VE1 - L’énergie requise par un véhicule

Le VE : Innovation pérenne ou rêve écologiste ?

« Dans un monde inondé d’informations sans pertinence, le pouvoir appartient à la clarté. »  Yuval Noah Harari

VE1 - L’énergie requise par un véhicule

VE2 - Pollution : Chiffres, normes et opinions

VE2.1 - Plomb

VE2.2 - Soufre

VE2.3 - Monoxyde de carbone

VE2.4 - Benzène

VE2.5 - Oxydes d’azote

VE2.6 - Ozone

VE2.7 - Particules fines

VE3 - CO2 : Pas polluant, mais critique

VE4 - Traces CO2 du VT

VE5 - Traces CO2 du VE  

VE6 - Comparaison CO2 VE / VT polyvalent

VE7 - Comparaison CO2 VE / VT urbain

VE8 - Comparaison VE / VT autonomie

VE9.1 – Distorsion € Bonus

VE9.2 – Distorsion € TICPE

VE9.3 – Distorsion € Norme UE émissions

VE9.4 – Distorsion € Totale

Les distorsions « soft » : Infox

VE10 -1 Fukushima par TF1

VE10 -2 Diesel par Gérald Darmanin

VE10 -3 Pollution et anticyclone

VE10- 4 Espérance de vie par l’ADEME

VE10 -5 Ecologie et Politique

VE11 – Conclusion sur le VE

VE1 - L’énergie requise par un véhicule

1.1. Force de Roulement 

 F_r = Poids x C_r = m g C_r   

• C'est la force qui permet de faire avancer un véhicule à très petite vitesse sur un sol plan.
• Cette force est indépendante de la vitesse, mais proportionnelle au poids (= mg).
• Le coefficient de roulement C_r ≈ 2% du poids pour un véhicule
• On peut l'améliorer un peu par de petits pneus durs sur de grandes roues, mais ceci réduit le confort et d'adhérence. 
• Pour réduire F_r, il faut donc réduire m, faire léger…
• Cette force étant constante:
• la puissance requise est proportionnelle à la vitesse, 
• et l'énergie par kilomètre est constante

1.2. Force aérodynamique 

F_a = ½ ρ v² S C_x  

• C'est la force que l'air oppose  à un véhicule en déplacement rapide. 
• ½ ρ v² est la pression dynamique. C’est celle qui s’exerce sur le « nez » d’un avion, ou à l’entrée d’un tube de Pitot (mesure de la vitesse relative).
• S C_x n’est pas un produit, mais un quotient, celui de la force aérodynamique divisée par la pession, dynamique. C'est une surface qui s'exprime en mètres carrés
• C_x est un autre quotient, celui de S C_x par la section maximum (dite "maître couple"). C'est un nombre sans dimension, un simple coefficient.
• Pour réduire F_a, il faut réduire S Cx : faire bas et étroit (S), et profilé et long (C_x)…
• L'énergie requise par kilomètre est proportionnelle au carré de la vitesse. Pour la réduire, il faut donc ne pas rouler trop vite.
• La puissance requise est proportionnelle au cube de la vitesse :
• Croît de 1/3 quand la vitesse croît de 10%
• Multipliée par 8 quand la vitesse double

1.3. Energie cinétique (l’élan)

 E_c = m v²/2

    

• La force d’accélération (ou de freinage) est mg.
• Son travail (ou énergie) E pour atteindre la vitesse V depuis l’arrêt est E = 1/2 m v²
• Cette énergie est proportionnelle au carré de la vitesse, et à la masse.
• Elle est généralement gaspillée (chaleur dissipée dans les freins) au freinage.
• Pour réduire E_c, il faut :
• Réduire m : faire léger, encore.
• Récupérer une partie de l’énergie si hybride ou électrique, mais le rendement de cette récupération plafonne à ≈ 2/3
• Anticiper les arrêts et les ralentissements plutôt que de freiner : quand un véhicule avance sur son erre, il transforme l'énergie cinétique en énergie de roulement et aérodynamique.
• Cette énergie méconnue est prépondérante en ville

