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mercredi 30 janvier 2019

VE6 Comparaison VE / VT polyvalent


Le VE : Innovation pérenne ou rêve écologiste ?
« Dans un monde inondé d’informations sans pertinence, le pouvoir appartient à la clarté. »  Yuval Noah Harari


VE6 - Comparaison CO2 VE / VT polyvalent

6.1. Configurations envisagées

La comparaison porte sur 4 véhicules typiques :
  • VT Essence de 1 300 kg (toutes les masse sont des « PTC »)
  • VT Diesel de 1 400 kg
  • VT Hybride à essence de 1 500 kg
  • VE Electrique de 1 800 kg, équipé d’une batterie de 60 KWh, chargé par de l’énergie électrique de 7 origines possibles :
    • Electrothermique au charbon
    • Electrothermique au fioul
    • Electrothermique au gaz conventionnel
    • Electrothermique au gaz à cycle combiné
    • Electronucléaire pure
    • Issue du mix moyen français de l’année 2017
    • Issue du mix moyen allemand
On aboutit donc à 10 configurations, dont 3 VT plus 1 VE rechargé selon 7 filières.


6.2. Hypothèses de modélisation adoptées

6.2.1. Energie mécanique requise aux 100 km : Nous y intégrons :
  • Travail de la force de roulement,
  • Travail de la force aérodynamique
  • Toute l’énergie cinétique créée pour les VT essence et diesel
  • Un tiers de cette énergie pour le VT hybride et le VE qui en récupèrent les deux tiers.
  • Aucune énergie potentielle
6.2.2. Rendement du « carburant » électrique


Ce rendement qui reste toujours bon prend en compte deux facteurs :
  • La batterie : toute l’énergie électrique y rentre et en sort avec un rendement estimé à 80%
  • Le moteur : son rendement baisse un peu quand le couple croît, mais ce dernier n’est pas toujours au maximum. On adopte 95%
  • Rendement global : 80% x 95% = 76%
6.2.3. Rendement du carburant thermique

La détermination du rendement qui est médiocre (principe de Carnot) est complexe. Nos hypothèses sont résumées ci-dessous :

Rendements moteur VT
Polyvalent
10 à 130 km/h
Urbain 10 à 70 km/h
Détermination
Diesel
34%
25%
Tableau ci-dessous
Essence
29%
22%
Coeff. diesel x 0,85
Hybride essence
37%
27%
Empirique

6.1.1.2.                       Calcul des énergies requises

Méthodologie :

Les paramètres déterminent les énergies, puis le « carburant » requis, mécanique ou électrique

 

Pour chaque masse, nous avons établi un tableau de 13 lignes, de V=10 Km/h à V=130 Km/h par incrément de 10 km/h. Quatre tableaux ont ainsi été établis pour 1300 Kg, 1400 Kg ci-dessous à titre de spécimen, 1500 Kg et 1800 Kg.


Les colonnes donnent les énergies mécaniques, rendements et énergie « carburant » requises par les véhicules :
  • VT D, VT E, et leur moyennes générales et urbaines
  • Rendements et rendements moyen général et urbain
  • Les moyennes pondérées sont calculées sur des plages de vitesse :
    • Polyvalent 10 à 130 Km/h
    • Urbain : 10 à 70 Km/h
  • Les deux colonnes de droite donnent les énergies en base 100 à 130 KM/h.
6.1.2.                  Tableau de calcul du CO2 en usage polyvalent

Les énergies requises aux niveaux « Carburant » et « Mécanique » étant ainsi déterminées, la méthodologie de calcul du CO2 émis figure ci-dessous. On notera que le rendement de Carnot, toujours mauvais, intervient dans les deux cas :

  • Au niveau du moteur thermique du VT 
  • Au niveau de la centrale électrothermique pour le VE
  • Sauf dans le cas de l’énergie électrique hydraulique, éolienne et PV qui ne passent pas par l’énergie thermique, mais qui sont très minoritaires.


