RÉUSSIR LA TRANSITION
 

Ce site essaye d'analyser l'impact de l'énergie et de sa production sur le développement.
L'auteur de ce site se considère comme prônant l'écologie, bien qu'il soit favorable à l'énergie nucléaire.
La justification de ce point de vue est l'un des sujets abordés dans ce site.

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L'énergie pour la mobilité


Introduction

On a regroupé ici des types de solutions qui concourent à limiter la consommation de carburant liquide pour assurer la mobilité. On pourrait penser qu'il y a des solutions plus faciles en traitant les usages de l'énergie dans les structures fixes et qu'en conséquence, la mobilité ne vient qu'en deuxième priorité. Mais  Le rapport peacking of world oil production montre que l'on va d'abord avoir une pénurie de carburant liquide et qu'il n'y a pas la même urgence du point de vue du charbon par exemple. Si on n'adresse pas ce problème correctement on risque donc une explosion de rejet de CO2 car on fera du carburant de synthèse avec du charbon. Une fois traitée l'énergie pour les structures fixes il est donc nécessaire d'optimiser aussi le volume d'énergie fossile consacré aux transports.

Les véhicules électriques ou hybrides permettent de ne pas consommer de tels carburants ou d'en consommer moins tandis que l'on propose aussi la production de carburants de synthèse à partir de la biomasse ou de l'air et de l'eau.

Le véhicule d'appoint

Parmi les solutions pour minimiser les rejets il est intéressant de considérer le véhicule électrique. Le point qui pose problème est le stockage ou la production de l'énergie: comme on l'a déjà vu la comparaison des masses nécessaires pour stocker l'énergie si l'on envisage un carburant classique ou des batteries est dans un rapport compris entre 24 et 100 suivant le type de batterie.

Il est couramment admis qu'il faut compter 135 wattheures par tonne et par kilomètre pour estimer la masse des batteries. C'est une valeur typique sur laquelle on peut jouer en concevant le véhicule de façon à réduire cette valeur.

Il y a deux raisons pour lesquelles on consomme de l'énergie pour déplacer un véhicule:

  • Les frottements de l'air qui peuvent être réduits par une bonne aérodynamique ou par une réduction des dimensions.

  • Les accélérations et les autres frottements mécaniques.

La masse joue pour les accélérations mais ce facteur est beaucoup moins important pour un véhicule électrique qui récupère l'énergie au freinage que pour un véhicule thermique qui ne le fait pas. C'est pourquoi les véhicules hybrides ont des performances sensiblement améliorées dans les cycles urbains alors qu'elles ne le sont que modérément dans les autres cycles. 
 

Il est possible de concevoir un véhicule d'appoint relativement lourd du fait de ses batteries classiques au plomb mais de dimensions réduites et avec une bonne aérodynamique pour limiter la résistance de l'air. Ce véhicule pourrait servir pour les trajets urbains ou les petits trajets comme les courses ou certains déplacements professionnels.

L'idée et de réduire dans un rapport deux toutes les dimensions d'un véhicule classique, sauf la longueur, et de n'y loger qu'un conducteur, les batteries, la propulsion, et un coffre. On gagne alors un rapport 4 sur la résistance de l'air.
 

Le véhicule hybride familial

Les véhicules hybrides actuellement disponibles sont principalement des véhicules conventionnels à moteur thermique auxquels on a rajouté une motorisation électrique d’appoint et des batteries de capacités réduites.

Ce genre de véhicule améliore la consommation lorsque l’on doit ralentir ou s’arrêter souvent comme dans les villes ou les bouchons par exemple. Mais ce qui semble plus intéressant c’est un véhicule principalement électrique avec un moteur thermique d’appoint.

Les moteurs thermiques ne fonctionnent bien que si leur régime est relativement élevé. Le moteur à combustion interne de nos voitures est l’un des plus souple de ce point de vue ce qui explique son succès. Mais il a quand même fallu lui adjoindre une boite de vitesse et un embrayage pour qu’on puisse l’utiliser pour cet usage. D’autres moteurs comme le moteur de Stirling doivent fonctionner à régime constant mais ont un meilleur rendement.

Le véhicule familial devrait n'être propulsé que par des moteurs électriques ce qui permet de supprimer la boîte de vitesse et l’embrayage. Un moteur de Stirling pourrait recharger les batteries pour permettre les longs déplacements.

Ce moteur thermique n’a pas besoin d’être aussi puissant que s’il était le mode de propulsion principal, il lui suffit d’avoir la puissance moyenne nécessaire pour le déplacement et même un peu moins si on fait l’hypothèse que l’on part avec des batteries chargées.

Pour les véhicules actuels, la
 puissance moyenne utilisée est de l’ordre de 15% de la puissance maximum disponible. Le moteur envisagé pour recharger les batteries d’une berline familiale pourrait être comparable à un moteur de moto en masse et encombrement.