1.4. Energie potentielle (montée ou déclivité) 

 E = m g h

Elle est :

• Récupérée dans la descente si on ne freine pas.
• En moyenne nulle : on redescend toujours !
• Paradoxalement secondaire, car son occurrence est faible
• Pratiquement, on ne s’en occupe pas
• Néanmoins, dans les limites de la sécurité et de la réglementation, il faut éviter de freiner dans les descentes...

1.5. Force et puissance sur sol plan

A vitesse constante il faut vaincre F_r et F_a

F = F_r  + F_a   F = m g C_r  + ½ ρ v² S C_x  

La puissance requise est donc :

P = F v = m g C_r v +   ½ ρ v³ S C_x 

A titre indicatif, pour un véhicule de 1400 kg ici supposé identique entre un VT et un VE, les paramètres typiques figurent dans la tableau ci-dessous.

Berline moyenne	Unité	Val. typiq.
Masse	kg	1 400
Gravité g	m/s²	9,81
Coefficient de roulemt	%	2%
Surf. maîtresse section	m²	2,5
Coefficient aérodynam.	1		Rendmt.	Net
VT réserv. carb. 50 kg	KWh	583	30%	175
VE : Batterie	KWh	40	90%	36
S Cx	m²	0,7
Masse volumique air ρ	kg/m3	1,29	F totale N	P. kw
Vitesse urb. 50 km/h	m/sec	13,9	381	5,3
Vitesse autor. 130 km/h	m/sec	36,0	883	31,9
Vitesse maxi 200 km/h	m/sec	55,6	1 688	93,8
Dénivelé	m	1 000
Energie pour dénivelé seul	MJ	13,7
	KWh	3,8

On note l’énorme croissance de la force aérodynamique qui, de négligeable en ville, rattrape la force de roulement dès 90 km/h, et devient très prépondérante à vitesse autoroutière et au-delà.

On met ici en évidence l’énorme croissance de la puissance requise aux vitesse élevées. Beaucoup de véhicules atteignent 200 km/h : leur puissance est alors :

• le triple de ce qui est strictement nécessaire sur autoroute
• le double de qu’il faut pour conserver un agrément de conduite lié à la capacité d’accélération sur autoroute

Attention : la puissance détermine la consommation par heure, et non pas aux 100 km. Cette dernière croit comme la force (carré), aux variations du rendement près.

1.6. Moteur Electrique vs. Thermique

• Différence de définition de la puissance 
• Moteur thermique = puissance permanente
• Moteur électrique = puissance de crête
• La puissance continue du moteur électrique est très inférieure à sa puissance de crête.
• C’est un avantage du moteur électrique, car l’occurrence du besoin de la puissance maximum est rare, et on peut ainsi dimensionner le moteur électrique seulement peu au-dessus de la puissance permanente requise.
• Toutefois, les publicités de véhicules hybrides qui additionnent les puissances thermique et électrique sont critiquables. Elles devraient mentionner « puissance de crête ».

Le moteur électrique :

• Est silencieux.
• Est inusable : pas de pièces en frottement, grande longévité.
• Est souple, à couple constant ou élevé dans une large gamme de vitesses depuis zéro.
• A un excellent rendement.
• N’émet aucune pollution.
• Nécessite peu d’auxiliaires : une commande électronique, souvent un refoidissement par huile dans le rotor, mais pas de système d’injection, ni d’allumage, ni d’échappement, ni de démarreur, et peut se passer de boîte de vitesses ou se contenter d’une très simple.

Le moteur électrique est le moteur idéal !

1.7. Carburant vs. Batterie : L’autonomie

Le tableau ci-dessous compare le stockage d’énergie mobile du VT typique et d’un VE supposé de même masse malgré ses 600 kg de batterie (très favorable).