Codes couleur :
  • Fond vert : Entrées
  • Chiffres noirs : VT
  • Chiffres bleus : VE
  • Lignes rouges : résultats intermédiaires essentiels
  • Deux dernières lignes en gras : résultat final en termes de CO2.
6.1.3. Résultats et graphes en usage polyvalent

Les consommation moyennes calculées selon ce tableau (7,2 l d’essence ou 5,5 l de gazole aux 100 km) sont largement supérieures aux consommations NEDC, mais elles seront reconnues par les utilisateurs comme étant conformes à l’utilisation réelle, ce qui valide les hypothèses adoptées.

Les émissions  de CO2 de chaque configuration résultant de ce tableau en fonction du kilométrage parcouru, figurent ci-dessous ;
o   en cumul (tonnes)
o   et par kilomètre (gr/Km





Les écarts considérables d’émissions des VT par rapport aux chiffres NEDEC qui sont autour de 110 gr/km, s’expliquent aisément par la prise en compte :
  • De la réalité des consommations, soit +40 gr/km, pour un total de 150 g/km
  • Des émissions amont, évaluée à 20% (selon VE4), soit 30 gr/km, aboutissant à 180 gr/km, asymptote des courbes pour les kilométrages élevés
  • De la TC de fabrication, fixe, donc inversement proportionnelle au kilométrage, et donc extrêmement élevée en début d’utilisation
Le dossier « CO2 Monde » des Echos du 4 décembre donne une moyenne de 259 gr/Km pour un VT essence, cohérente avec ce graphe


6.1.4.              Conclusions sur les TC en usage polyvalent

Courbes en pointillés : véhicules tirant toute leur énergie du carburant.
  • VT à essence, meilleur jusqu’à 40 000 km
  • VT diesel, meilleur  de 40 000 km à 90 000 km
  • VT hybride, pénalisé par sa TC de fabrication plus élevée (batterie, double motorisation), meilleur au-delà de  90 000 km
Courbes en traits pleins, relatives au même VE selon l’origine de son énergie électrique de recharge
  • Française ou nucléaire ou renouvelable, le gain en CO2 est massif au-delà de 45 000 km.
  • Issue du charbon, le VE émet deux fois plus que le VT.
  • Issue des autres filières fossiles, 3 courbes proches) : seule la mieux placée (gaz à cycle combiné) permet au VE de faire mieux que le VT :
    • A essence au-delà de 110 000 km,
    • Diesel au-delà de 150 000 km
    • Hybride à essence au-delà de  200 000 km.
  • Issue du mix allemand, le VE émet plus que le VT, même pour des kilométrages élevés !
Finalement, la seule configuration qui réduit significativement les émissions de CO2 est celle qui réunit :
  • Le VE
  • Et les seules filières renouvelables et nucléaire
6.1.5. Et si on changeait de point de vue ?

« Carburant » requis selon la vitesse, base 130 km/h

Revenons sur les 2 colonnes de droite du tableau des énergies requises de 6.1.1.2., qui donne les besoins en carburant du VE et du VT D, avec base 100% conventionnelle à 130 km/h.



Partant de 130 km/h (au sens du tableau en 6.1.1.2. ci-dessus, comportant de la création et du gaspillage d’énergie cinétique), le carburant requis par le VE :
  • Décroît avec la puissance mécanique requise grâce à un rendement maintenu, voire amélioré à faible vitesse et à la récupération des 2/3 de l’énergie cinétique
  • Grâce à un faible impact énergie cinétique à vitesse basse, dont les 2/3 sont récupérés.
Pour le VT, au contraire, le carburant requis :
  • Décroît d’abord avec la force aérodynamique, 
  • passe par un minimum vers 80 km/h, 
  • puis ré-augmente à plus du 100% en raison du mauvais rendement moteur thermique à puissance très réduite ajouté au plein impact du gaspillage de l’énergie cinétique.
Tous les utilisateurs de VT le savent fort bien : on consomme plus dans les embouteillages que sur autoroute !

Conclusion évidente : le VE est mieux adapté à la ville qu’à la route. Nous reprenons donc la présente comparaison VE vs. VT en usage urbain dans le message suivant.




lundi 28 janvier 2019

VE 5 Traces Carbone du VE


Le VE : Innovation pérenne ou rêve écologiste ?
« Dans un monde inondé d’informations sans pertinence, le pouvoir appartient à la clarté. »  Yuval Noah Harari


VE5. - Traces carbone du VE 
  • Ce chapitre porte sur la comparaison entre un VT et un VE avec le même profil de mission :
    • 14 000 km par an x 12 ans
    • Ville, suburbain, routes, autoroutes
    • Remplacement des VT par des VE.
5.1. TC d’utilisation du VE

Elle est évidemment nulle : ni le chargeur, ni la batterie, ni le moteur électrique n’émettent de CO2. Le VE en tire son image de « zéro émission » dont on oublie trop souvent l’adjectif essentiel « locale ».

