nécessite de l’énergie.  Si les gouvernements ont subventionné batteries et moteurs électriques, c’est au nom de la lutte contre les émissions de CO2 des moteurs à combustion interne, essence ou diesel. Cette stratégie a fonctionné. En Chine, mobilisée pour exploiter l’abandon du moteur thermique comme levier majeur de développement d’une industrie automobile nationale, 5% du premier marché automobile mondial est désormais composé de véhicules électriques et 60% des bornes de recharge sont dans ce pays. Partout dans le monde, les annonces des constructeurs tant sur le nombre de nouveaux modèles électriques ou hybrides rechargeable que sur l’abandon, à terme, de la production de véhicules thermiques se multiplient.  GM, lors du CES de janvier 2021, a annoncé un investissement global de 27 milliards $ pour lancer, d’ici 2025, 30 nouveaux modèles électriques autour d’une technologie de batteries modulaires, Ultium, permettant une grande souplesse de design. L’objectif de GM est d’arrêter de produire en 2035 tout véhicule thermique. Volkswagen s’est engagé sur le même objectif pour 2040. La convergence de ces annonces qui font de la voiture électrique, longtemps visible dans les seuls salons automobiles, une réalité de marché laisse augurer un avenir radieux pour la propulsion électrique.

Au moment où le bannissement effectif des voitures thermiques commence ainsi à devenir crédible, au cours des vingt prochaines années, la pertinence de ce basculement de la mobilité thermique à énergie fossile vers la mobilité électrique, qui n’élimine en rien les énergies fossiles pour la production d’électricité, oblige à poser la question du gain global effectif en émissions de gaz à effet de serre.

Tesla est l’initiateur visionnaire de ce mouvement et en est devenu le principal bénéficiaire en devenant le leader mondial de la voiture électrique, avec 500 000 véhicules vendus en 2020. Dans sa conquête mondiale, Tesla vient d’annoncer, en janvier 2021, son intention de s’attaquer au marché indien et éventuellement d’y construire une usine. Il est dès lors naturel que ces succès et cette forte visibilité font de Tesla un des acteurs pointés comme responsables de l’intensification de l’usage de l’électricité carbonée dans des pays comme la Chine et l’Inde qui dépendent encore massivement du charbon.

Cette accusation n’est pas nouvelle. On trouve, dès l’origine du succès de Tesla, des comparaisons critiques entre les émissions de CO2 de la Tesla S et celles de véhicules thermiques analogues. Une étude publiée aux États-Unis par le MIT dès 2017 avait démontré que, tout au long de sa vie, la Tesla S produisait 226 g/CO2 par km contre une Mitsubishi Mirage à moteur essence 192 g/km. Mais les auteurs avaient souligné que l’étude avait porté sur le Midwest où la production d’énergie électrique est essentiellement le fait de centrales thermiques, alors que pour l’ensemble des États-Unis la Tesla était plus vertueuse. Le mix énergétique est d’ailleurs tout l’objet du débat. …

 Tesla mérite-t-elle d'être considérée comme une entreprise vertueuse ? 

Tesla se positionne comme le leader de l’innovation dans le véhicule électrique. Malgré le choix initial de véhicules puissants et emblématiques, comme les modèles S et X, Tesla souhaite la démocratisation de la voiture électrique et a réussi brillamment son pari grâce au Model 3 qui représente aujourd’hui 80% de ses ventes. Avec l’introduction de son petit SUV le model Y, c’est un nouveau créneau que l’entreprise entend maîtriser alors que la concurrence s’est organisée et que plus de 150 modèles électriques à batteries ou hybrides rechargeables sont aujourd’hui proposés sur les marchés.

