11 - L’énergie dans les transports

Table des matières du blog www.8-e.fr

Energie

Bâtiment

Véhicules

CO2

Dans l’onglet CO2 :

1 - Tableau des énergies primaires

2 - Tableau des vecteurs d’énergie

3 - Tableau des utilisations

4 - Tableau d’ensemble « énergie »

Les énergies :

5 - Energies des primaires mécaniques renouvelables dédiées à l’électricité

6 - Energie primaire solaire dédiée à l’électricité

7 - Energies primaires thermiques non renouvelables

8 - Energies thermiques renouvelables

9 - Energies secondaires « vecteurs d’énergie »

Les utilisations :

10 - L’énergie dans le bâtiment

11 - L’énergie dans les transports

12 - L’énergie dans l’agriculture et la pêche

13 - L’énergie dans l’industrie

14 - 3 mesures pour réduire le CO₂ au moindre coût

Sujets Connexes

 La taxe carbone

 Le contre-exemple allemand

Le défi climatique selon Jean Tirole

Véhicules particuliers et utilitaires légers
(colonne n du tableau de synthèse)

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 !

Etape 1 : Substitution de combustibles

Etape 1 : Substitution de combustibles

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Energie

Bâtiment

Véhicules

Profil

Sujets connexes :

Réduire vite et beaucoup les émissions de CO2 en France

Etape 2: l’efficacité énergétique

Etape 3 : la substitution électronucléaire

Etape 4 : aller plus loin avec les véhicules

Incitations économiques pour les 4 étapes

Nous avons vu dans un message précédent, que pour un même apport énergétique, ces énergies fossiles amènent des émissions  très différentes: le charbon émet 64% de plus que le pétrole, et le gaz 21% de moins. Entre le charbon et le gaz, il y a plus qu’un facteur 2. Quand c’est possible, remplacer le charbon par le gaz permet de parcourir plus de la moitié du chemin vers une suppression des émissions concernées, et ceci peut souvent être fait rapidement et pour un coût modique. 

Dans ce qui suit, conformément aux définitions INSEE et SOES, le GPL est comptabilisé avec le pétrole et non avec le gaz. Ceci est logique, car le GPL est beaucoup plus proche du pétrole, dont il est d’ailleurs issu, en termes  de stockage à l’état liquide sous faible pression, comme en termes démission de CO₂, c’est-à-dire du ratio C/H de sans cette étape, maintiennent exactement la consommation énergétique par secteur.

• En sidérurgie : aucune substitution n’est possible, car le seul procédé d’élaboration de la fonte à partir du minerai de fer repose sur la réduction de l’oxyde de fer du minerai par le carbone.
• En agriculture et industrie : La diversité des utilisations, qui comporte des utilisateurs mobiles (tracteurs) et des procédés de fabrication, ne permet guère d’établir une prévision. Considérons l’hypothèse de  -50% de charbon et -30% de pétrole compensés par +31% de gaz.
• En chauffage,  la substitution du fioul ou du GPL au charbon (peu employé), est presque toujours possible, mais est limitée par la difficulté de stockage du gaz, principalement du méthane, qui nécessite soit des pressions élevées, soit un stockage cryogénique. Elle ne peut donc s’effectuer pratiquement que dans les régions desservies par les réseaux de gaz, et dans la limite des capacités de ces réseaux, qui peuvent être renforcés et étendus à cet effet. Compte tenu de son caractère diffus, l’agriculture fera moins que l’industrie. Considérons globalement - 70% de charbon et - 40% de pétrole compensés par +30% de gaz, ce qui est déjà une hypothèse optimiste.
• En production électrique, la substitution du gaz au charbon et au pétrole n’est limitée que par la difficulté de stocker ce gaz naturel, ce qui risque de poser problème car les pointes de consommation électrique coïncident malheureusement avec les pointes de consommation de gaz, pour cause de demande de chauffage. Considérons la transformation de toutes les centrales au charbon en centrales à gaz si possible, ou à défaut en centrale au fioul : -100% de charbon et -20% de pétrole compensés par +173% de gaz, compte tenu des pondérations différentes.
• Dans les transports où le charbon n’est pas employé, la substitution du gaz aux carburants liquides (essence, gazole et GPL) est difficilement envisageable en raison des difficultés de stockage du gaz comprimé dans un véhicule routier, et sa quasi-impossibilité dans un avion. Donc pas de substitution à court terme.
• Par nature, aucune substitution n’est possible quand ces substances sont utilisées comme matières premières.

 

Ces substitutions aboutissent par elles-mêmes à une baisse du CO₂ de 6%, résultat limité qui tient au fait que le transport, premier émetteur, ne peut pratiquement pas y procéder, mais résultat intéressant quand même, car peu coûteux et pouvant être obtenu  très rapidement.