5.2. TC « puits » à la roue du VE

  • Comme le dit avec juste raison Jean-Marc Jancovici, éminent expert en trace carbone : « L’électricité ne sort pas du mur ! ». Elle est produite à partir des énergies primaires :
    • Charbon
    • Pétrole,
    • Gaz
    • Nucléaire
    • Hydraulique
    • Eolien
    • PV,
    • Divers…
  • Sa trace carbone, très différente selon les filières, est donc aussi :
    • Très différente entre pays, selon les filières installées
    • Variable dans le temps, selon le mix de production utilisé.
TC de l’électricité selon les filières de production

5.2.1. TC du nucléaire et des renouvelables
  • Le process est exempt de CO2 direct, mais il ne faut pas oublier la TC d’amortissement, égale à la TC d’investissement divisée par la durée de vie effective, qui est elle-même égale à la durée de vie en années multipliée par le facteur de charge défini comme « énergie produite sur l’année / énergie produite à 100% de la puissance installée ».
  • La TC du nucléaire est très basse, grâce à une durée de vie supérieure à 40 ans et un facteur de marche de 75%.
  • La TC de l’hydraulique est très basse aussi, avec une durée de vie presque illimitée, et en dépit d’un facteur de charge variable, mais généralement choisi par l’opérateur
  • Les nouveaux renouvelables ont une TC plus élevée en raison de  :
    • Une durée de vie beaucoup plus faible, 10 à 15 ans
    • Un facteur de charge très bas : 15% (PV) à 20% (éolien)
    • Un investissement sur énergie produite plus élevé que le nucléaire.

                            Le graphe ci-dessous, 2011, pas à jour : TC du PV à diviser par 2 à 3 en raison de la baisse de ses prix.

5.2.2. TC des énergies fossiles :

La TC du process est prépondérante sur celle des investissements. Ces filières sont très différenciées entre elles, selon deux paramètres :magne²
  • Le taux de carbone dans l’énergie primaire (C >> CnH2n+2 > CH4)
  • Le rendement du cycle de production les centrales à gaz à cycle combiné allient le T1 (selon Carnot) très élevé des combustions internes et le T2 bas des cycles à vapeur.


5.2.3. TC selon le lieu : France - Allemagne

La TC de la recharge d’un VE varie donc selon les filières de production utilisées, très différentes selon les pays. Des exemples très contrastés sont la France et Allemagne. En résumé la TC de 1 MWh produit est :
  • En France : 74 Kg
  • En Allemagne : 700 Kg, soit presque 10 fois plus
  • Sans parler du coût pour l’abonné, presque double en Allemagne.


Ceci résulte principalement de la politique énergétique allemande qui est un déni de réalité : Un investissement monstrueux (350 G€) en éolien intermittent et peu prévisibles, et en photovoltaïque (PV) mal adapté aux latitudes septentrionales sous lesquelles sa production hivernale est insignifiante, et évidemment nulle la nuit en toutes saisons, n’a pu compenser la sortie du nucléaire décidée pour des raisons idéologiques, et a amené un énorme développement du charbon et du lignite de Saxe extrêmement émetteur de CO2 et de pollutions variées. Pour plus de détail voir message dans ce blog : Le contre-exemple allemand.

5.2.4. TC selon le lieu : Ensemble du monde


(Source : Dossier CO2 « Les Echos » 3/12/2018)

  • TC : Avec 660 kg de CO2/Mwh final, le mix mondial 2017 est à peine meilleur que le mix allemand (700 Kg), et n’a pas changé depuis 1990
  • Mais la production électrique a beaucoup augmenté avec évolution du mix :
  • Les nouveaux renouvelables en cours de décollage, de 1,5% à 8,5%, mais leur pondération reste faible.
  • L’hydraulique en régression relative de 17,5% à 16%
  • Le nucléaire est resté constant en volume, donc relativement décroissant de 16% à 10,3%.
  • Malheureusement, le gaz s’est substitué uniquement au pétrole, la somme gaz + pétrole restant constante à 26,5%
  • Et le charbon reste, hélas, en tête et constant en pourcentage, c’est à dire en forte progression en volume…
  • Au global, les réductions d’émissions dues aux nouveaux renouvelables et au gaz ont été annulées par le recours croissant aux énergies fossiles.

