vendredi 2 janvier 2015

Energie actuelle du transport routier





Résumé
  • La consommation française totale de carburant pour usage routier, ici considérée comme énergie primaire, s’élève à 9,7 millions de mètres cubes d’essence et 40,4 millions de mètres cubes de gazole.
  • L’énergie mécanique finale, nécessaire à la propulsion, qui en découle, est moins bien connue, car le rendement qui les lie selon le principe de Carnot est mauvais, et très variable selon une foule de paramètres.
  • Le parc routier français comporte 38 millions de véhicules de diverses catégories,  faisant ici l’objet de pondération selon leur taille, qui parcourent annuellement l’équivalent de 636 milliards de kilomètres de véhicule de particuliers.
  • Il en ressort une consommation moyenne de 7,8 litres de gazole aux 100 Km.
Dans le deuxième message, partant d’un véhicule-type diesel actuel et d’une utilisation-type, nous calculerons les diverses énergies finales, principalement mécaniques, nécessaires à la propulsion, puis évaluerons le rendement du moteur thermique dans ses différentes conditions d’utilisation pour parvenir à une consommation calculée, dont la coïncidence avec la consommation constatée validera la modélisation.

 Dans le troisième message, la même modélisation pratiquée sur 6 architectures de véhicules (hydrogène, batterie, caténaires et leurs hybrides) selon la même utilisation-type, aboutira au besoin d’énergie finale de chacune. L’évaluation des rendements, assez bien connus, permettra ensuite le retour à l’énergie primaire, ici toujours électrique, afin de quantifier la production électrique nationale supplémentaire.

 Basé sur les trois précédents, un quatrième message tentera de décrire les scénarios les plus probables


1.     Besoins primaires actuels

Consommation nationale de carburant

En 2012, le parc routier circulant en France a consommé 9,7 millions de mètres cubes d’essence et 40,4 millions de mètres cubes de gazole (chiffres Union Routière de France) correspondant à 523 TWh d’énergie thermique. Ces carburants sont utilisés par des moteurs thermiques qui les transforment en énergie mécanique destinée à vaincre les forces de roulement, aérodynamiques, d’inertie et de gravité du véhicule, et à entraîner des auxiliaires : compresseur de climatisation, et alternateur fournissant l’énergie électrique nécessaire aux équipements électriques (éclairage, électronique, servomoteur, parfois chauffage des sièges…).




Si l’énergie ici primaire (carburants consommés) est ainsi bien connue, il n’en va pas de même de l’énergie finale mécanique produite, qui est liée à la première par un rendement :
  • assez mauvais en application du principe de Carnot-Clausius,
  • variable selon les véhicules et leur état d’entretien,
  • très variable selon les conditions de circulation et le comportement du conducteur
  • généralement évalué entre 25 et 30% en moyenne, à l’intérieur d’une très large fourchette de 10% à 40% selon le point de fonctionnement du moteur dans le diagramme « Couple vs. Vitesse de rotation », et même 0% au ralenti avec auxiliaires inactifs.


1.2. Parc routier

Dans les statistiques de l’URF, le parc actuel (2012) est segmenté :
  • Par carburant : Essence ou Gazole,
  • Par type de véhicule :
    • VP : Véhicules de Particuliers
    • VUL : Véhicules Utilitaires légers (PTC < 3,5 tonne)
    • VI : Véhicules Industriels (3,5 < PTC < 44 tonnes)
    • C&B : Car et Autobus


Quantité (K unités)
Essence
Diesel
Total
VP
12 223
19 377
31 600
VUL
417
5 479
5 896
VI
0
541
541
C&B
0
87
87
Total
12 640
25 484
38 124




1.3. Parcours routier 

La même source donne le parcours annuel par catégorie. Il est facile de l’extrapoler par carburant, en vert, en conservant la moyenne pondérée.