Tesla, selon son emblématique patron, veut changer le monde. « Ce que fait Tesla », a-t- il déclaré en 2018, « est important pour toute vie sur terre ». Il ne cesse de répéter que Tesla qui a pour ambition de maîtriser toute la chaîne de valeur de la production d’énergie électrique, de la production de panneaux solaires, aux batteries stationnaires de stockage et bien entendu aux véhicules de transport, a une approche globale de l’énergie. Tesla travaille avec ses fournisseurs, comme Panasonic, pour améliorer l’efficience des batteries, allonger leur cycle de vie, rendre la recharge plus rapide tout en consommant moins de matières critiques, comme le cobalt, et favoriser la recyclabilité. L’objectif de Tesla, affirmé en 2020, est de se passer totalement du cobalt en adoptant la technologie lithium/phosphate/fer. Toutes ces actions ne sont pas seulement guidées par un souci environnemental, mais par le besoin de baisser les coûts des batteries qui représentent entre 30% et 40% du coût d’un véhicule électrique. L’objectif est de tomber à moins de 15% en 2030. Toutes les innovations doivent y contribuer. Le bénéfice environnemental est essentiel en même temps pour l’acceptabilité et pour la démocratisation du véhicule électrique.

La voiture électrique-est-elle compétitive face à une motorisation thermique ? 

Il est évident que c’est un sujet majeur au moment où le marché est en train de se révéler et où les gouvernements, à l’instar de la Chine, leader, envisagent d’alléger, pour des raisons de coût, leurs subventions à l’industrie. Compte tenu des enjeux environnementaux et politiques, de nombreuses études ont comparé les émissions des véhicules électriques et thermiques tant au cours du processus de production, qui intègre la production des batteries au lithium, qu’en circulation. Plus récemment, des critiques sont apparues sur les hybrides rechargeables qui, en fait, n’étant pas rechargées par leurs utilisateurs auraient des performances médiocres en émission de CO2 en perdant l’avantage de la propulsion électrique. Les conditions de réalisation de ces études comme les origines de leurs auteurs, constructeurs, structures publiques ou associations environnementalistes, peuvent entacher leurs conclusions. Selon l’organisation bruxelloise « Transport & Environnement », une synthèse de onze études sur le cycle complet de production d’une voiture électrique démontre que, sur toute sa vie, une voiture électrique émet 50% de moins de CO2 qu’une voiture thermique de même classe et, dans des pays à énergie électrique fortement carbonée, comme la Pologne, ce résultat reste à 25% au-dessous d’une voiture thermique conventionnelle.

Une des études qui fait référence émane d’un organisme indépendant américain, L’International Council on Clean Transportation (ICCT) est une ONG d’origine américaine indépendante sans but lucratif qui vise à fournir aux autorités de règlementation environnementale une recherche impartiale ainsi qu’une analyse technique et scientifique.  Sa mission est d’améliorer la performance environnementale et l’efficacité énergétique  du transport terrestre, maritime et aérien au profit de la santé publique et  de la réduction de l’impact du transport sur le changement climatique[i].

Cet organisme a joué un rôle majeur sur le dieselgate en démontrant, sans que ses conclusions techniques aient été remises en cause, que les constructeurs avaient triché sur le niveau réel des émissions de polluants (NOx et particules) en modifiant les réglages du moteur lors des cycles de tests. L’ICCT  a publié, en février 2018 ,une étude sur les effets de la production de batteries sur les émissions de CO2  sur le cycle de vie des voitures électriques.

Les conclusions de l’ICCT sont très importantes pour éclairer ce débat.  Elles sont sans ambiguïté :  l’impact carbone de la fabrication et du cycle de vie des  batteries des voitures électriques, en comparaison avec un modèle thermique équivalent, disparait au bout de 2 ans d’utilisation moyenne, et de 18 mois si les batteries sont rechargées avec les énergies renouvelables.  Outre une revue exhaustive de la littérature publiée depuis 2011, l’ICCT a comparé une Nissan Leaf et une Peugeot 208 1,6 Blue HDI, véhicule qui peut s’enorgueillir d’avoir le plus faible taux d’émission de CO2 en Europe.

  • Les émissions produites lors de la fabrication d’un pack de batteries sont similaires à celle produite lors de la fabrication d’un moteur à combustion interne moyen, soit 25% des émissions d’une voiture électrique pendant toute sa vie
  • L’impact en production de C02 d’un véhicule électrique est de 29% inférieure en Europe à celui d’un véhicule thermique optimisé
  • Le processus de production de batteries peut encore être largement optimisé, comme la gestion de la fin de vie des batteries, une batterie de puissance moins performante pouvant être exploitée en stockage.