« Carburant »	Réservoir gazole	Batterie Li-Ion
Masse	50 kg (max plein)	600 kg (fixe)
Volume	60 litres	NS
Energie PCI / Electrique	610 KWh	60 KWh
Rendement moteur	37%	95%
Energie mécanique	226 KWh	57 KWh x 80%
Energie par 100 Kg	452 KWh	10 KWh
Consommation litres	5,5 litres/100 km	NS
Consommation KWh	25 KWh/100 KM	25 KWh/100 Km
Chauff. Climat. auxiliair.	Inclus	Exclus
« Etanchéité »	Pas de fuite	Autodécharge ?
Remplissage	3 minutes	30 min à 10 h
Durée de vie	Illimitée	≈1 500 cycles
Autonomie autoroutière	900 Km	190 km
France départ Paris	95%	25%
Fréquen. remplis. urbain	Hebdo ou ½ mois	Quotidien

On y note que :

• A masse égale, le gazole stocke 45 fois plus d’énergie mécanique que la batterie.
• Avec une masse 12 fois inférieure, le gazole stocke 4,5 fois plus d’énergie. 

1.8. Détail sur VE :

Type de VE	Batterie typique	KWh/100 km	Autonomie Km
VE usage urbain	30 KWh	12,3	195
VE usage polyvalt.	60 KWh	19,7	245
VE autor. 130 km/h	60 KWh	25,1	190

Au départ de Paris, le VT couvre toute la France sauf les Alpes Maritimes, alors que le VE ne couvre que 10% du territoire.

En termes d’énergie, le gazole est le carburant idéal !

Comparaison 3 véhicules Renault

1.9. Consommation et émissions normalisées

1.9.1. Ancien cycle NEDC

Il est constitué de :

• 4 cycles élémentaire urbains de 200 secondes chacun, donc 800 secondes en tout
• Un cycle extra-urbain de 400 secondes
• Soit un total de 1200 secondes, soit 1/3 d’heure

Cycle NEDC		Urbain	Extra Urbain	Total
Durée	s	780	400	1180
Durée des arrêts	s	54	5	59
Distance	m	4 000	7 000	11 000
% arrêts	%	7%	1%	5%
Vitesse maximum	km/h	50	120	NS
Vitesse moy. sans  arrêts	km/h	20	63	35
Vitesse moy. avec arrêts	km/h	18,7	62,6	33,6

Ce test en vigueur jusqu’en 2018 est :

• Court : 20 minutes et 11 kilomètres
• Lent :
• vitesse moyenne de 35 km/h, hors arrêts
• 3,5% du temps à plus de 100 km/h
• 1% au maximum peu élevé de 120 km/h
• Dépourvu d’accélérations franches
• Aisément reconnaissable en 200 secondes ou moins par un « logiciel truqueur » qui modifie les réglages pendant le test.
• Non significatif des conditions réelles d’utilisation les plus courantes.

1.9.2. Nouveau cycle WLTP

Il est constitué de 4 parties correspondant à des circulations respectivement urbaine, périurbaine, routière et autoroutière, selon un tracé qui apparaît aléatoire, pour une durée totale de 1 800 secondes, c’est-à-dire une demi-heure.

Cycle WLTP Cl. 3		Basse	Moyen.	Haute	Très hte	Total
Durée	s	589	433	455	323	1800
Durée arrêts	s	156	48	31	7	242
Distance	m	3 095	4 756	7 158	8 254	23 262
% arrêts	%	26,5%	11,1%	6,8%	2,2%	13,4%
Vitesse maxi	km/h	56,5	76,6	97,4	131,3
V moy. ss arr.	km/h	25,7	44,5	60,8	94,0	53,8
Vitess moy. avc arrêts	km/h	18,9	39,5	56,6	92,0	46,5
Accélér. mini	m/s²	-1,5	-1,5	-1,5	-1,2
Accélér. maxi	m/s²	1,5	1,6	1,6	1,0

Ce test est plus proche de la réalité d’utilisation moyenne des véhicules, mais ne modélise en rien un long trajet avec ses contraintes d’autonomie.