Parcours unit. (Km)
Essence
Diesel
Moy. pond
Commentaires
VP
9 054
15 000
12 700
Validé par la ligne VP du tableau suivt.
VUL
11 760
16 000
15 700
VUL essence rares. Peu critique
VI
0
33 100
33 100

C&B
0
36 200
36 200


Aux fins de valider cette extrapolation, on pondère les véhicules au prorata de leur consommation estimée en conservant pour base le VP diesel, de loin le plus répandu :

Pondération
Essence
Diesel
Commentaires
VP
0,9
1,0
Les VP essence sont en moyenne plus petits
VUL
1,3
1,6
La plupart des VUL a des « S Cx » plus élevés
VI

5,0
Un VI consomme en moyenne 5 fois plus qu’un VP
C&B

3,0
Un bus consomme en moyen. 3 fois plus qu’un VP

Le produit terme à terme des 3 tableaux ci-dessus permet d’aboutir au parcours (en milliards de Km) d’un parc constitué de véhicule-type, correspondant au VP diesel moyen, en quantité majorée selon les coefficients de pondération, et aboutissant à la même consommation globale :

Parcours total (G Km)
Essence
Diesel
Total
VP
100
291
390
VUL
6
140
147
VI
0
90
90
C&B

9
9
Total
106
530
636


1.4. Consommation moyenne par véhicule

Ces totaux peuvent être rapprochés des consommations annuelles constatées (en millions de m3) par carburant pour aboutir à la consommation moyenne du véhicule-type :

Consommation (M m3)
Essence
Diesel
Total
Ensemble
9,7
40,4
50,1
Coeff. équivalence gazole
93%
100%

Consom. ramenée au gazole
9,0
40,4
49,4
Consom. moy. l/100 Km
8,53
7,62
7,77

Ce chiffre peut paraître élevé en regard des consommations affichées par les constructeurs selon cycle NDEC. Il n’en n’est rien, car ces dernières sont purement théoriques et pratiquement non reproductibles, alors que le chiffre ci-dessus intègre les conditions de trafic difficiles, les véhicules anciens (moyenne du parc tourisme de 8,3 ans), le mauvais entretien, les conducteurs maladroits, nerveux ou sportifs, les freins aérodynamiques (galeries, vélos…), la consommation des auxiliaires (climatisation, éclairage, servomoteurs, électronique), etc.

1.5. La transition énergétique

Que ce soit pour des préoccupations écologiques ou en raison de l’épuisement des  ressources en pétrole, il est nécessaire d’envisager, à très long terme, un parc routier sans carburants fossiles.



La substitution des biocarburants ne pourrait être qu’une solution partielle, et probablement provisoire, car ils sont en concurrence avec l’alimentation humaine, laquelle est en croissance démographique et qualitative. Leur mise en œuvre dans les véhicules étant quasi-identique, elle ne nécessite pas de connaître l’énergie finale avec précision. Pour ces deux raisons, nous ne les considérerons pas dans cette analyse.

Les véhicules hybrides apportent une amélioration significative de l’efficacité énergétique en milieu urbain, et connaissent de ce fait une croissance rapide. Néanmoins, ils tirent du carburant toute (si non connectables) ou la majeure partie (si connectables) de leur énergie primaire. Nous ne les considérerons donc pas non plus ici.

Les solutions alternatives reposent toutes sur l’utilisation de l’énergie électrique selon 3 familles pouvant être hybridées entre elles :
  • Stockage dans des batteries
  • Utilisation de l’hydrogène électrolytique comme vecteur d’énergie
  • Utilisation directe à partir de caténaires.
Il va de soi que si, dans un avenir lointain, tout le parc routier devait être électrique, ses besoins en énergie électrique nécessiteraient un développement important des moyens de production. Pour l’évaluer, nous procéderons en  deux étapes, chacune dans un message dédié, selon le schéma ci-dessous :



Dans le second message, analyse du véhicule diesel-type sur le trajet type, c’est à dire la situation actuelle:
  • En 3.1. paramètres du véhicule-type et en 3.2.  profil d’utilisation
  • En 3.3 besoins en énergie finale (principalement mécanique) :
  • En 3.4.1. hypothèses de rendement déterminant en 3.4.2. le besoin en énergie primaire (ici carburant) et modification ou validation en 3.4.3. des hypothèses ci-dessus
Dans le troisième message, analyse des véhicules alternatifs sur le même trajet-type, et de leur consommation électrique
  • Architectures alternatives et de leur rendement pour les mêmes des paramètres et profil d’utilisation que le véhicule-type
  • Besoin des architectures alternatives en énergie primaire (ici électrique), et évaluation de l’énergie supplémentaire requise pour un parc entièrement électrique.