 

Il ressort de cet intense travail d’analyse que la supériorité indéniable du véhicule électrique, reconnue par tous, est l’absence d’émission en ville et le silence de fonctionnement. L’inconvénient est le poids des batteries, de 250 à 600 kg, mais le problème environnemental le plus sérieux se situe en amont lors de la production des batteries, les conditions d’extraction du lithium, pour l’électrolyte, ou du cobalt, utilisé pour les cathodes, étant celles d’une industrie lourde peu connue pour être vertueuse, l’industrie minière. C’est une des raisons pour laquelle l’industrie tout entière mise sur des batteries moins polluantes, réduisant progressivement l’utilisation du cobalt et du lithium.

Même si les procédés de production de la batterie se révèlent rapidement plus vertueux, grâce à l’intensification de la recherche, il reste que les voitures électriques ont besoin d’électricité, soit transférée à partir du réseau électrique, soit produite à bord à partir d’hydrogène par des piles à combustible. La valeur environnementale de la propulsion électrique dépend donc de la qualité de la production d’énergie électrique ou d’hydrogène. Les pays qui ont naturellement un mix décarboné, soit grâce à la production hydraulique comme le Canada ou la Norvège, soit l’Islande avec la géothermie, sont les grands bénéficiaires de l’électrification puisqu’ils tendent vers une totale mobilité décarbonée. On peut aussi considérer que sur le strict plan de l’émission de CO2, l’énergie nucléaire présente les mêmes avantages, ce qui fait de la France un pays très favorable au développement d’un usage intensif des véhicules électriques. La Chine qui investit massivement sur l’hydraulique, le nucléaire et les énergies renouvelables, vise de passer de 70% d’électricité à base de charbon à moins de 20% en 2050. L’Inde qui dispose de trente années de réserves de charbon a un plan moins ambitieux de réduction de sa dépendance au charbon en développant massivement l’énergie solaire mais ce n’est qu’à partir de 2030 que le charbon verra sa part diminuer significativement. 

 

[i]  https://www.theicct.org/mission-history


Microprocesseurs, le nerf de la guerre

Il est une industrie discrète et méconnue du grand public, celle des microprocesseurs. Toutefois on lui doit, simplement, l'avénement de la société de l'information. Sans le microprocesseur, et ses performances exponentielles, rien de ce que nous utilisons chaque jour n'existerait. L'informatique serait restée une technique aride, coûteuse, centralisée, réservée aux entreprises et aux institutions. Le président d'IBM, Thomas Watson, ne disait-il pas dans les années cinquante qu'une douzaine d'ordinateurs suffiraient à couvrir les besoins du monde ? Ce scénario a été déjoué par l'invention du microprocesseur il n'y a que cinquante ans. Et le monde en a été profondément changé. Or concevoir et produire des microprocesseurs n'a rien de simple. Il s'agit en fait d'une des industries le plus sophistiquées jamais imaginées par l'homme. En 2021, elle est au coeur de tous les enjeux stratégiques.

 

#1 : Que ce soit pour la construction d’iPhone, de cartes graphiques ou de voitures, les puces électroniques sont essentielles mais ont souvent manqué ces derniers mois. Cette pénurie peut-elle durer dans le temps ? Est-ce uniquement la faute de la crise sanitaire ? 

On a souvent tendance en manipulant quotidiennement notre smartphone, en toutes circonstances, pour des usages multiples, à oublier qu’il s’agit d’un des ordinateurs les plus sophistiqués mis à disposition de l’homme, et pour quelques centaines d’euros. Cette puissante machine doit sa performance à la mise en œuvre d’une série de composants animés par le cœur du système, le microprocesseur. Le microprocesseur a fait naître une industrie complexe, interdépendante et dont la cohésion assure la performance technologique et industrielle.