1.9.3. Comparaison NEDC / WLTP

Le test WLTP est plus réaliste que le  NEDC

• Emissions de CO₂ en gr/km :
• WLTP est plus sévère :
• Officiellement : 95 gr/km NEDC à 115 gr/km WLTP
• Selon les constructeurs : la correction est insuffisante de 5 gr/km ?
• La vitesse reste basse : la consommation n’est pas significative de l’autonomie pour de longs trajets à dominante autoroutière

De ce fait, l’autonomies des publicités de VE est à corriger fortement à la baisse.

Voir la comparaison Zoe/Twingo/Clio

Nicolas Hulot vaincu par le principe de réalité

Table des matières du blog www.8-e.fr

Energie

Bâtiment

Véhicules

CO₂

Profil

Notre Ministre d’Etat, ministre de l’Ecologie et de la Transition énergétique et solidaire, vient de démissionner. Notre seule surprise est que cette démission inéluctable ne soit pas intervenue plus tôt !

L’écologie est un problème extrêmement complexe, avec des interactions multiples et contradictoires. Nous nous limiterons ci-dessous à notre domaine de compétence, celui de l’énergie.

La transformation des énergies primaires (charbon, pétrole, gaz, fission nucléaire, cours d’eau, soleil, vent, chaleur géothermique, biomasse, courants marins…) en énergies utilisables pour les besoins de l’homme (chauffage, éclairage, transport, électroménager, numérique…), souvent via l’énergie électrique, a toujours un coût et des effets négatifs sur l’environnement, dits « externalités », parmi lesquelles :

• L’épuisement des ressources naturelles, notamment fossiles
• L’émission de CO₂ (qui n’est pas une pollution) et ses conséquences climatiques
• La pollution de l’air et de l’eau et du sol

Pour améliorer la situation environnementale, il faut évidemment faire des choix et agir sur les externalités les plus critiques, et ce, au moindre coût, dans un souci d’efficacité.

En France, où la qualité de l’air est en constante amélioration, où la sécurité alimentaire n’a jamais été aussi bonne en dépit des phobies et de l’orthorexie croissantes, où les surfaces de forêts croissent, nous n’avons pas de problème environnemental critique, mais seulement des voies d’amélioration à poursuivre. Mais la France fait partie du monde qui fait face à un problème critique : le réchauffement climatique engendré principalement par les émissions mondiales de CO₂. La situation des émissions françaises est assez bonne parmi les pays développés grâce à des véhicules relativement économes en carburant, au chauffage électrique exempt d’émissions, et à une énergie électrique dont 92% sont produits sans émissions de CO₂. Elle reste toutefois intenable à long terme pour l’ensemble du monde, car la population mondiale augmente et son mode de vie se rapproche du nôtre. La réduction des émissions de CO₂ est donc l’objectif majeur et urgent.

Pour ce faire, l’action du Gouvernement, et du Ministre concerné, ne doit surtout pas comporter de choix de moyens technologiques qu’il fait toujours sous la pression d’une opinion publique versatile et mal informée, et de lobbies contradictoires entre lesquels il n’a pas la compétence (technique et juridique) de trancher. Il doit se limiter à taxer fortement les émissions de CO₂, aussi bien relatives à l’exploitation qu’à l’investissement (trop souvent oublié), ou à limiter des droits à émettre négociables, ce qui revient au même à fiscalité globale constante, comme l’a très bien montré notre Prix Nobel d’Economie Jean Tirole dans son excellent ouvrage « Economie du bien commun ».

