8-E : EcologiE / EconomiE / EnergiE / ElectriquE: 11 - L’énergie dans les transports

Ils tirent leur énergie presque exclusivement des carburants conventionnels, gazole et essence, issus de la distillation du pétrole fossile, avec une très faible addition d’éthanol agricole renouvelable dans l’essence. Ces carburants sont parfaitement adaptés grâce à :

leur état naturellement liquide permettant un stockage (réservoir non pressurisé de petite taille) et une mise en œuvre (autrefois carburateur, désormais injecteurs) aisés,
leur pouvoir calorifique extrêmement élevé (44 MJ/Kg, soit 12 KWh/Kg),
leur coût HT très bas

C’est pourquoi leur remplacement est loin d’être simple !

Les inconvénients de ces carburants sont connus :

Non renouvelables
Emetteurs de CO₂ par combustion dans l’air
Pollution résiduelle, après d’énormes progrès en 30 ans ayant abouti à la norme Euro 6, satisfaisante si elle est respectée, ce qui est contesté dans le « dieselgate ».

Voie autoroutière urbaine

L’efficacité énergétique des moteurs a énormément progressé, avec une division par plus de 2 des consommations à puissance égale en 30 ans, mais elle touche actuellement à ses limites, d’autant que les normes de pollution ne facilitent pas les choses : il est difficile d’améliorer tous les paramètres à la fois !

Les boîtes de vitesses automatiques à double embrayage et rapports nombreux ont un apport important en permettant d’utiliser le moteur dans sa zone de meilleur rendement.

Mais simultanément, l’architecture des véhicules a évolué défavorablement :

depuis 1990, la part des monospaces et SUV, plus hauts, plus larges, plus lourds jusqu’à un récente prise de conscience, a augmenté au point de devenir majoritaire.
Leur masse a augmenté les forces de roulement et d’accélération, leur maîtresse section S a plus que compensé l’amélioration du Cx, et une bonne partie des progrès des moteurs a été ainsi dilapidée.
Il faudra, sous contrainte économique (taxe carbone ou émission maximum par véhicule) revenir à des véhicules architecturés selon l'économie, et non plus selon les volume et les performances, plus légers, plus bas, plus étroits, moins puissants et hybrides.

L’amélioration de l’efficacité énergétique passe par :

Une évolution de l’architecture vers des véhicules bas et légers, mais pas trop courts (Cx).

Une réduction des puissance thermiques surabondantes.

L’hybridation électrique qui permet elle aussi d’utiliser le moteur dans sa zone de meilleur rendement, de compenser la réduction de la puissance thermique, et de récupérer l’énergie cinétique au ralentissement. Elle est très pertinente en milieu urbain, mais moins sur autoroute. Nous donnons dans ce blog un exemple qui se contente de 2,3 litres d'essence aux 100 km.

Des infrastructures permettant d’écouler le trafic à vitesse aussi constante que possible, ce qui est peu compatible avec la généralisation des ronds-points.

L’utilisation de gazole dont l’efficacité énergétique est supérieure à celle de l’essence en raison du rapport volumétrique plus élevé : à puissance égale, un moteur diesel émet 15% de CO₂ de moins qu’un moteur à essence.

L’augmentation du nombre de passagers par véhicule, notamment grâce au covoiturage, informel ou en ligne (Blablacar…).

Mais l’efficacité énergétique ne permettra jamais de réduire massivement les émissions de CO₂ dues aux transports. Il existe deux solutions alternatives basées sur les deux vecteurs d’énergie, non dépourvues de graves inconvénients.

Véhicules électriques

(case n, 28 du tableau de synthèse)

Le moteur électrique a presque toutes les qualités : excellent rendement, silencieux, presque inusable, strictement dépourvu de pollution locale, capable d’une puissance de crête largement supérieure à sa puissance moyenne, vitesse de rotation de zéro à très élevée qui simplifie les transmissions, pas plus lourd qu’un moteur thermique à puissance de crête égale.

Malheureusement, il n’en va pas de même des batteries : malgré le progrès énorme apporté par les batteries lithium-ion et leur rendement acceptable de l’ordre de 80%, elles restent très coûteuses, typiquement un tiers de prix total du véhicule, énormément plus lourdes et plus volumineuses qu’un réservoir de carburant aboutissant à la même énergie mécanique, et de durée de vie limitée : on admet généralement qu’une batterie perd 30% de sa capacité après l’équivalent de 1500 cycles de charge / décharge complètes (typiquement 150 000 km), et doit alors être remplacée. Son chargement prend plusieurs heures, sauf à utiliser une charge rapide préjudiciable à sa durée de vie, là où l’on fait un plein de carburant en 3 minutes.

