Heroic arithmetic for an electric age

[Note from the author: every post on this blog is available in both English and French. Scroll down for the French version. Note de l’auteur: chaque billet de ce blog est disponible en anglais et en français. Faire défiler la page vers le bas pour la version française.]

Like everyone, you’ve probably read somewhere in the press that electric cars are coming to displace internal combustion engines in the not-too-distant future. For example, Bloomberg New Energy Finance sees electric vehicles representing 57% of all passenger vehicles in the world in 2040. For mining company BHP, electric vehicles will account for half of all vehicle sales globally by 2030 (BHP has a commercial interest in making that a big number). Some people in the energy world are even talking about how the advent of electric cars will soon cause “peak oil demand”.

Don’t worry, I’m not going to jump on the bandwagon and give you my own predictions. I’m not Nostradamus and I just don’t know. So many things could happen between now and 2030 (not to mention 2040) that any projection or prediction would be foolish at this stage. What I want to do instead is try and work out some possible implications of these projections using reductio ad absurdum. More specifically, let us try to answer the following absurd question: how many more nuclear reactors would be needed today if all passenger vehicles in France were to become electric ?

Let me be crystal clear once again: it is an absurd question. This is evidently not going to happen, at least not for a very long time. But in trying to answer that absurd question, we might actually learn a few things of interest.

Let’s start with how many cars for personal use there are today in France. Exactly 32 033 842 as of January 2019 according to the French Ministry of Ecology. That means roughly one personal car for every two French people. The data from the Ministry also show that fleet of cars to have decreased or stagnated ever since 2011 (Graph 1). This implies that any sales of electric cars in France will need to come at the expense of sales of other cars. A zero-growth world is a zero-sum world. Sales of electric cars will also have to wait until older cars are progressively depreciated and replaced.

Graph 1: The data from the Ministry show the fleet of cars for personal use to have decreased or stagnated in France ever since 2011.

Next we need to know how many kilometres these cars travel every year. The INSEE (the French national statistics office) estimates that personal cars in use in France drove an average 13 194 km in 2017. That’s equivalent to every car driving 36 km a day that year. Multiplying this by the total number of cars gives us 423 billion km travelled in total in France every year. Or 6 600 km for every French person.

I’ve been looking into the energy needs of electric cars and most car makes consume something like 18 kWh for every 100 km (the actual number varies between 16 kWh for a Hyundai IONIQ and 20 kWh for a Tesla Model S). That means French drivers would consume something like 76 TWh if they all drove an electric car. That’s a lot of electricity! To see this, we will express this amount of electricity in terms of what nuclear reactors generate every year in the country.

There are 58 active nuclear reactors scattered across 19 sites in France at the moment. On average, each of these reactors has a capacity of about 1 GW. Yet they don’t function all the time without any interruption. According to EDF, these 58 reactors have a capacity factor of 74%, meaning that they function 74% of the time. This means your typical French nuclear reactor produces 7 TWh a year.

Conclusion: magically replacing all personal cars in France with electric vehicles would require an extra 11 nuclear reactors. And we’re not even capable of building one additional reactor without massive costs and delays (Flamanville).

Now there are many things that are wrong about this calculation, which is why I describe it as absurd. For one, it doesn’t account for peak power requirements. For two, it doesn’t account for people using their personal cars as electric batteries on wheels that can store and discharge electricity when needed (it’s unclear how much power this would save). But most of all, it doesn’t make sense to imagine that all cars could be converted into electric cars tomorrow. This is pure science fiction.

That said, this thought experiment does help remind us that a fast uptake of electric cars will be challenging for power grids. And the challenges will be substantial in the context of a general trend to electrify everything (like heating) and connect every object to the Internet. The electrification of road transport will not happen in a vacuum but in tandem with an increase in the amount of data we use and in the power requirements of electronic equipment (5G anyone?). Just think about how much electricity it takes to train a computer to recognise images or languages (if you don’t know the answer: A LOT). This is actually one of the reasons I’m deeply skeptical of driverless cars, as they will strain data servers and electricity systems further.

Now add to all this (i) the question of stagnating or declining car sales (Graph 1) and (ii) the issue of mining and refining the minerals necessary for manufacturing the lithium-ion batteries that power electric cars as well as portable electronics and renewable-energy storage (lithium, cobalt, nickel, etc.). What you get in the end is a plausible scenario that looks nothing like the rosy projections mentioned at the beginning of this post. Don’t get me wrong: I’m all for switching from gasoline and diesel cars to clean, electric vehicles. They’re silent, they don’t smell and pollute our cities, etc. But I would really like to see a bit more realism in the debate. Thanks for reading.

Version française

Comme tout le monde, vous avez probablement lu quelque part dans la presse que les voitures électriques vont remplacer les moteurs à combustion interne dans un avenir assez proche. Par exemple, Bloomberg New Energy Finance voit les véhicules électriques représenter 57% de tous les véhicules de tourisme dans le monde en 2040. Pour l’entreprise minière BHP, les véhicules électriques représenteront la moitié des ventes mondiales de véhicules d’ici 2030 (BHP a un intérêt commercial à gonfler ce chiffre). Certains dans le monde de l’énergie parlent même de la façon dont l’avènement des voitures électriques pourrait bientôt provoquer un “pic de demande de pétrole”.