L’industrie informatique qui a commencé son essor après la seconde guerre mondiale avec des ordinateurs à tubes à vide, coûteux et fragiles, a connu une accélération constante avec la mise au point des transistors, puis des circuits intégrés, à partir de 1963, enfin des microprocesseurs, inventés par Intel en 1971, dont le premier modèle, la 4004, rassemblait 2 300 transistors. En étant capable d’ajouter des millions de composants sur un composant de quelques centimètres carrés, l’industrie des microprocesseurs s’est engagée dans une amélioration constante de ses performances à coût constant. Aujourd’hui un microprocesseur rassemble plusieurs milliards de transistors. Cette révolution unique, formalisée dans la loi de Moore, doublement de la puissance de calcul tous les deux ans, a permis une démocratisation de l’informatique qui n’était pas concevable il y a cinquante ans. Le microprocesseur, ou chip en anglais, est vraiment le moteur de la révolution informatique, puis de son extension à l’ensemble des machines et applications grand public et professionnelles depuis le développement des smartphones au début des années 2000. Les semi-conducteurs représentent en 2020 un marché mondial de l’ordre de 500 milliards $. 

Les microprocesseurs sont en effet aujourd’hui intégrés dans tous les appareils électroniques, comme les téléphones portables, les ordinateurs ou les téléviseurs, mais aussi dans toutes les machines industrielles, comme les machines-outils, ou les appareils grand public. Ils ont conquis le traitement de l’image, l’électroménager et maintenant l’automobile. Dans une voiture moderne, on va trouver plus d’une centaine de microprocesseurs. De fait, la demande de microprocesseurs ne cesse d’augmenter avec le développement des usages et l’attente de performances sans cesse grandissantes. Miniaturisation, baisse de la consommation électrique, amélioration de la capacité de communication font des microprocesseurs le cœur universel et banalisé de notre société moderne. Dans une tendance de long terme à la hausse, le coronavirus a simultanément conduit à baisser la production de microprocesseurs et a accéléré la demande d’appareils électroniques et d’outils de communication avec le lancement commercial de la 5G.  Les flux commerciaux ont aussi été perturbés par les sanctions économiques des Etats-Unis contre la Chine. 

Car le processus de fabrication de ces outils est complexe et coûteux. Cette industrie est en fait composée de deux branches majeures distinctes : ceux qui conçoivent l’architecture des processeurs, comme le britannique ARM, Nvidia, Qualcomm ou désormais Apple et ceux qui les fabriquent, que l’on appelle les fondeurs. Un troisième groupe d’industriels assemblent, et contrôlent les processeurs. Les concepteurs s’appuient sur des technologies de software de design des applications, nommées EDA (Electronic Design Applications). Intel reste leader de ce marché avec 65 milliards $ de chiffre d’affaires.  L’activité de fonderie des microprocesseurs est dominée par deux firmes asiatiques, le taïwanais TSMC (Taiwan Semiconductor Manufacturing Co), qui détient 50% du marché mondial, avec 36 milliards$ de revenus et Samsung Electronics. Samsung Electronics maîtrise toute la chaine, et le groupe Samsung est son premier client. La position de TSMC est donc unique et incontournable. C’est une firme convoitée, notamment par les Etats-Unis qui a obtenu qu’elle installe une usine sur son territoire avec un investissement de 12 milliards $ en Arizona.

Une usine de microprocesseurs est un ensemble ultra-précis et complexe, capable de graver des composants au-dessous de 10 nanomètres (nm), et dont l’investissement atteint 10 milliards $. TSMC vient d’investir 25 milliards $ pour fabriquer des puces de 5 nm. Samsung engage 20 milliards $ pour sa prochaine usine, disponible en 2022, pour la prochaine génération de puces gravées à 3 nm. Samsung a annoncé un plan de 116 milliards $ pour devenir leader mondial en dix ans. Or les machines les plus avancées ont besoin de processeurs de 7 nanomètres, et au-dessous, notamment pour la 5G ou l’intelligence artificielle. Ceci constitue l’enjeu stratégique majeur de l’économie mondiale. Les technologies antérieures, de 28 à 350 nm, restent compétitives pour les usages les moins pointus notamment en automobile, en robotique dans les machines industrielles.