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vendredi 24 octobre 2014

Stockage thermique de l'énergie électrique





Résumé

Le stockage thermique par absorption et restitution d’énergie électrique, théoriquement possible, conduit le plus souvent à une double application du principe de Carnot, et donc à un rendement déplorable aggravant un coût élevé. Il n’est donc pas utilisé, mais connaît deux substituts qui évitent cet écueil:
  • Le stockage thermique aval pour utilisation directe est très pertinent et très répandu. Il consiste à chauffer naturellement ou par voie électrique un corps plus ou moins isolé (bâtiment, eau chaude, briques réfractaires, sels fondus, matériaux à changement de phase) qui stockent la chaleur sous forme sensible ou latente, et le restituent, avec un retard choisi ou subi, sous forme de chaleur à basse température, disponible quand la source ne l’est plus (soleil, électricité excédentaire).
  • Le stockage thermique amont n’a d’intérêt que pour des centrales solaires thermiques, car les autres sources de chaleur (nucléaire, fossiles) sont permanentes. Il consiste à stocker de la chaleur à haute température sous forme sensible dans des sels fondus, et à la restituer pour prolonger la période de production pendant les pointes de soirée.


Stockage électrique sous forme thermique

Il part de l’idée, incontestable, que l’énergie électrique excédentaire peut aisément être transformée en chaleur par effet joule, que la température du stockage n’est pas limitée (sinon par des contraintes technologique liées aux matériaux utilisés), et que l’on peut restituer l’énergie au cours des pointes de consommation par une nouvelle transformation en énergie mécanique, puis électrique. C’est l’adjonction cerclée en rouge ci-dessous.



Ce schéma, tout à fait réalisable, présente néanmoins de sérieux inconvénients :
  • La transformation finale d’énergie thermique en énergie électrique est soumise au principe de Carnot-Clausius, c’est-à-dire à un rendement d’autant plus médiocre que la « source chaude » ne l’est pas assez.
  • Or, dans la plupart des cas, l’énergie électrique amont provient d’énergie thermique (nucléaire, fossile…) qui a été convertie en énergie mécanique, puis électrique par une transformation déjà  régie par le principe de Carnot-Clausius qui s’appliquerait ainsi deux fois, et déboucherait donc sur des rendements inacceptables de l’ordre de 14% par rapport aux énergies primaires.
  • Et ce résultat déplorable serait obtenu par deux centrales électriques travaillant en série et additionnant leurs coûts, pour parvenir  un coût extravagant de l’énergie électrique restituée, à savoir 7 fois (=1/14%) le coût de l’énergie primaire, plus le coût du stockage et deux fois le coût de production…
Inutile d’insister : ce schéma n’est pas, et ne sera jamais utilisé. 

Mais il connaît deux substituts qui contournent les écueils ci-dessus, le stockage thermique amont, d’intérêt limité, et surtout le stockage thermique aval, très courant et tout à fait pertinent, décrits ci-dessous.