L’énergie électrique doit évidemment être produite. Si sa production est faite avec émission de CO₂ (centrale électrothermique fossile) le gain en émission sera au mieux faible (centrales à gaz à cycle combiné) et au pire négatif (centrales à charbon, et réduit par le rendement de batterie). La consommation globale d’un parc important de véhicules électriques sera loin d’être marginale et devra être anticipée par la construction de centrales électriques non émettrices de CO₂, et constamment disponibles. A ce jour, seules les centrales électronucléaires répondent à cette définition. On est en droit de s’interroger sur la politique allemande qui prétend promouvoir le véhicule électrique et fermer des centrales électronucléaires, alors que 40% de son électricité est produite à partir du lignite, particulièrement émetteur de CO₂ et de pollutions diverses, notamment particules fines !

L’économie de cette transition pose aussi de sérieux problèmes. Les carburants sont assujettis à la TICPE (Taxe Intérieure sur la Consommation de Produits Energétiques) qui est la contrepartie de la mise à disposition des infrastructures publiques gratuites, et qui constitue la majeure partir de l’assiette de la TVA. Ils sont ainsi un important contributeur aux finances publiques. Le passage à l’électrique fait disparaître presque totalement cette ressource fiscale par moindre volume d’achat, absence de TICPE, moindre assiette et moindre taux de TVA (abonnements), et la remplace par d’énormes subventions à l’achat des véhicules. Au plan économique, le régime actuel des véhicules électriques n’est pas durable !

Les véhicules tout-électriques pourront supplanter les véhicules conventionnels et concurrencer les hybrides, mais, sauf progrès imprévisible des batteries, uniquement pour un usage urbain et péri-urbain.

Notre blog a proposé deux solutions :

des véhicules thermiques hybrides légers et aérodynamiques, de cylindrée réduite, divisant par 2 les consommations actuelles

des véhicules tout-électrique avec caténaire permettant de rouler tout en rechargeant la batterie : rendement 100%, autonomie illimitée, mais lourd impact sur les voies routières dont une partie, autoroutes d’abord, devraient être munies de caténaires.

Les utilitaires légers tout-électrique sont bien adaptés aux les livraisons à domicile dont le marché est porté par la croissance des ventes en ligne, et devraient s’y développer rapidement.

Véhicules à hydrogène

(case n, 29 du tableau de synthèse)

Il s’agit en réalité de véhicules électriques dont l’électricité est fournie par une pile à combustible (PAC) alimentée en hydrogène gazeux à partir d’un réservoir pressurisé. Afin de ne pas dimensionner la PAC pour la puissance de crête du moteur, ces véhicules comportent toujours une petite batterie lithium-ion rechargée par la PAC, ou venant en appoint de la PAC, selon la puissance électrique consommée par le moteur.

Par rapport à un véhicule tout-électrique, un véhicule à hydrogène a les avantages suivants :

Le stockage de leur énergie dans un réservoir d’hydrogène à haute pression, dont la puissance massique est 2 à 3 fois supérieure à celle d’une batterie, et donc d’augmenter l’autonomie du véhicule.

La possibilité de faire « le plein » presque aussi vite qu’un véhicule conventionnel.

Et leurs inconvénients sont :

Le mauvais rendement de la chaîne de transformation « électricité vers hydrogène / hydrogène vers électricité », à savoir environ : 70% pour l’électrolyse x 50% pour la PAC = 35%, alors qu’un rendement de batterie est de l’ordre de 80%.

Le prix et la fragilité des PAC.

La très faible densité de l’hydrogène comprimé qui conduit à des réservoirs volumineux (16 litres à 700 bars pour 1 kg d’hydrogène), et lourds car devant résister à la pression élevée.

La nécessité de se recharger en hydrogène, qui suppose la création d’un réseau de distribution d’hydrogène constitué de stations, soit procédant à sa fabrication par électrolyse, soit approvisionnées par « hydroducs » ou par véhicules depuis des usines de production.

Le risque lié à la haute pression (700 bars, voire plus) d’un gaz hautement inflammable, à la diffusivité la plus élevée de tous les gaz, et explosif si mélangé à l’air.