Les gouvernements ne doivent en aucun cas subventionner des choix technologiques supposés verts. La liste des erreurs en la matière est longue et coûteuse. Quelques exemples :

• Les producteurs d’électricité éolienne et solaire PV bénéficient de contrats avec prix garanti et priorité d’écoulement dans le réseau. Ils permettent des investissements massifs qui ne peuvent en aucun cas remplacer les autres filières sous nos latitudes en raison de leur intermittence, et de la production insignifiante du solaire PV autour du solstice d’hiver quand le besoin est élevé
• L’Allemagne a investi 350 G€ en éolien et solaire PV et sort du nucléaire, pour aboutir à un MWh 10 fois plus chargé en CO₂ et presque 2 fois plus cher qu’un MWh français !
• La France n’a investi « que » 120 G€ dans ces mêmes éolien et PV, mais a eu la sagesse de ne pas sortir du nucléaire. Ouf ! Mais la CSPE en bas de facture a bien augmenté les charges de l’abonné, en pure perte.
• Le bonus-malus automobile est absurde en ce qu’il taxe le véhicule neuf dont on ne connaît ni l’utilisation, ni la durée de vie, alors qu’en exploitation, le carbone (CO₂) vient du carburant et non du véhicule.
• Les primes à la casse (Type « Jupette ») : les véhicules supposés plus économes amortiront rarement la trace carbone de leur fabrication anticipée !
• Le désastre « Autolib’ » est une caricature : consensus de la classe politique nationale et locale, subventions lourdes aux véhicules (Etat) et aux stations de charge (Collectivités locales), énergie détaxée (pas de TICPE ni de TVA afférente), avantages divers de circulation et de stationnement, pour aboutir fin juillet 2018 à un naufrage coûteux pour Bolloré comme pour la Ville de Paris qui devra bien honorer sa signature !
• L’UE a imposé aux constructeurs d’automobiles le maintien à 95 g/km du plafond des émissions moyennes de leurs gammes, et ce, après durcissement des tests de consommation. Ceci aboutit à un dilemme entre une pénalité très lourde ou des solutions techniques déraisonnables, dont les coûts seront in fine supportés dans les deux cas par les clients. Or il existe des solutions énormément moins coûteuses pour réduire les émissions nationales de CO₂.

La loi sur la transition énergétique est un non-sens qui cherche à faire plaisir à tout le monde en empilant des mesures antagonistes. Notamment, on ne peut pas à la fois sortir du nucléaire ET réduire les émissions de CO2.

Politique énergétique

Le meilleur ministre de l’écologie et de la transition énergétique doit être :

• Un scientifique ouvert aux technologies, capable de comprendre et de ne pas renouveler les erreurs citées plus haut. Exemple : Jean-Marc JANCOVICI
• Un économiste qui fait confiance au marché pour obtenir les meilleurs résultats au moindre coût. : Exemple : Jean TIROLE
• Un communicant capable de résister à l’opinion publique et de la faire bouger. Contre-exemple : Ségolène ROYAL et le désastre Ecomouv’
• Tout le contraire d’un militant qui substitue les croyances aux savoirs. Contre-exemple : Corinne LEPAGE

 Nicolas HULOT n’est ni un technicien, ni un économiste. C’est un militant communicant qui suit ses croyances. Son honnêteté évidente n’y change rien : son action a été négative pour la planète. Sa démission est une bonne nouvelle !

A défaut de réunir personnellement toutes les qualités requises ci-dessus, son successeur pourra néanmoins les réunir au sein de son cabinet, ce que n’a pas fait Nicolas HULOT.

Que se passera-t-il si le Gouvernement se limite à appliquer une taxe de l’ordre de 100 €/T de CO₂, (ou des droits à émettre limités et négociables aboutissant au même prix) croissant régulièrement chaque année, et à supprimer toutes les autres subventions, distorsions de concurrence, ou normes inapplicables, en laissant le marché faire ses choix ?