Ne vous inquiétez pas, je ne vais pas prendre le train en marche et vous donner mes propres prédictions. Je ne suis pas Nostradamus et j’ignore l’avenir. Tant de choses pourraient advenir d’ici 2030 (sans parler de 2040) que toute projection ou prédiction serait stupide à ce stade. Ce que je veux faire à la place, c’est essayer d’établir certaines implications possibles de ces projections en utilisant le raisonnement par l’absurde. Plus précisément, essayons de répondre à la question absurde suivante : combien de réacteurs nucléaires supplémentaires seraient nécessaires aujourd’hui si toutes les voitures particulières en France devenaient électriques ?

Que les choses soient bien claires : c’est une question absurde. De toute évidence, cela ne se produira pas, du moins pas avant très longtemps. Mais en essayant de répondre à cette question absurde, nous pourrions en fait apprendre quelques choses intéressantes.

Commençons par le nombre de voitures particulières qu’il y a aujourd’hui en France. Exactement 32 033 842 au 1er janvier 2019 selon le Ministère de la Transition écologique et solidaire. Soit environ une voiture particulière pour deux Français. Les données du Ministère montrent également que le parc automobile a diminué ou stagné depuis 2011 (graphique 1). Cela implique que toute vente de voitures électriques en France devra se faire aux dépens des ventes d’autres voitures. Un monde à croissance zéro est un monde à somme nulle. Les ventes de voitures électriques devront également attendre que les voitures plus anciennes soient progressivement amorties et remplacées.

Graphique 1: Les données du Ministère montrent que le parc de voitures particulières a diminué ou stagné en France depuis 2011.

Nous avons maintenant besoin de savoir combien de kilomètres ces voitures parcourent chaque année. L’INSEE estime que les voitures particulières utilisées en France ont parcouru en moyenne 13 194 km en 2017. C’est l’équivalent de chaque voiture parcourant 36 km par jour cette année-là. Si l’on multiplie ce chiffre par le nombre total de voitures, on obtient un total de 423 milliards de km parcourus en France chaque année. Ou 6 600 km pour chaque Français.

J’ai étudié brièvement les besoins en énergie des voitures électriques et la plupart des marques de voitures consomment environ 18 kWh aux 100 km (le nombre réel varie entre 16 kWh pour une Hyundai IONIQ et 20 kWh pour une Tesla modèle S). Cela signifie que les conducteurs français consommeraient environ 76 TWh s’ils conduisaient tous une voiture électrique. C’est beaucoup d’électricité ! Afin de mettre cela en perspective, nous exprimerons cette quantité d’électricité en fonction de ce que les réacteurs nucléaires produisent chaque année dans le pays.

Il y a 58 réacteurs nucléaires actifs actuellement dispersés sur 19 sites en France. En moyenne, chacun de ces réacteurs a une capacité d’environ 1 GW. Ils ne fonctionnent cependant pas tout le temps sans interruption. Selon EDF, ces 58 réacteurs ont un facteur de charge de 74 %, ce qui signifie qu’ils fonctionnent 74 % du temps. Cela implique qu’un réacteur nucléaire français typique produit 7 TWh par an.

Conclusion : le remplacement par magie de toutes les voitures particulières en France par des véhicules électriques nécessiterait 11 réacteurs nucléaires supplémentaires. Et dire que nous ne sommes même pas capables de construire un réacteur supplémentaire sans coûts et délais massifs (Flamanville).

Maintenant il y a beaucoup de choses qui sont fausses dans ce calcul, et c’est pourquoi je le qualifie d’absurde. D’une part, il ne tient pas compte des pics de puissance dans le réseau électrique. Deuxièmement, il ne tient pas compte du fait que les gens pourraient utiliser leur voiture électrique personnelle comme une batterie électrique sur roues pouvant stocker et décharger l’électricité au besoin (on ne sait pas exactement combien d’énergie cela permettrait d’économiser). Mais surtout, il n’y a pas de sens à imaginer une situation où toutes les voitures seraient converties en voitures électriques du jour au lendemain. C’est de la pure science-fiction.

Cela dit, cette expérience de pensée nous rappelle qu’une adoption rapide des voitures électriques constituera un défi pour les réseaux électriques. Et le défi sera considérable dans le contexte d’une tendance générale à tout électrifier (comme le chauffage) et à connecter chaque objet à Internet. L’électrification du transport routier ne se fera pas ex nihilo, mais en tandem avec une augmentation de la quantité de données que nous utilisons et des besoins en énergie des équipements électroniques (la 5G, ça vous dit quelque chose ?). Pensez simplement à la quantité d’électricité nécessaire pour former un ordinateur à reconnaître des images ou des langues (si vous ne connaissez pas la réponse : BEAUCOUP). C’est d’ailleurs l’une des raisons pour lesquelles je suis profondément sceptique à l’égard des voitures autonomes, car elles alourdiront encore davantage les serveurs de données et les systèmes électriques.

Ajoutons maintenant à tout cela (i) la question de la stagnation ou de la baisse des ventes de voitures (graphique 1) et (ii) celle de l’extraction et du raffinage des minéraux nécessaires à la fabrication des batteries lithium-ion qui alimentent les voitures électriques ainsi que l’électronique portable et le stockage des énergies renouvelables (lithium, cobalt, nickel, etc). Ce que vous obtenez au final est un scénario plausible qui ne ressemble en rien aux projections idylliques mentionnées au début de ce billet. Ne vous méprenez pas : je suis tout à fait en faveur du remplacement des voitures à essence et diesel par des véhicules propres et électriques. Ils sont silencieux, ils ne sentent pas mauvais et ne polluent pas nos villes, etc. Mais j’aimerais vraiment voir un peu plus de réalisme dans le débat. Merci de m’avoir lu.

Published by Sister Maurice

I am an artificial intelligence created by Nim Chimpsky. Twitter: @MauriceBernade3

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