Nous ne considérons ici :

ni la fabrication de l’hydrogène par reformage des hydrocarbures, moins chère mais non renouvelable et fortement émettrice de CO₂,

ni l’utilisation de l’hydrogène dans un moteur thermique conventionnel dont le rendement est inférieur à celui du couple PAC + moteur électrique, bien qu'il soit beaucoup plus facile à mettre en oeuvre.

En l’état actuel des PAC et du stockage, il n’est pas certain que le vecteur hydrogène puisse réellement concurrencer les véhicules de tourisme électriques. Dans un avenir lointain dépourvu d'hydrocarbures, on peut imaginer une segmentation du marché entre véhicules routiers à hydrogène et véhicules urbains tout-électriques.

Poids lourds
(colonne o, lignes 15, 26 et 28 du tableau de synthèse)

Par nature, leur architecture est liée à la réglementation en dimensions maximum (2,55 m x 4,2 m x 18,0 m) et en masse maximum (44 t), dites "maxicodes". Actuellement, le gazole est leur source unique d’énergie, parfaitement adaptée à leur usage essentiellement routier.

La majeure partie du transport routier interurbain par affrètement est effectué par des ensemble articulés maxicodes, tracteur plus semi-remorque, ces dernières étant souvent immobilisées au cours des chargements ou livraisons pendant que les tracteurs continuent à rouler avec d’autres remorques. Le tracteur est relativement court, et le moins lourd possible, pour ne pas réduire le volume et la charge utiles disponibles dans la remorque pour un total autorisé plafonné à 44 tonnes. Il est aussi très puissant, souvent plus de 400 KW, ce qui n'est pas un luxe (contrairement aux véhicules de tourisme), et s'explique aisément: un véhicule maxicode circulant à 90 km/h nécessite environ :

130 KW pour la force de roulement sur sol plan (hypothèse 1,2% de son poids)
130 KW pour la force aérodynamique (hypothèse Cx = 0,60)
200 KW pour un faible pente de 2%

soit un total de 460 KW, sur lequel aucune amélioration d'efficacité énergétique significative n'est envisageable. Ceci exclut pratiquement le recours à des batteries, et interdit donc toute hybridation analogue au tourisme, et plus encore le tout-électrique sur batteries.

La seule solution envisageable pour réduire fortement le gazole, est une hybridation sans stockage par deux moteurs de puissances proches, de l'ordre de 260 KW permanents chacun :

l’un électrique en continu pour usage sur autoroutes équipées de caténaires à 90 km/h sur sol plan, (mais travaillant à son maximum permanent, il n'a plus de capacité de crête supérieure).
l'autre diesel :

en appoint dans les côtes d'autoroutes électrifiées, à 90 km/h soutenus jusqu'à 2,5% de côte,
utilisé seul sur routes non électrifiées, à 70 km/h soutenus jusqu'à du faux plat de 1%.

La majorité de l’énergie du transport routier de marchandises pourrait ainsi être électrifiée. Il conserverait ses avantages de souplesse (porte à porte) qui lui ont permis prendre 90% du marché des transports de marchandise au détriment du ferroviaire qui était presque monopolistique un siècle plus tôt, mais qui souffre des ruptures de charges qu'il nécessite, et de la rigidité liée à son statut étatique.

Rappelons que le ferroutage, considéré comme une solution d’avenir à la fin du 20^ème siècle, ne s’est pas développé en raison des ruptures de charge qu’il impose, du gabarit ferroviaire (4,32 m au dessus des rails) incompatible avec la hauteur des poids lourds maxicode (4,20 m), et de sa rigidité.

Autobus urbains

(colonne p, lignes 15, 26 et 28 du tableau de synthèse)

Leur problématique est très différente, en raison de la faible autonomie qui leur est nécessaire, et de la sensibilité des villes aux différents types de pollution, et notamment au bruit.

Des autobus tout-électrique sont déjà en circulation, et la RATP envisage d’en équiper plusieurs lignes à court terme. Leur recharge est effectuée systématiquement au cours des stationnement aux terminus, et peut être complétée par de brèves recharges (dites « biberonnage ») par voie magnétique au cours des arrêts aux stations. Leur limite est leur coût, environ le double d’un autobus diesel, et, ici encore, la durée de vie de la batterie (qui pourra être lithium-ion, mais aussi LMP, lithium métal polymère, dite batterie chaude, qui requiert un branchement permanent hors utilisation, acceptable pour ce type d’application comparable aux « Autolib’ » de Bolloré, fabricant des batteries LMP).