#2 : Comment le manque de puces peut-il affecter l’industrie ? Quels sont les produits du marché qui seront impactés par ce problème d'approvisionnement ? 

La production de microprocesseurs dépend d’un nombre réduit d’acteurs qui constituent un goulot d’étranglement non contournable car il n’y a pas à court terme de solutions alternatives. Toute rupture d’approvisionnement en microprocesseurs, mais aussi de mémoires, a des conséquences en chaîne sur l’industrie. Tous les secteurs sont donc aujourd’hui dépendants des livraisons de l’industrie des microprocesseurs. Les délais de livraison sont passé de quelques semaines à plusieurs mois. Des lignes de montage automobiles ont été arrêtées, Qualcomm, qui alimente l’industrie mondiale des téléphones mobiles a baissé sa production avec des conséquences sur la production par Apple des iPhone 12, General Motors annonce des réductions de production de véhicules. Ce sont donc des réactions en chaîne qui perturbent toute l’industrie à un moment crucial de sortie de la crise sanitaire qui devrait permettre une relance dans le courant de l’année 2021.

#3 : Les industriels européens peuvent-ils réagir à cela en créant leur propre chaîne d’approvisionnement ?

Comme dans beaucoup de secteurs liés à la révolution numérique, l’Europe n’a pas su, ou voulu, se doter de son industrie propre et a préféré acheter aux États-Unis et en Asie les composants dont elle avait besoin pour son industrie. L’Europe n’a pas de fondeur et très peu de fabricants de microprocesseurs, qui sont spécialisés comme Infineon, allemand, NXP, hollandais, et STMicrolectronics, franco-italien. Ces trois industriels cumulent un chiffre d’affaires de 26 milliards $ soit la moitié de Samsung Electronics. Il parait improbable de rattraper ce retard technologique et de trouver les ressources pour être compétitif dans la production de masse. De fait la demande de l’Europe est faible. 6% des ventes de TSMC se font en Europe contre 60% aux Etats-Unis.

Toutefois, ASML le leader mondial des machines lithographiques indispensable à la fabrication des puces est une firme européenne de taille mondiale. C’est une société hollandaise, issue de Philips, créée en 1984 à Eindhoven, aux Pays-Bas, et devenue indépendante en 1995. Elle emploie 25 000 personnes dans le monde. Chacune de ses machines de dernière génération (Extreme ultraviolet lithograph ou EUV) est facturée près de 200 millions $, c’est-à-dire le prix catalogue de deux Airbus A320. Personne ne sait aujourd’hui concurrencer ASML, mais il est clair que l’ambition de la Chine, qui importe 80% de ses processeurs, est de se doter d’une industrie complète de microprocesseurs indépendante des technologies occidentales, ce qui lui prendra au moins une décennie.

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Image: TSMC


Le paradoxe de la révolution électronique est que la Chine a accumulé du retard dans la conception et la fonderie, n’ayant que quelques industriels dans ces domaines (HiSilicon, filiale de Huawei, pour la conception, SMIC pour la fonderie) qui sont de petite taille par rapport à leurs compétiteurs. Elle est en revanche beaucoup plus développée sur l'aval de l'industrie, qui nécessite moins de compétences technologiques pointues et a permis à la Chine de faire valoir ses atouts économiques. La Chine importe chaque année 300 milliards $ de microprocesseurs des Etats-Unis et représente 25% des ventes de l'industrie américaine. Il lui manque 300 000 ingénieurs pour combler son retard. Mais, pour conquérir son indépendance, et desserrer la contrainte stratégique que fait peser la politique américaine sur sa souveraineté militaire, elle est décidée à y jeter toutes ses forces économiques et technologiques, et elle en a les moyens. L’Europe, elle, se retrouve impuissante face à la compétition frontale entre la Chine et les Etats-Unis dans ce domaine stratégique et ne semble pas en mesure de combler son retard, alors qu'elle en a besoin pour ses ambitions de souveraineté numérique dans le quantique et le calcul à haute performance. 

NB : ce texte également publié sous une forme similaire sur le site Atlantico.