Hors transports :

• La production électrique finira d’abandonner le charbon, et réduira le fioul au profit du gaz à cycle combiné (intrinsèquement moins de CO₂ et meilleur rendement).
• La filière électronucléaire sera renforcée. Ses externalités (surface de stockage des déchets ultimes) sont faibles et largement compensées par la faible surface des ses installations en comparaison de toutes les énergies vertes. Les vieilles centrales fermées seront remplacées. Le rapport d’experts sur le nucléaire, dévoilé le lendemain de la démission du Ministre d’Etat, arrive à point nommé, et en est peut-être une des causes.
• Les onéreux chauffages au fioul et au GPL disparaîtront au profit du gaz de réseau ou de l’électricité devenue plus compétitive. L’isolation des locaux deviendra rentable.
• Les pompes à chaleur géothermiques, ou à défaut aérothermiques, se développeront en compensant une partie de la production électrique supplémentaire dans le chauffage.
• Les investissements en éolien et solaire PV cesseront, mais, l’Etat devant honorer sa signature, les producteurs actuels poursuivront leur activité jusqu’à l’échéance de leur contrat.
• L’autorisation du « yield management » ("tarification dynamique" : élasticité forte et permanente du prix) déjà rendu techniquement possible par les compteurs Linky, permettra d’écrêter la demande au niveau de la capacité de production décarbonée).
• Le prix de la fonte sidérurgique augmentera, car il n’est guère possible de moyen de réduire l’émission de CO₂ résultant de la réaction entre le coke et le minerai de fer. Mais le recyclage des ferrailles et leur traitement en aciérie électrique se trouvera renforcé.

Transports routiers :

• Le prix du carburant augmentera encore, réduisant l’usage non indispensable des véhicules des particuliers.
• La mode des SUV et autres monospaces se trouvera contrariée. L’architecture évoluera vers des véhicules plus bas, plus étroits et plus légers, avec une puissance thermique réduite compensée par une hybridation raisonnable, consommant jusqu’à moitié moins.
• Le diesel fera valoir son meilleur rendement sur les véhicules légers ou lourds destinés aux transports interurbains ou internationaux.
• Les véhicules principalement urbains évolueront naturellement vers l’hybride rechargeable, d’autonomie limitée pour en réduire le coût.
• Les véhicules exclusivement urbains (La Poste, taxis, véhicules de livraison au dernier kilomètre en plein développement pour la livraison des achats en ligne) évolueront vers le tout-électrique à batteries.
• A long terme, on peut concevoir l’électrification par caténaires d’une voie  d’autoroute, sur laquelle circuleraient à vitesse autoroutière des véhicules, ou groupes de véhicules très rapprochés, hybrides en mode électrique : autonomie illimitée, recharge de la batterie en roulant, moindre énergie requise (aérodynamique), pas de perte dans la transmission électrique.
• En dépit des annonces de Tesla, les poids lourds interurbains ou internationaux resteront diesel. Ni les batteries, ni l’hydrogène ne sont envisageables à un horizon prévisible. On peut seulement espérer que la taxation plus lourde des carburants restituera un peu de compétitivité aux voies ferrées et fluviales, mais il ne faut pas attendre de miracles. 

Transports aériens :

• Un accord international est indispensable pour appliquer la taxe carbone au kérosène de toutes les compagnies aériennes, et pas seulement des françaises. La hausse du prix des carburants poussera :
• les motoristes à améliorer encore les rendements, c’est-à-dire à augmenter les températures de combustion, mais il n’y aura pas de miracle,
• les aéroports à remorquer les avions au sol par des tracteurs diesel qui consomment énormément moins qu’un réacteur à petite vitesse,
• et les passagers à espacer et à réduire leurs voyages.

Transport fluvial et maritime

• L’essentiel n’est pas de réduire la consommation des bateaux, mais plutôt de leur transférer une part importante du fret car ils constituent le moyen de transport pondéreux à grande distance le moins émetteur de CO₂. Mais il y a là aussi des limites, et il n’y aura pas de miracles.