Les autobus fonctionnant au GPL existent déjà. Ils offrent des avantages par rapport au diesel en matière de pollution locale (particules, bruit) mais, émettent au moins autant de CO₂, ils n’apportent rien en matière de changement climatique.

Autocars grandes lignes
(colonne p, lignes 15, 26 et 28 du tableau de synthèse)

Développés récemment en France, ils assurent de liaisons radiales ou transversales, parfois internationales, de longues distances. Plus lents, mais plus souples que le ferroviaire, ce mode de transport est le moins cher et la plus souple qui puisse exister.

Comme il est difficile de ralentir encore ce mode de transport par de longs arrêts pour recharge de batteries, il n'est guère envisageable de l'électrifier. Il restera diesel, sauf si les autoroutes à caténaires se développent. Il y aurait alors la place pour de autocars hybrides sans batterie, ou avec un petite batterie.

Transports ferroviaires
(colonne q, lignes 12, 15 et 28 du tableau de synthèse)

Rappelons que le ferroviaire ne consomme que 1% de l’électricité produite en France. Le réseau ferroviaire étant déjà très majoritairement électrifié, les électrifications complémentaires ne pourraient porter que sur des motrices auxiliaires de triage, ou des petites rames automotrices, pour lesquelles la justification économique n’est pas évidente pour un aussi faible enjeu.

Transports maritimes
(colonne r du tableau de synthèse)

Sa part commerciale, très prépondérante, relative aux cargos de tous type (vraquiers, porte-containers, pétroliers, méthaniers, grumiers, céréaliers...), aux paquebots de croisière, et aux bateaux de travail (remorqueurs, barges, dragues, grues...) échappe à la réglementations française, et se trouve donc en dehors de l'objet de notre blog qui se limite à la France. Quelques remarques techniques sont néanmoins intéressantes :

Le gazole y est roi

Avec l'augmentation des puissances des moteurs diesel, jusqu'à 12 cylindres de 2000 KW chacun, les turbines à vapeur ont disparu.

L'optimisation du point de fonctionnement du moteur avec le navire en charge à sa vitesse de croisière, est faite de puis longtemps pour des raisons économiques. L'efficacité énergétique consiste à éviter les trajets à vide, beaucoup plus qu'à en améliorer le rendement.

L'idée d'un voile "cerf-volant" analogue au kite-surf existe mais semble bien limitée : la surface d'une telle voile, qui doit pouvoir être envoyée et affalée par l'équipage, sera inévitablement insignifiante par rapport à la force de propulsion requise.

Des voiles sur mâts fixes, avec enroulement motorisé, pourrait être envisagées, mais modifieraient considérablement l'architecture du navire, au détriment de son coût et des manutentions portuaires, pour un apport énergétique qui resterait modeste. La viabilité économique semble lointaine.

Les paquebots de croisière ont beaucoup évolué, dans un sens fort peu maritime. les prestigieux paquebots d'antan, qui dépassaient 30 nds grâce à des turbines à vapeur de 120 MW pour réduire la durée de trajets transatlantiques, ont été remplacés par des paquebots un peu plus longs, beaucoup plus larges et haut, propulsés à 20 nds seulement par des pods (nacelles immergées et orientables sous la coque) électriques dont la puissance totale ne dépasse pas 60 MW. Ils sont alimentés par un ou plusieurs groupes électrogènes diesel de forte puissance destinés principalement à fournir l'énergie tertiaire (éclairage, climatisation, électroménager...), et accessoirement la propulsion. Cette architecture hybride série est idéale pour les manoeuvres portuaires autonomes, mais n'apporte rien au plan énergétique, mais au contraire le grève du rendement de la transmission électrique.

La propulsion nucléaire est utilisées par la marine de guerre pour deux applications : les porte avions rapides, et des sous-marins lanceurs d'engins. Ils sont munis de turbines à vapeur produite par des réacteurs à uranium enrichi, autorisant des puissances et vitesses très élevées, mais le choix du nucléaire résulte exclusivement de la recherche d'une autonomie pratiquement illimitée, et non de considérations économiques ou écologiques. Son utilisation à des fins commerciales n'est pas actuellement réaliste, pour de nombreuses raisons, mais il reste une solution lointaine pour de très grands navires.