Finalement la motorisation ne serait pas plus lourde en additionnant les moteurs électriques et le moteur thermique d’appoint, et l’économie de masse sur la boîte de vitesse et sur l’embrayage compenserait en partie la masse des batteries.

Ce véhicule hybride aurait une autonomie suffisante pour faire les petits trajets quotidiens uniquement sur batteries, et la possibilité d’être utilisé pour de plus long trajets en minimisant l’usage des combustibles fossiles. Ce véhicule est à vocation familiale et  utilise des batteries haute performance.


L'hydrogène à la demande

Dans "valoriser les déchets" on propose un cycle Ethanol avec reformeur et récupération du gaz carbonique pour résoudre en partie le problème du transport de l’hydrogène dans un véhicule. Cette approche illustre l’idée d’hydrogène à la demande par opposition à l’approche qui consisterait à embarquer de l’hydrogène pur. Cette idée c’est d’avoir un cycle industriel de production de l’hydrogène, qui ne génère pas de gaz carbonique, dont une partie, la plus simple possible, est réalisée dans le véhicule.

Mais la décomposition du méthanol en vue de produire de l’hydrogène est génératrice de gaz carbonique. On montre plus loin qu’il y a un petit  avantage à comprimer ce gaz carbonique plutôt que l’hydrogène correspondant, mais en généralisant l’idée il est possible de trouver des procédés qui simplifient la partie à traiter dans le véhicule et tel que le cycle complet soit économiquement viable.

Il existe des projets d’utilisation du bore. Celui-ci pourrait interagir avec de l’eau pour produire de l’hydrogène et de l’oxyde de bore. Un procédé industriel externe, consommateur d’énergie (de préférence non carbonée) permettrait de régénérer le bore à partir de l’oxyde de bore.

Ce type de cycle industriel dit thermochimique consiste en une suite de réactions chimiques aboutissant à la dissociation de l'eau avec recyclage des réactifs intermédiaires. Il existe trois cycles :

• le cycle Iode-Soufre,
• le cycle Brome-Soufre
• et le cycle de Westinghouse (Sulfure hybride).

Le cycle Iode Soufre est seulement thermochimique alors que les deux autres cycles incluent une électrolyse.

Le cycle Iode-Soufre qui est assez complexe du point de vue chimique semble avoir été prouvé du point de vue de la viabilité. Les réactions chimiques qui le caractérisent sont les suivantes :

(1) 9 I2 + SO2 + 16 H2O→ (2HI + 10H2O + 8I2) + (H2SO4 + 4H2O) -- [120°C]
(2) 2 HI → H2 + I2 -- [220-330°C]
(3) H2SO4 → SO2 + H2O + ½ O2 -- [850°C]


La réaction (2) qui est légèrement endothermique pourrait être réalisée dans un véhicule. Il suffirait de chauffer l’hydrure d’iode jusqu’à la température requise pour produire l’hydrogène nécessaire à la propulsion. On récupèrerait alors le di-iode (I2) pour le recycler.


La faisabilité industrielle semble avoir été prouvée par le japon qui a construit une unité pilote sur ce principe [H. Nakajima, K. Ikenoya, K. Onuki et al. – “Closed-Cycle Continuous Hydrogen Production Test by Thermochemical S_I Process”, Kagaku Kogaku Ronbunshu, 24 (1998) 352 (en Japonais)].

Ce procédé ne nécessite pas d'électrolyse et donc évite les pertes dues au passage de la chaleur à l’électricité. C’est un des procédés qui serait compatible avec l’utilisation directe de la chaleur d’un réacteur nucléaire. Il peut aussi utiliser la chaleur d’un four solaire.

La compression du gaz carbonique 

Dans valoriser les déchets on décrit un procédé qui permet une économie d'énergie liée à la compression d'un gaz dans le cadre de l’utilisation du méthanol pour stocker l’énergie.

Il s'agit de comparer l'énergie nécessaire pour comprimer de l'hydrogène et l'utiliser directement comme carburant, à celle nécessaire pour la compression du gaz carbonique dans le cas d'une filière "méthanol" avec récupération du CO2 et compression de celui ci dans des bouteilles.

On rappelle que pour deux gaz différents, chaque molécule de gaz occupe le même volume, quelque soit sa masse, dans les mêmes conditions de température et de pression .

Le raisonnement est le suivant : une molécule de méthanol CH3OH contient 4 atomes d’hydrogène pour un atome de carbone, il y a donc un rapport 2 entre le nombre de molécules d'hydrogène (H2) produites et le nombre de molécules de gaz carbonique (CO2) à comprimer. On a le choix de comprimer le gaz carbonique issu du reformage du méthanol ou directement l’hydrogène sur le site de production. Dans le premier cas le volume de gaz à comprimer est deux fois moins important que dans le deuxième.