On est donc, dans l’ensemble, très loin d’un véhicule électrique « zéro émission ». L’adjectif « locale » restera durable, si l’on ose dire !

5.2.5.  TC selon le moment : France

Dans un territoire donné, la trace carbone n’est pas constante : la demande en énergie varie dans le temps dans un facteur de l’ordre de 3, et les moyens mobilisés successivement pour satisfaire la demande dépendent de nombreux critères :
  • Les nouveaux renouvelables intermittents sont mobilisés les premiers malgré leur prix contractuel élevé parce qu’ils bénéficient d’une priorité d’écoulement. En France, ils n’excèdent jamais la demande, et peuvent être très faibles, notamment par régime anticyclonique (peu de vent) d’hiver (PV insignifiant le jour, et nul pendant les longues nuits). L’hydraulique au fil de l’eau, minoritaire, s’y ajoute.
  • Le nucléaire, exempte de CO2, très compétitif et de coût marginal (celui du combustible) presque nul.
  • L’hydraulique éclusée ou de haute chute
  • Les énergies fossiles, en commençant par le gaz, puis le fioul, puis le charbon.

 Il s’en suit que la TC ne sera pas constante. Elle pourra être :
  • Nulle (cas fréquent hors Bretagne et PACA), notamment en l’absence de grands froids, ainsi que les jours fériés.
  • Marginalement très élevée si les moyens exempts de CO2 sont déjà saturés : grands froids, températures fraîches de nuit par temps calme.


5.2.6. Réduction de la TC par stockage de l’énergie électrique

Les variations de la demande ne correspondant en rien à l’intermittence de certaines productions, une solution pourrait être apportée par le stockage. Mais les moyens de stockage économiquement utilisables sont limités :

  • Les STEPs hydrauliques stockent l’énergie par électrique par « pompage » dans les limites de leurs capacités, peu extensibles.
  • Aucun autre moyen de stockage n’est actuellement viable : tous les procédés de stockage physiquement possibles ont des coûts de stockage trop élevés, et souvent rendement insuffisant (hydrogène).
  • A long terme, à la fois par l’évolution technique et l’acceptation de prix beaucoup plus élevés, on pourra :
    • peut-être stocker du jour vers nuit (batteries, hydrogène..?),
    • mais jamais de l’été vers hiver, 365 fois plus long ! 
  • Le stockage ne peut être envisagé que s’il est moins cher (en investissements et/ou en exploitation) qu’une production permanente décarbonée. Or le nucléaire répond parfaitement à cet impératif…


5.2.7. Réduction de la TC de recharge des VE

  • Recharger pendant les heures creuses, c’est-à-dire la nuit
    • Majoritairement nocturne à domicile,
    • En charge lente
    • Sous impératifs d’horaires, comme chauffe-eaux. 
  • Si la substitution des VE aux VT est forte ; les heures « creuses » cesseront de l’être et de nouveaux moyens seront requis.
  • La substitution totale, étudiée dans un message dédié, nécessite d’augmenter de 1/3, soit 200 TW, la capacité nationale de production. Or :
    • Les énergies fossiles restent à proscrire, faute de quoi le VE n’apporte aucune réduction des émissions de CO2.
    • L’hydraulique est peu extensible.
    • Le PV ne produit rien la nuit, très peu d’octobre à février,
    • L’éolien est intermittent, absent par régime anticyclonique,
  • La seule solution est l’abrogation de la loi sur la transition énergétique et la construction de 15 EPR et 1,9 GW. La logique voudrait que l’on commence par Plogoff, idéalement placé en Bretagne qui en est dépourvue, sur une côte rocheuse baignée de forts courants marins qui éviteront le recours à des réfrigérants atmosphériques.