Stockage thermique aval pour utilisation directe

Le stockage thermique aval consiste à utiliser de l’énergie électrique en heures creuses pour chauffer de l’eau ou toute autre matière de chaleur latente  ou sensible  suffisante en vue de la restituer sous forme de chaleur. Ce stockage est très courant, et peut même être involontaire. Citons, par sophistication croissante :
  • L’inertie thermique naturelle d’une caverne, d’une habitation troglodyte ou d’une vieille bâtisse aux murs très épais, assure un lissage des variations diurnes de la température extérieure. La masse assure à la fois un stockage important et une très relative isolation.
  • L’isolation thermique extérieure, rare en France, sinon dans les locaux d’activité, mais courante en Europe du Nord, agit de la même manière, mais a été optimisée en séparant clairement l’isolation extérieure et le stockage dans la structure intérieure.
  • Le stockage d’eau chaude dans un ballon classique, le plus souvent à chauffage électrique, mais aussi à chauffage par panneaux solaires thermiques, notamment dans le midi et dans les DOM-TOM, permet une utilisation différée. Il est utilisé dans les radiateurs électriques intelligents Lancey.
  • Le chauffage par résistances placées dans un matériau pondéreux et de chaleur spécifique élevée, le plus souvent des briques réfractaires, permet un chauffage quasi-continu avec une alimentation discontinue, évidemment sans miracle énergétique : l’énergie restituée est la moyenne de l’énergie absorbée, contrairement à ce que certaines publicités pourraient laisser croire ! On utilise ici la chaleur sensible, c’est-à-dire liée à une variation de température.
  • Le stockage de chaleur à basse température, quelle qu’en soit l’origine, par des sels fondus qui l’absorbent sous forme de chaleur latente. On utilise à cet effet des combinaisons chimiques choisies en fonction de leur point de fusion, qui doit être d’au moins 40°C mais pas trop élevée, tels que l’acide dodécanoïque (42°C) et l’acétate trihydrate de sodium (57°C).
  • Enfin, on voit néanmoins apparaître des matériaux à changement de phase (MCP) dont la température de fusion/solidification est aux alentours de  21°C : ils restituent de la chaleur latente si leur température dépasse 21°C, et en absorbent en dessous de cette température, dans la limite de leur masse fusible. 
    • Installés en quantité suffisante dans une pièce bien isolée, ils constituent une climatisation passive, qui ne consomme rien, mais qui ne fonctionne que si les températures extrêmes quotidiennes sont équilibrées de part et d’autre de leur température de fusion. 
    • Utilisés en complément d’apports thermiques, ils peuvent filtrer les variations quotidiennes de température, et donc différer l’utilisation des compléments thermiques au moment opportun.





Mais tous ces exemples, au demeurant  tout à fait pertinents, ne constituent en rien un mode de stockage de l’énergie électrique, puisqu’ils ne restituent pas d’énergie électrique, mais seulement de la chaleur à une température trop basse pour pouvoir être transformée en énergie mécanique selon le principe de Carnot-Clausius. Ils tirent leur pertinence du fait qu’ils permettent d’absorber de l’énergie (électrique, solaire thermique, ou autre), quand elle est disponible dans de bonnes conditions (faible demande sur le réseau électrique, soleil en journée, etc.) pour la restituer sous la forme thermique à laquelle elle était destinée, lorsqu’on en a besoin (chauffage en heures de pointe, eau chaude sanitaire, etc.).


Stockage thermique amont pour production électrique

Ce scénario, théoriquement possible, consisterait à stocker la chaleur résultant de la source d’énergie primaire intermittente, solaire thermique par exemple, ou d’origine électrique excédentaire en heures creuses, pour la restituer en la convertissant en électricité pendant les heures de pointe. Bien entendu, cette conversion est soumise au principe de Carnot-Clausius, exactement comme si la chaleur avait été utilisée dès da production.

Circonstance aggravante, le stockage suppose un premier transfert de chaleur depuis l’énergie primaire jusqu’au stockage (chaleur latente de sels fondus par exemple) puis un deuxième transfert du stockage vers le fluide thermodynamique (l’eau par exemple), chacun de ces transferts nécessitant une baisse de température. Les inévitables pertes thermiques de stockage se traduiraient par une baisse de température supplémentaire. Il s’en suit que la « source chaude » le serait nettement moins, amenant un rendement de conversion significativement inférieur à celui de production directe à partir de l’énergie primaire.


 Mais surtout, ce scénario manque singulièrement d’objet :
  • Les énergies fatales telles que éolien, photovoltaïque et hydraulique au fil de l’eau produisent de l’énergie électrique directement (photovoltaïque), ou via l’énergie mécanique (éolien et hydraulique au fil de l’eau). Reconvertir cette énergie électrique en chaleur aux fins de stockage serait une absurdité.
  • Les énergies fossiles (charbon, fioul, gaz naturel) sont aisément stockables en l’état, et les convertir en chaleur par anticipation n’aurait strictement aucun sens.
  • L’énergie nucléaire, dont la source chaude l’est un peu moins que celle des énergies fossiles, perdrait donc encore plus à un stockage thermique absorbant la chaleur de l’eau secondaire. Par surcroît, étant généralement disponible en permanence, elle est disponible aussi pendant les pointes.
L’avant-projet pharaonique Desertec, récemment abandonné, comme nous l’avions prévu, reposait sur ce principe. Il portait sur un parc de centrales solaires thermiques situées au Sahara, et destinées à alimenter l’Europe en énergie électrique. Comme les pointes de consommation européennes sont en début ou en fin de nuit, alors qu’une centrale solaire ne fonctionne qu’avec le soleil assez haut sur l’horizon, ses promoteurs envisageaient de résoudre le problème par de vastes stockages thermiques par sels fondus à haute température. On était vraiment en droit de s’interroger sur la pertinence d’un tel projet qui cumulait des difficultés majeures, et dont le but réel pouvait bien être la captation de crédits de recherche en provenance d’Europe !