Bilan énergie de la France en 2010

Table des matières de ce blog


5/12/2012 : Le synoptique 2011 est publié

Voir aussi le tableau synoptique de l'énergie en France





















Energies primaires

On appelle ainsi les énergies de base qui préexistent à l’état naturel, avant traitement ou transformation.  Elles sont exprimées en TEP (Tonne Equivalent Pétrole). Rappelons que:

1 TEP = 11,63 MWH (Méga Watt Heure) = 42 GJ (Giga Joule)

Pour déterminer cette équivalence, on compare le pouvoir calorifique de chacune avec celui du pétrole brut, qui est de l’ordre de 42 MJ/kg :

• Les hydrocarbures liquides, voisins de 44 MJ/Kg
• Les hydrocarbures gazeux,  légèrement supérieurs, parmi lesquels le méthane (à peu de choses près le « Gaz naturel », norme « G20 ») culmine à 50 MJ/Kg.
• Le charbon est nettement inférieur, avec 20 à 25 MJ/Kg, le bois encore notablement inférieur.
• La chaleur d’origine nucléaire, difficile à mesurer et purement locale, est par convention égale au triple de l’énergie électrique produite par la centrale électronucléaire.
• Les énergies d’origine mécanique (hydraulique, éolienne, marémotrice…) sont comptées directement en MJ.

On verra plus loin que cette mise en équivalence est :

• Pertinente pour les applications thermiques dont le but final est de chauffer (eau sanitaire, locaux, procédé industriel…)
• Biaisée quand il s’agit de produire de l’énergie mécanique ou électrique, en raison de facteurs de rendement très différents.

Les secteurs du grand cercle ci-dessous montrent les grandes énergies primaires :

• L’énergie nucléaire primaire est la plus importante. Il s’agit bien ici de la chaleur produite par la réaction de fission nucléaire, qui n’est jamais utilisée directement, et non de l'énergie électrique produite.
• La moitié de ces énergies primaires est d’origine fossile, principalement du pétrole et du gaz naturel, avec une petite part (4%) de charbon. Ils sont tous entièrement importés (>98%), car la France en est dépourvue. Face à l’accroissement de la demande, avec une production stagnante  et une demande en très forte hausse du fait des pays émergents, leurs prix vont continuer de croître très vite avec leur raréfaction en une génération, environ 30 ans. Les réserves de charbon peuvent atteindre un siècle ou deux, sauf si on le substitue aux hydrocarbures, ce qui en accélérerait l’épuisement.
• L’énergie hydraulique est presque idéale : son apport est significatif, elle est principalement nationale, dépourvue d'émissions, renouvelable, silencieuse, capable de participer aux pointes de production selon leur site, totalement prévisible à moyen terme. Son seul défaut est qu’en France tous les sites raisonnablement possibles sont déjà équipés : on ne peut guère la faire croître.
• Le bois est la plus ancienne des énergies primaires. Il ne s’utilise qu’en chauffage et demande beaucoup de main d’œuvre. Il n’est renouvelable et dépourvu d’émissions que si on ne le consomme pas plus vite que les forêts ne le produisent, ce qui ne doit pas être oublié. Pour cette raison, il peut difficilement se substituer aux autres modes de chauffage.

Le secteur rose des énergies alternatives ne représente que 2% du total. Pour plus de lisibilité, il est repris et éclaté dans le petit cercle à secteurs en dessus, où les % sont en fait des « % de 2% ». Les surfaces des deux cercles sont à la même échelle.

• La combustion des déchets urbains, des résidus agricoles, ou du gaz de fermentation (biogaz)  est une méthode raisonnable, mais limitée de produire de la chaleur (chauffage urbain) ou de l’électricité.
• Les biocarburants, pratiquement mélangés aux  carburants, ont un apport significatif, 0,8% du total. Mais leur production par l'agriculture rentre en concurrence avec l'alimentation animale et humaine, ce qui en limite fortement les perspectives. 
• En France, la géothermie, dont l’Islande volcanique tire la majeure partie de son énergie, est malheureusement limitée tant dans le territoire français (certaines zones volcaniques) que par des températures peu élevées, qui peuvent assurer du chauffage, mais pas faire de la vapeur permettant la production d’énergie électrique.
• L’éolien et le photovoltaïque seront traités ci-dessous à propos de la production électrique. Leur extrême médiatisation et leur visibilité considérable ne doit pas faire oublier qu’ils sont, en 2010, insignifiants.

Production d’électricité

L’énergie électrique est une énergie finale qui, contrairement aux autres, n’existe pas sous cette forme dans la nature. C’est une énergie « noble », en ce sens qu’elle peut être aisément convertie en énergie mécanique avec un excellent rendement, ou thermique avec un rendement de 100%, voire beaucoup plus, jusqu’à 300% avec  un artifice : les pompes à chaleur. Son principal inconvénient est de n’être pratiquement pas stockable à l’échelle d’un réseau de distribution.