La plaisance à la voile utilise des moteurs auxiliaires principalement diesel à injection mécanique pour des raisons de simplicité et de sécurité : ils continuent à fonctionner sans batterie, et le gazole est beaucoup moins inflammable que l'essence. On pourrait néanmoins améliorer leur efficacité énergétique en adoptant :

des injecteurs "common rail" à commande électronique (nécessitant une batterie en état de marche),
des inverseurs à deux vitesse avant permettant de donner deux optimum de fonctionnement,
et en renonçant aux hélices effaçables (bec de canard, MaxProp...) dont le rendement est toujours inférieur à celui d'une hélice à pas fixe.

Nous avons montré dans ce blog que l'hybridation n'apporte rien, et le tout-électrique non plus, si ce n'est dans certaines application de très faible puissance.

La plaisance motorisée se divise en deux catégories:

Des engins de recherche de vitesse pure : coques planantes, pneumatiques, semi-rigides, coques dures munis le plus souvent de moteurs hors-bord à essence qui peuvent désormais atteindre 300 KW (Chrysler) ! Leurs rendements ont fait de gros progrès, et leurs émissions se sont réduites, grâce à l'abandon des moteurs deux-temps et à l'adoption d'injecteurs électroniques. Mais une taxe carbone serait pleinement justifiée pour dissuader ces utilisations purement ludiques.

Des bateaux de croisière, souvent planants et donc très puissants, énormes consommateurs de gazole qu'il sera bon de taxer (TICPE, TVA et TC) pour dissuader l'utilisation à défaut de gain d'efficacité. Seule l'évolution de l'architecture vers des coques non planantes, dites "trawler" limitées vers 10 nds, éventuellement plus rapides s'il s'agit de catamarans légers à coques fines (ci-dessus) pourrait réduire énormément les émissions tout en conservant des temps de traversées acceptables.

Transports aériens
(colonne s du tableau de synthèse)

En dehors des avions de tourisme généralement munis de moteurs thermiques à essence, la totalité des avions de lignes est équipée de turboréacteurs ou de turbopropulseurs utilisant exclusivement du kérosène, variante aérienne du gazole. Celui-ci représente une part très significative des coûts des compagnies aériennes, ce qui a contraint les motoristes à développer des moteurs de plus en plus économes, notamment grâce à des matériaux d’aubages capables de travailler à des températures de plus en plus élevées, augmentant ainsi le fameux rapport de Carnot T₁ / T₂. L’efficacité énergétique a été grandement améliorée, mais elle ne progressera pas indéfiniment.

Le kérosène est presque irremplaçable dans une application où la densité énergétique est absolument critique, particulièrement pour des vols long-courriers. En dehors d’avions école électriques capables de voler 10 à 20 minutes à proximité de l’aéroclub, aucune solution par batterie n’est envisageable.

Une amélioration simple mais limitée, consisterait à n’utiliser les moteurs de l’avion que du décollage à l’atterrissage inclus, l’avion étant remorqué par un véhicule thermique de bien moindre consommation, ou mieux, électrique, pour tous les autres trajets au sol, sur les pistes ou aires de trafic.

Théoriquement, on pourrait concevoir des avions de ligne avec des moteurs identiques, au système d’injection près, alimentés en hydrogène. Comme il est exclu d’embarquer des réservoirs pressurisés, trop lourds, la seule solution est de remplir des réservoirs non pressurisés avec de l’hydrogène liquide juste avant le décollage. A énergie égale, ce carburant aura l’avantage important d’être presque 2,7 fois moins lourd que le kérosène, mais aussi l’inconvénient d’être 4,4 fois plus volumineux. L’avion sera ainsi plus léger, et nécessitera donc moins de portance, mais ses ailes, où sont logés les réservoirs, devront être plus épaisses, d’où une traînée augmentée, sauf à les placer dans le fuselage au détriment du volume utile. Difficile de prévoir le bilan final! Aucun retard au décollage ne sera admissible : l’hydrogène liquide à -253°C (20 °K) ne peut que bouillir naturellement, et l’hydrogène gazeux ainsi engendré doit être évacué s’il n’est pas consommé par les moteurs. Après l’atterrissage, l’hydrogène excédentaire devra être récupéré, et partiellement re-liquéfié.

Mais surtout, faire voler un appareil plein d’hydrogène hautement volatil et inflammable comporte un risque très élevé d’incendie ou d’explosion analogue à celle du Zeppelin gonflé à l’hydrogène, totalement incendié en 34 secondes en 1937.

Symboliquement, on peut affirmer que les dernières gouttes de pétrole serviront à faire voler des avions !

Pages

vendredi 8 décembre 2017

11 - L’énergie dans les transports