Plus modestement, Areva cite cette solution pour prolonger en soirée la plage d’utilisation de centrales thermiques solaires par un stockage de chaleur à sels fondus dans deux réservoirs chaud et froid, et réchauffage de la vapeur d’eau par un échangeur sel / eau, selon le schéma ci-dessous :


Quoi qu’il en soit, à proprement parler, ce principe n’est pas non plus, un stockage d’énergie électrique sous forme thermique, puisqu’il n’absorbe pas d’énergie électrique en amont.






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Principes de l'énergie thermique




Résumé
  • La chaleur est une des formes de l’énergie, et se mesure donc en joules. Mais elle n’est pas équivalente aux énergies mécanique et électrique. Celles-ci sont aisément convertibles entre elles dans les deux sens avec un très bon rendement et en chaleur avec un rendement de 100%. La conversion de chaleur en énergie mécanique est possible avec un rendement médiocre qui résulte du principe de Carnot, le plus souvent de 20% à 40% (moteurs conventionnels) et au mieux 60% (centrales à cycle combiné). Il s’améliore si la chaleur est disponible à une température élevée, et inversement.
  • Le stockage thermique dans un matériau se fait par sa chaleur sensible, liée à l’élévation de da température, ou par sa chaleur latente, liée à un changement d’état, pratiquement fusion ou solidification.
  • Un transfert thermique d’un corps à un autre nécessite un différentiel de température qui va toujours du plus chaud au plus froid, et réduit donc la température de cette chaleur.


Conversion des énergies

La chaleur est une des formes de l’énergie. L’unité était autrefois la calorie, qui est la quantité de chaleur nécessaire pour augmenter de 1°C la température de 1 gramme d’eau, donc très concrète. Elle est maintenant exprimée en joules, qui a l’avantage d’être l’unité rationnelle internationale, avec la relation : 1 calorie = 4,18 joules

Le joule est utilisée indifféremment pour l’énergie mécanique, l’énergie électrique ou l‘énergie thermique (chaleur), mais ceci ne signifie pas que ces énergies soient équivalentes, loin de là.
  • L’énergie mécanique et l’énergie électrique sont aisément convertibles de l’une à l’autre, dans les deux sens, avec un rendement qui peut approcher les 100  % avec des machines de fortes puissances et bien conçues.
  • L’énergie thermique, ou chaleur, est la forme la plus dégradée de l’énergie :
    • L’énergie mécanique, comme l’énergie électrique, peuvent très aisément être converties en chaleur (respectivement par frottements et effet joule) avec un rendement qui est naturellement de 100%.
    • La transformation directe de la chaleur en énergie électrique est extrêmement limitée et ne connaît aucune application énergétique, se limitant à la métrologie (thermocouples).
    • La transformation de chaleur en énergie mécanique est courante, mais délicate, car régie par les deux principes de la thermodynamique, qui sont de portée universelle (gaz parfait ou non) :
      • Le premier principe (conservation de l’énergie) indique que l’énergie mécanique produite par un fluide est égale à la chaleur Q1 reçue de la source chaude (amont) à la température T1 diminuée de l’énergie  Q2 restituée à la source froide (aval) à la température T2.
      • Le second principe (de Carnot-Clausius) stipule que Q1/Q2 = - T1/T2  (le signe - caractérise l’énergie restituée)
      • Le rendement, compris comme le rapport entre Q1 et l’énergie mécanique restituée a  un maximum théorique qui est : 1 - T2/T1.
    • La plupart des moteurs thermiques ont un rendement réel compris entre 20% et 45%, et les systèmes les plus sophistiqués (centrales à gaz à cycle combiné) plafonnent vers 60%.