Le cercle ci-dessus donne la répartition de la production entre les principales filières de production :

• Le nucléaire assure l’essentiel (76%) de la production. Ce pourcentage est une moyenne :
• en été, la puissance nucléaire additionnée aux filières fatales (hydraulique au fil de l’eau, marémotrice, éolienne…) fait face à le demande sans utiliser tous les réacteurs, et se trouve donc proche de 100%.
• En pointe, par grand froid, en soirée d'un jour ouvrable, elle ne produit, à pleine puissance disponible, qu’une part minoritaire de l’énergie demandée.

Il a beaucoup de qualités : disponibilité, coût marginal de production très bas après un investissement très important amorti sur une longue durée de vie, absence d’émissions de CO₂. Il est pourtant controversé en raison de sa dangerosité potentielle, mais jamais avérée dans sa technologie EPR. Son principal défaut objectif est un manque de souplesse : sauf à accepter un moindre rendement des barres de combustible, il vaut mieux le cantonner à deux états : proche de la puissance nominale, ou arrêt.

• Les combustibles fossiles (charbon, pétrole et gaz, soit 11% au total) sont au contraire utilisés par des filières de pointe qui  fournissant une énergie chère et émettrice de CO₂ quand la demande du réseau excède la capacité de production du nucléaire et de l’hydraulique.
• L’hydraulique de haute chute a presque toutes les qualités : coût marginal de l’énergie presque nul après un investissement important amorti sur une durée de vie pratiquement illimitée pour le génie civil (prépondérant). Mais elle est limitée. Sa dangerosité potentielle existe, mais n’émeut plus guère, malgré l’écroulement du barrage de Malpasset sur le Var, près de Fréjus, qui fit 423 morts en 1959, mais qui n’était pas hydroélectrique.
• Les renouvelables électriques sont tout petit (éolien, moins de 2 %) ou insignifiant (photovoltaïque qui ne dépasse pas l’épaisseur du trait). Ils sont portant très visibles dans le paysage comme sur la dernière ligne des factures d’ERDF, la CSPE. En plus, ce sont des énergies fatales, qui tombent quand elles tombent, dans une large mesure quand on  n’en n’a pas besoin. Leur suppression du jour au lendemain, ne poserait aucun problème à ERDF ! Elles contribuent quand même à économiser un petit peu…d’uranium, mais ne réduisent que rarement le CO₂, car elles ne produisent jamais (photovoltaïque) ou rarement (éolien) pendant les soirées de grands froids.

Consommation d’énergie finale 2010 par secteur

Les utilisateurs consomment de l’énergie sous 5 formes :

• Pétrole et dérivés, Electricité, Gaz naturel, Charbon, Renouvelables thermiques

Dans 4 types d’utilisations :

• Professionnelles, Résidentiel et tertiaire (habitations et bureaux), Transports (routiers, ferroviaires, aériens), Non-énergétique (pétrochimie, plastiques…)

La répartition figure dans le tableau ci-dessous. Les constations suivantes s’imposent :

• La part importante du pétrole partout, sauf dans le transport ferroviaire. Il est exclusif dans les transports routiers et aériens, en y incluant les carburants de synthèse renouvelables, applications pour lesquelles il est difficilement substituable.

• Le charbon n’est utilisé que par des industriels, notamment par la sidérurgie pour laquelle il n’est pas substituable (fabrication de fonte dans les hauts-fourneaux, qui nécessite du coke, carbone presque pur résultant de la distillation du charbon).
• Le gaz est pratiquement utilisé pour des applications de chauffage (procédé industriel, locaux, cuisson…), mais a peu d’applications spécifiques en dehors de la chimie.
• L’électricité est utilisée, aussi bien à titre professionnel que tertiaire, dans deux types d’application : spécifiques (moteurs, éclairage, électrolyse, informatique et vidéo, climatisation, micro-ondes, plaques à induction), ou thermiques (chauffage industriel, de locaux, d’eau sanitaire, cuisson). Dans les premières, elle n’est pas substituable, dans les dernières, elle est le plus souvent en concurrence avec le gaz ou le pétrole.
• Il résulte des deux paragraphes précédents qu’il existe plusieurs manières (non antagonistes) de réduire notablement les émissions françaises de CO2 en augmentant la part de l’électricité dans les applications thermiques, au détriment du gaz et du pétrole :
• En augmentant le nombre de chauffages résidentiels « bi-énergie » et de tarification du KWH à un prix variable « Tempo » ou plus élaborée, pour saturer les capacités de production nucléaire existantes (investissement faible).
• A capacité nucléaire constante, en généralisant les pompes à chaleur, de préférence « géothermiques » chaque fois que possible, à défaut « aérothermiques », en substitution des chauffages électriques conventionnels ET des chauffages à gaz (investissement réparti lourd, mais possible).
• En augmentant la capacité nucléaire (investissement centralisé lourd, mais possible), pour étendre le chauffage électrique conventionnel au détriment du gaz et du fioul.

Un message ultérieur, en cours de préparation, détaillera et chiffrera ces évolutions.