Quelle est la différence de rendement entre un moteur thermique et un moteur électrique ?

Le rendement d’un moteur est le rapport entre l’énergie utile (principalement mécanique pour la propulsion) et l’énergie totale consommée. Le moteur convertit l’énergie reçue (électrique ou chimique) en énergie mécanique. C’est cette transformation qui est plus ou moins efficace selon les moteurs et qui détermine le « rendement ». Plus ce rendement est élevé, moins il y a de déperdition d’énergie (carburant ou électricité selon la nature du moteur). Par exemple, si le rendement d’un moteur est de 85%, il n’y a donc que 15% de l’énergie consommée qui n’est pas consacrée à la propulsion du véhicule.

A utilisation équivalente, le rendement des voitures électriques est plus de deux fois supérieur à celui des voitures thermiques. Mais dans quelles proportions ? « Il ne faut pas confondre le rendement de la chaîne complète de propulsion et le rendement du moteur, qui est un maillon de la chaîne complète », précise en préambule Gaëtan Monnier, directeur du centre de résultats mobilités de l’IFPEN*. Sur une voiture électrique, le rendement de l’intégralité de la chaîne de propulsion est composé de quatre éléments : « Le rendement de décharge de la batterie qui est de l'ordre de 97%, le rendement de l’électronique de puissance qui est compris entre 90 et 98%, le rendement du moteur, qui se situe entre 85 et 95%, et le rendement du réducteur, qui est de l'ordre de 97% », détaille-t-il. Ce qui donne un rendement global de la chaîne de propulsion situé entre 70 et 85%.

Du côté des voitures thermiques, le rendement varie selon le couple et le régime. « Au rendement maximum, les meilleurs moteurs essence traditionnels atteignent 42%, mais la différence peut être très importante selon l’usage et le style de conduite : en moyenne, on est autour de 25 à 30%. Côté diesel, les meilleurs moteurs ont un rendement de 44-45%, mais en moyenne, on est autour de 35% », explique-t-il, avant d’ajouter : « Sur une voiture thermique, il faut aussi prendre en compte le rendement de transmission de la boîte de vitesses, qui se situe autour de 97%. »

La différence est donc de taille entre le rendement d’un moteur thermique et celui d’un moteur électrique… Comment l'expliquer ? « La différence est due au mode de transformation de l’énergie. Un moteur thermique transforme une énergie chimique en énergie mécanique : on brûle l’énergie chimique du carburant, on chauffe des gaz qui montent en pression et on la transforme en énergie mécanique grâce à un piston et un mouvement de bielle-manivelle**. Il y a donc une cascade de rendement, avec des transformations successives, et de fait, des pertes thermiques importantes », détaille l'expert de l’IFPEN. « Il y a aussi des pertes par frottements dans le système mécanique… Même la meilleure machine thermique du monde aurait un rendement maximum de 65% ! », insiste-t-il.

Avec un moteur électrique, le mode de transformation induit beaucoup moins de déperdition : « On transforme un courant électrique en énergie magnétique, pour la transférer ensuite au rotor, qui est aussi un aimant, sous forme d'énergie mécanique. On fait passer un courant électrique dans un conducteur : c’est là qu’il y a quelques pertes thermiques. Il y a aussi quelques pertes mécaniques au niveau des roulements qui permettent la rotation du rotor », résume-t-il. En prenant en compte l’intégralité de la chaîne de rendement, depuis la centrale qui produit l’électricité, en passant par le réseau de distribution d’électricité et la recharge de la batterie du véhicule, il faut compter quelques déperditions supplémentaires. « Mais même en prenant tout cela en compte, on a un rendement final qui se situe autour des 70% », commente Gaëtan Monnier.

« Avec une motorisation hybride, on améliore le rendement moyen d'utilisation du moteur thermique. Le rendement d'une hybride essence peut monter jusqu'à 30-35% [vs 25 à 30 % pour une motorisation essence, NDLR] », explique Gaëtan Monnier. « En effet, avec le freinage régénératif du moteur électrique, on génère du courant, donc on récupère de l'énergie », poursuit-il. L’hybridation a moins d'effets positifs sur le rendement des motorisations hybrides diesel : « Il y a moins à gagner sur le diesel car on est déjà naturellement proche en usage du rendement maximum », ajoute Gaëtan Monnier.

*L'IFP Energies nouvelles (IFPEN) contribue à l'élaboration des politiques publiques et à la programmation à l'échelle nationale dans les domaines de la recherche, de l'énergie, de la mobilité, et plus largement de la transition énergétique.

**Le système bielle-manivelle est un assemblage mécanique qui permet la transformation du mouvement linéaire (extrémité de la bielle) en un mouvement de rotation (manivelle).