Ce procédé divise donc par deux l’énergie nécessaire pour la compression ainsi que le volume de bouteille à transporter pour une autonomie donnée. A partir d’une certaine autonomie la masse et le volume de bouteille évités compenseront la masse et le volume du reformeur et du compresseur.

Pour donner des ordres de grandeur, l’énergie nécessaire pour comprimer à 700 bars de l’hydrogène est de l’ordre de 10% de l’énergie qui sera restituée par l’hydrogène en question. En substituant la compression du gaz carbonique on passe à 5%.

De plus organiser un cycle du gaz carbonique paraît plus simple et donc moins coûteux qu'organiser un cycle de l'hydrogène pour une autonomie du véhicule sans doute supérieure.

Les batteries et les super capacités

Remplacer les batteries par des capacités? Normalement on y perd de l'autonomie (qui n'est déjà pas suffisante) et on y gagne en temps de recharge et en nombre de cycle charge/décharge. Cependant les nano technologies semblent une approche valable pour stocker l'électricité en gagnant un ordre de grandeur sur ce qui se fait de mieux en capacité. Dans ce cas les temps de charge dépendent principalement du poste électrique (la tension et l'intensité qu'il est capable de fournir) et peuvent être réduit à quelques minutes. Ce point est capital si on veut pouvoir "faire le plein" en route.

Quelques liens pour montrer où on en est réellement sur ce sujet:

http://lees.mit.edu/lees/projects/cnt_ultracap_project.htm

http://pesn.com/2006/02/09/9600232_MIT_Battery/


La performance que l'on peut atteindre aujourd'hui avec cette technologie augmente d'un facteur 10 le résultat obtenu jusqu'à présent avec les capacités classiques. L'intérêt est alors de multiplier le nombre de charges et décharges qu'il est possible de réaliser sans impact majeur sur les performances, et de pouvoir charger en un temps limité à quelques minutes. Le voyage "électrique" à longue distance serait alors facilité si on équipait les aires de repos de nos autoroutes de station de rechargement "libre service". Une telle infrastructure ne me semble pas hors de portée et serait en tous cas moins lourde que ne le fut l'électrification de nos chemin de fer.

Au domicile ou dans les parkings on devrait pouvoir s'équiper pour être capable de recharger en moins d'une heure.

Les batteries ont aussi fait des progrès : la société Envia system annonce une batterie à 400wh/kg contre 245 jusqu'à présent. Le prix aussi est amélioré à 125$/kwh contre 250 - 350 auparavant. La densité volumique semble progresser de la même façon. Avec ce type de batterie on passe d'une autonomie du genre 150 km à une autonomie du genre 300 km pour le même prix de batterie.

D'une manière plus générale le graphique suivant synthétise l'état de la technologie.


 


Dans le même temps des véhicules optimisés autours des caractéristiques de la traction électrique commence à sortir comme l'Astute qui ne pèse que 650 kg, a une habitabilité optimisée de 4 places pour 3 mètres de long, a un système drive by wire qui supprime la liaison mécanique entre le volant et les roues et une autonomie de 300 km.

Investir dans des infrastructures électriques

Lorsqu’on a envisagé de remplacer les locomotives à vapeur par des motrices électriques, il n’est venu à personne l’idée que celles-ci tireraient leur énergie de batteries. C’est pourtant ainsi qu’on voit le passage à la traction électrique sur route. L'autoroute dédiée électrifié est un concept intéressant qui montre l’intérêt de solutions non conventionnelles pour limiter l’usage des combustibles fossiles sur la route.

 


On pourrait même aller un peu plus loin et envisager l’électrification de toutes les autoroutes pour permettre la généralisation de camions à traction électrique. Ces camions pourraient être relativement vite construits sur la base des châssis de tracteurs actuels dont on substituerait un moteur électrique au moteur thermique, la prise d’électricité se faisant à l’aide d’un pantographe.

Ils pourraient être équipés de batteries leur donnant une autonomie de l’ordre de 100 km pour atteindre leur destination finale à la sortie de l’autoroute. La recharge de ces batteries pourrait se faire sur des prises spécialisées dont pourraient être équipées les entreprises ou durant les transits sur l’autoroute électrifiée. Ainsi le temps de chargement déchargement pourrait être mis à profit pour augmenter l’autonomie des camions.

Peut on aussi généraliser ce concept aux automobiles ? Peut être si la prise d’électricité se faisait sur un rail à terre.

On aurait ainsi un véhicule qui effectuerait les petits déplacements quotidiens sur batterie et qui serait quand même capable de déplacements plus long à condition de bénéficier d’une infrastructure électrifiée sur une partie significative du parcours.