A défaut, comme chez nos amis Germains, le VE émettra plus de CO2 que le VT. Ceci est quantifié ci-dessous.

5.3. Trace carbone de fabrication du VE

Il existe peu d’informations fiables à ce sujet. Quelques pistes de réflexion :
  • Hors batterie, en séries comparables, le VE ne devrait être  ni plus lourd, ni plus cher qu’un VT, et donc  de TC équivalente



  • Mais la batterie, sans doute prépondérante, ne saurait être négligée. La photo ci-dessus montre une batterie-plateforme d’Audi E-tron, 90 KWh et 900 kg.
  • Elle comporte énormément d’électronique, chaque élément ayant sa propre carte de contrôle.
  • Sa surface est celle de tout l’habitacle
  • Pour des raisons de sécurité en cas de choc latéral accidentel, elle est ceinturée par un profilé lourd en aluminium extrudé, section environ 15 x 10 cm, masse évaluée à 140 kg.
  • Sa TC reste inconnue, mais est évidemment élevée !
  • La littérature anti VE pose l’hypothèse qu’un VE a une trace carbone double d’un VT, soit 14,4 t en comparaison du VT moyen à 7,2 t, mais cette allégation n’est nullement démontrée.

5.3.1. Comparaisons en entrée de gamme
  • Le véhicule électrique de l’Alliance décliné en 2 modèles très proches, les Renault Zoé et Nissan Leaf est, selon elle, le véhicule électrique le plus vendu dans le monde. 
  • Comparons la Twingo à essence avec la Zoé électrique munie d’une batterie de 22 KWh.
    • Rapport des masses :                         1,66
    • Rapport des prix avant bonus:          2,13
    • La moyenne des deux rapports :       1,88
  • Faute de mieux, à partir de ce raisonnement très discutable, appliquant ce même ratio de 1,88 au VT typique (nettement plus grand et lourd qu’une Twingo), on aboutit à :
  • TC VE = TC VT x 1,88 = 7,2 x 1,88 = 13,5 tonnes
  • Cette hypothèse est raisonnable, mais ce n’est qu’une hypothèse !
5.4. TC totale d’un VE

La TC totale du VE, contrairement à celle du VT ne peut se ramener à deux chiffres (fabrication plus utilisation puits à roue), car le second de ces chiffres doit être examiné selon la filière de production électrique. C’est l’objet du message suivant.

vendredi 8 décembre 2017

7 - Energies primaires thermiques non renouvelables

 (lignes 12 à 20 du tableau de synthèse)