Il s’en suit que, pour être exploitable ailleurs qu’en chauffage, la chaleur doit être disponible à une température élevée. Sa « qualité » est proportionnelle à sa température absolue. On note aussi l’importance de la source froide : Si, par exemple, T1 = 700°K et T2= 350°K, alors une baisse de 10°K de la source froide apporte autant qu’une élévation de 20°K de la source chaude.

C’est pour cette raison que les centrales thermiques, nucléaires ou conventionnelles, sont très souvent placées près d’un cours d’eau ou sur le littoral maritime, et comportent des tours (souvent hyperboloïdes de révolution) de réfrigération atmosphériques qui refroidissent par évaporation partielle (d’où leur panache blanc de condensation),  l’eau utilisée pour le refroidissement des condenseurs des turbines à vapeur.

Stockage thermique

L’absorption de chaleur est nécessairement due :
  • Soit à l’élévation de température d’un corps, et elle est alors dite « sensible »,
  • Soit au changement de l‘état solide vers l’état liquide (fusion) à température constante, et elle est alors dite « latente ».

Inversement, la restitution de chaleur est due :
  • Soit à la baisse de température d’un corps restituant la chaleur sensible,
  • Soit au changement de l‘état liquide vers l’état solide (solidification) à température constante, restituant la chaleur latente.

Notons qu’en application du 2ème principe, la chaleur circule toujours du corps le plus chaud vers le corps le plus froid.  S’il n’y a pas de différence de température il n’y a pas de transfert. Il s’en suit que :
  • La température de stockage est nécessairement un peu inférieure à celle de la source amont.
  • La température de restitution est nécessairement un peu inférieure à celle du stockage.

La chaleur latente de vaporisation, beaucoup plus élevée que la chaleur latente de fusion, ne peut pratiquement pas être exploitée en raison de la difficulté à stocker des gaz : très grand volume, ou pression élevée qui modifie la température de vaporisation.

Prenons  pour exemple le stockage de 93 Kwh = 335 Mj = 80 000 Kcalories dans 1 m3 d’eau :
  • sous forme de chaleur sensible, il faut élever la température de 80°C, par exemple de 10°C à 80°C (eau liquide)
  • sous forme de chaleur latente, il faut liquéfier 1 tonne de glace en 1 m3 d’eau à température constante de 0°C.

L’intérêt de la chaleur latente est évident, puisqu’elle permet d’opérer à température de stockage constante. Toutefois la température de stockage de 0°C est trop basse pour la plupart des applications.

On verra plus loin que les températures souhaitables pour le stockage de la chaleur sont, dans la pratique, dans deux plages très différenciées :
  • Stockage de chaleur  d’origine intermittente (thermique solaire, ou électrique éolienne ou photovoltaïque), en vue de sa transformation ultérieure en énergie mécanique, puis électrique : le stockage doit être fait à une température aussi élevée que possible, limitée seulement par la technologie du stockage. On peut utiliser :
    • La chaleur sensible de sels fondus choisis pour leur température de fusion appropriée et une chaleur latente élevée tels que le « HTS » (Heat Transfer Salt), aussi appelé HITEC®, un mélange de nitrate de potassium K NO3, de nitrite de sodium Na NO2 et de nitrate de sodium Na NO3, qui forme un eutectique liquide à 421°K, et utilisable jusqu’à 770°K. Ils ont l’avantage d’être liquides, ce qui permet de transporter la chaleur par circulation du liquide.
    • La chaleur sensible de revêtements en briques, ou autres matériaux, réfractaires, dont la température peut dépasser 1000 °K, avec l’inconvénient d’être solides : un autre fluide, l’air par exemple,  soit apporter la chaleur et venir la rechercher
  • Stockage de chaleur de toutes origines pour utilisation ultérieure sous forme de chauffage domestique ou tertiaire, ou d’eau chaude sanitaire. On peut utiliser les mêmes solutions que ci-dessus avec des matériaux appropriés aux températures plus basses, mais l’eau, qui est à la fois propice au stockage jusqu’à 100°C, au chauffage des locaux par radiateurs, et utilisée en l‘état (après mélange) pour l’eau sanitaire, est la solution la plus fréquente.





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