Comme souligné dans un autre article, l'efficacité énergétique du soleil à la roue du vélo électrique alimenté en électricité solaire est très largement supérieur à celui du vélo-muscle (facteur 200). Le bilan environnemental est également très favorable à la propulsion électrique (consommation en eau douce, surface/biodiversité etc.). Mais qu'en est-il au niveau du coût ? Quelle est la formule la plus économique ?

Un cycliste ayant une masse de 70kg et ayant un équipement de 10 kg (vélo + chaussures + vêtements + casque + bouteille d'eau)  doit fournir 75 W utile (puissance mécanique, au niveau des pédales) pour rouler à 20,5 km/h avec une bicyclette conventionnelle (sur du plat, sans vent). A noter que les 2/3 de cette puissance servent à contrer les frottements pneu/sol et qu'1/3 sert à contrer les résistances de l'air.  Référence : Calculateur de SportechOnline.com

Sachant que le rendement de la machine humaine en bonne santé et entrainée est de 24%, il doit en fait fournir une puissance de 300 W sous forme d'énergie biochimique (aliments) ingurgitée. (Référence : Whitt F. et Wilson D. (1982) Bicycling Science, MIT Presse, Cambridge, Mass., pages 151 à 188). A cette vitesse de 20,5 km/h, il parcourt 1km en 3 minutes, et en 3 minutes il consomme 300 W x 0,05 heures = 15 Wh.


Source :
http://www.med.univ-angers.fr/discipline/labo_neuro/cours/st/Physio%20SDD%20CM1.pdf

Pour parcourir 1km, un cycliste consomme donc environ 15Wh d'aliments, ceci étant directement liés à l'activité musculaire nécessaire pour actionner les pédales, c'est à dire en plus du métabolisme de base. Prenons un aliment relativement économique, les pâtes. Le contenu énergétique d'un kilogramme de pâtes est de  4 kWh (2 fois moins que le pétrole). Pour parcourir 1km à vélo, il faut fournir 15 Wh, soit 4 grammes de pâtes, et 4 grammes de pâtes coûtent 0.80 centime (avec le paquet de pâtes à 1 euro les 500 grammes en grande surface; les pâtes issues de l'agriculture biologique et vendues au niveau d'un commerce local coûtent plus cher, plus de 2 euros les 500 grammes; plus d'infos sur les prix des pâtes).

Equipons à présent le vélo d'une batterie permettant d'avoir une autonomie en mode 100% électrique de 41km. Un kg de batterie lithium phosphate moderne permet de stocker plus de 150 Wh, mais prenons une batterie de qualité très moyenne, 100 Wh/kg.  Sachant qu'il faut fournir une puissance de 75 W pour maintenir le vélo à une vitesse de 20 km/h, il faut 155 Wh pour parcourir 41km. une batterie de 1,55 kg suffit. Mais il convient d'intégrer le rendement du moteur électrique (90%), on passe à 1,72 kg.

 S'ajoute la masse du moteur électrique, des fils électriques et autres accessoires (280 grammes). L'électrification du vélo a un impact très faible au niveau de la masse globale du système vélo + cycliste. La masse globale passe de 70 + 10 = 80kg à 70 + 10 + 2 = 82 kg. Il faut alors fournir 76 W au lieu de 75W, on ne pourra donc pas parcourir 41km mais seulement 40km.

Pour effectuer avec le vélo 1km en mode 100% électrique à 20,5km/h, il faut fournir une puissance de 75W, soit en 3 minutes une énergie de 4 Wh. Sachant que le rendement de la prise à la roue (chargeur/batterie/moteur électrique) est de 72% avec les technologies actuelles, il convient en fait de fournir environ 5 Wh d'électricité. Mais prenons 10 Wh dans le cas d'une chaîne électrique de qualité très médiocre.  Sachant que le kWh photovoltaïque coûte environ 30 centimes dans des conditions moyennes en France * (le kwh standard sur le marché est vendu 10 centimes ; le kwh éolien coûte 7 centimes, le kWh nucléaire coûte 5,5 centimes), 1km en vélo électro-solaire (c'est à dire rechargé par un panneau photovoltaïque) coûte 0.30 centimes.

Bien sûr, il convient d'ajouter le coût kilométrique de la batterie. Un Wh de capacité batterie-lithium pour voiture électique coûte moins de 0,5 euros (Source: Deutsche Bank, Mettalithium, Renault-Nissan etc.). Sur de plus petits volumes, le coût  est un plus élevé, de l'ordre de 0.8 euro le Wh. Une batterie de vélo électrique avec une capacité de 175 Wh (par exemple 25 V, 7 Ah) coûte 140 euros. Avec 1000 cycles (les batteries modernes font plus de 2000 cycles), la batterie permet de parcourir : 1000 x 40km = 40000km. En tenant compte d'une baisse de 10% de la capacité de la batterie au bout de 1000 cycles, soit une dégradation moyenne d'environ 5% sur toute la période, on obtient 38000km au lieu de 40000km. En tenant compte du fait que l'on ne recharge pas la batterie quand elle est complètement vide mais quand il reste encore 20%, cela donne environ 30000 km

  Ce qui revient à un coût de 0.46 centime par kilomètre.

Bilan avec une batterie 1000 cycles :
0,30 (électricité solaire) + 0.46  (batterie) = 0,76 centime par kilomètre. 
( = 34 centimes les 100 km) 

Nous avons pris volontairement des hypothèses très défavorables à l'électrique. Avec des hypothèses basées sur les technologies disponibles aujourd'hui :
- 1 km à vélo électro-solaire coûte 0,15 centimes au lieu de 30 centimes (chaîne électrique efficace).
- 1km à vélo-électro-éolien coûte 0,03 centimes
- 1km-batterie (2000 cycles et avec le Wh à 0,5 euros au lieu d'0.8 euro) coûte 0,06 centimes.
Soit un coût global de : 0,03 + 0,06 = 0.09 centimes. 


Circuler en vélo électro-solaire coûte donc moins cher que de circuler à vélo-muscle-pâtes. Bien sûr, l'écart se creuse si le cycliste compense son activité physique par des pâtes accompagnées de sauce et de viande plutôt que des pâtes seules et non cuites (consommation de gaz ou d'électricité). Un kWh de viande coûte en effet bien plus cher qu'un kWh de pâtes.

Circuler à vélo-muscle pour la santé ? Oui bien sûr.
Circuler à vélo-muscle pour son porte-monnaie et pour la planète ? Il y a beaucoup mieux...

Olivier


* Un mètre carré terrestre reçoit chaque année environ 1500 kWh d'énergie solaire en moyenne (c'est à peu près le cas en France, située à une latitude moyenne). Le rendement d'un panneau photovoltaïque standard étant de 15% en moyenne, chaque mètre carré de panneau permet donc de produire environ 150 kWh électrique, soit 410 Wh par jour. Avec l'intallation, un mètre carré PV (100 Wc) coûte environ 800 euros (8€ le Wc avec tous les accessoires nécessaires http://www.outilssolaires.com/pv/prin-couts.htm ). Sachant que le panneau a une durée de vie supérieure à 20 ans, le panneau va produire plus de 3 MWh pendant sa vie. 800 euros / 3000 kWh = 27 centimes le kWh.


Le vélo électrique le plus rapide du monde :