Ayant pour finalité principale de produire de la chaleur à haute température par combustion ou fission nucléaire, elles sont souvent plus ou moins interchangeables. Mais elles se différencient quand même à bien des égards : 
  • Leur coût : Le charbon (12), et le lignite (13) pratiquement dédiés à la production électrique, sont les moins chers, suivis par l’uranium (20) extrêmement énergétique, de loin le moins cher en coût variable, mais chargé par les amortissements élevés de la centrale. Les différents hydrocarbures fossiles (14 à 19), plus ou moins interchangeables entre eux, sont l’objet d’un marché mondial déconnecté de leurs prix de production et d’acheminement qui sont très différenciés selon leur origine et leur mode de transport. Les hydrocarbures (propane, butane, essence, gazole, fioul léger, kérosène et fioul lourd) sont mélangés dans le pétrole brut, dans des proportions variables selon son origine, et séparés par distillation (raffinage). Chacun a ses qualités et ses défauts, mais ils sont produits simultanément et il serait absurde, et même impossible faute de stockage de masse, de ne pas les utiliser tous.
  • Leur facilité de transport et de stockage, par ordre décroissant :
    • Le charbon (12), transporté en vrac maritime ou ferroviaire, stockable en tas à l’air libre, mais sans possibilité d’utiliser des tuyaux.
    • Le lignite (13), analogue au charbon, mais deux fois plus volumineux et pondéreux, et donc généralement transformé en électricité sur le lieu de l’extraction, mais restant facile à stocker.
    • Le pétrole et ses dérivés liquides, (14 à 17) transporté par oléoduc ou navire pétrolier, stockable à pression et température ambiantes dans des cuves : essence et gazole carburants, fioul industriel ou domestique et kérosène sont aisément stockables aux différents niveaux de leur distribution et de leur utilisation. Les GPL (18), (propane et butane), sont stockables à température ambiante sous une faible pression, aussi bien en gros, que dans des camions citernes, des cuves fixes ou des bouteilles consignées chez des particuliers.
    • L’uranium, (20) de très faible volume, autorise un stockage de plusieurs années de consommation, et son coût de transport est insignifiant.
    • Le gaz naturel (méthane) (7) peut être transporté par des gazoducs, ou, après liquéfaction cryogénique, par navires réfrigérés ou acceptant une perte par évaporation pouvant être utilisée pour la propulsion du navire. Après transport maritime, il peut être stocké à l’état gazeux dans des cuves sous-pression élevée, puis/ou nécessairement distribué aux utilisateurs par gazoducs ayant un réseau capillaire à pression modérée.
  • Leur durabilité est limitée à :
    • quelques décennies pour les hydrocarbures, les réserves de gaz étant supérieures à celles des liquides, sauf si l’on substitue le gaz aux hydrocarbures liquides et au charbon, ce qui accélérerait sa consommation.
    • un ou deux siècles pour le charbon et le lignite, qu'il vaudrait mieux ne pas utiliser.
    • plusieurs siècles pour le nucléaire EPR, et plus encore si l’on passe des EPR aux surgénérateurs, ou à d’autres filières telles que le thorium, quasi-renouvelable.
  • Leurs émissions de CO2, différentiées pour deux raisons :
    • Composition chimique :
      • la fission du noyau d’uranium n’émet pas de CO2.
      • les hydrocarbures contiennent, en plus du carbone, de l’hydrogène dont la combustion ne donne pas de CO2. Le plus léger, le gaz naturel, émet 23% de CO2 de moins qu’un hydrocarbure liquide à énergie thermique équivalente.
      • Le charbon, principalement constitué de carbone est le pire émetteur de CO2.
    • Le rendement :
      • Il va de soi qu’un mauvais rendement augmente la consommation d’énergie primaire, et donc l’émission de CO2.
      • L’évolution technique des centrales à charbon vers des températures et pressions de vapeur (source chaude) plus élevées, dite supercritiques ou ultra supercritiques, va dans le bon sens, mais atteint ses limites vers un rendement de 45% à partir d’une énergie entièrement carbonée.
      • Le rendement des centrales électriques au gaz « à cycle combiné » est excellent, jusqu’à 58%, au lieu d’environ 35 à 40%, ce qui permet de réduire la consommation de carburant et les émissions correspondantes d’environ 30%.
      • Dans le cas d’utilisation des hydrocarbures dans des moteurs à pistons, le gazole donne un meilleur rendement massique (environ 40%) que l’essence (environ 32%), et émet donc moins de CO2 à puissance mécanique égale, parce les moteurs diesel utilisent un rapport volumétrique plus élevé qui augmente le ratio T1/T2 de Carnot.
  • Leur disponibilité :
    • Permanente, avec variations rapides de puissance dans les deux sens, idéales pour les centrales électrothermiques comme pour les utilisations finales,
    • sauf les centrales électronucléaires dont les variations de puissance sont lentes, et qui ne travaillent à puissance partielle qu’au prix d’un moindre rendement du combustible (usure hétérogène des barres de combustible), mais qui sont constamment disponibles et adaptées aux variations prévues à l’avance. 
  • Leur acceptabilité : Pour des raisons initialement historiques liées à l'amalgame entre bombe nucléaire et énergie nucléaire, devenues  ensuite écologiques (déchets radioactifs) et de sécurité (accidents de Tchernobyl et de Fukushima), une partie de l’opinion publique est hostile à l’énergie électronucléaire. Il est pourtant démontré, par comparaison avec les autres sources d’énergie, qu’à énergie produite égale, elle est la forme la moins polluante et la moins dangereuse de l’énergie. Il faudra sans doute du temps pour que la certitude néfaste du réchauffement climatique apparaisse plus importante que le risque nucléaire, mais les prises de position récentes (11/2017) de Nicolas Hulot appuyé par Brice Lalonde en faveur de l'amendement de la loi sur la transition énergétique vont dans ce sens.
Résumé dans le tableau partiel :