Mission « Véhicule 2030 » Jean SYROTA

 
Ce rapport semble faire le tour du sujet de manière convaincante. Parmi les surprises:
  • Les véhicules thermiques actuels peuvent réduire de moitié leur consommation moyennant une optimisation de leurs performances et la réalisation, grâce à des techniques disponibles, de progrès en matière de rendement, de propreté et de flexibilité, ce qui est de nature à leur assurer encore un grand avenir
  • Pour diviser par 2 la consommation énergétique des véhicules « grand public » dans les dix ans à venir, une incitation forte des pouvoirs publics est nécessaire
Parmi les confirmations:
  • Le véhicule hybride rechargeable, qui cumule les avantages du thermique et de l’électricité sans en avoir les inconvénients les plus importants, a toutes les chances d’être le véhicule d’avenir
  • Le carburant liquide à pression atmosphérique et à température ambiante bénéficie d’un avantage considérable comme moyen de stockage de l'énergie.
Il est éclairant de considérer, comme le fait ce rapport, le véhicule hybride non rechargeable comme un véhicule essentiellement thermique avec un complément électrique par opposition au véhicule hybride rechargeable qui lui est un véhicule essentiellement électrique avec un complément thermique.

Impact d'une réduction de la consommation sur les rejets de CO2 de la France

Bien que le rapport estime qu'une division par 2 de la consommation des véhicules "grand public" est possible, on va introduire une hypothèse plus prudente d'une réduction de 25 % à l'horizon 2030 car 50% n'est qu'une possibilité technique et il faut tenir compte des véhicules anciens et de la difficulté à faire accepter le coût initial des améliorations au grand public.

Ce qui est proposé ici est une approche quantitative, dans le cas de la France, pour estimer les impacts des mesures proposées. Pour ce faire on utilise un outil anciennement mis à disposition sur le site de Monsieur Prévot. Il s'agit d'un tableur qui permet, en particulier, d'estimer les rejets de gaz carboniques à partir de différentes hypothèses sur les modes de production de l'énergie y compris l'énergie électrique qui est une variable importante pour différencier les scénarios.

Pour mesurer l'impact il faut partir d'une situation initiale qui est celle de la France en 2006. Pour voir  cette situation initiale et la synthèse globale de toutes les mesures proposées on pourra se reporter sur la page Bilan des impacts des mesures proposées.  Le principal résultat qui permet la comparaison est que la France rejetait 104 Mt de carbone en 2006.

Dans le tableau qui suit, on regroupe l'impact de la consommation réduite, de l'hybridation et de la voiture électrique, et de l'utilisation d'une partie de la biomasse pour produire du carburant de synthèse.
 
Type d'énergie : Charbon electricité biomasse chauff Cogénér gaz biogaz biocarb, géoth prod pétrol, Total  
      chauffage solaire chaleur     biofioul séqustr   cons. finale  
Consommation finale       y/PAC ex biomasse              
Ind, agricult 6,5 12 1,4     12,9 0 0 0 8,2 41  
transport   7       0   6   18 31  
résidentiel tertiaire                        
usages thermiques   11 8,9 0 0 23,4 0 0 0 14,7 58  
électricité spécifique,y/c climatis.   13                 13  
Total énergie finale 6,5 43 10,3 0   36,3 0 6 0 41 143  
                         
Production d'électricité                        
  Ajust,t Pointe Base         autres          
à partir de  charbon charbon biomasse hydraul éolien gaz renouvel nucléaire   prod pétrol    
  sans CCS avec CCS                    
en TWh électr, sans biocarbur 12,3 0 0 70 0 30 0 466     578 TWh
             avec biocarburant   0           549        
puissance installée GW   0     0     75        
                         
                         
consomm  de fossiles pour   y/c biocarbur                    
électricité et biocarbur - MTtep 3,5 0       5            
Total consomm fossile 10 0       41       41 93  
émissions de CO2 10 0       28       37 75,0 MtC
    les coefficients techniques tiennent compte des pertes en cours de production et distribution   274,8 MtCO2

On voit que l'on passe de 104 Mt de Carbone à 75 Mt ce qui fait plus de 28% d'amélioration. La production électrique doit être augmentée pour satisfaire la consommation des véhicules électrique et pour produire des biocarburants avec un apport d'énergie extérieur afin de ne pas trop pénaliser les productions agricoles classiques par la réquisition des surfaces.

La part de charbon et de gaz prévu est nécessaire pour pouvoir gérer les pointes de consommation. Le reste de l'énergie électrique est produit par des centrales nucléaires pour ne pas rejeter de CO2 supplémentaire. L'ensemble de ces hypothèses amène à opérer  75 centrales nucléaires pour satisfaire la demande, soit une augmentation de 21 par rapport à la situation présente. L'économie de CO2 rejeté est de l'ordre de 25 à 30%.

Pour voir la synthèse globale de toutes les mesures proposées on pourra se reporter sur la page Bilan des impacts des mesures proposées.

 
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