Boulevard du Développement Durable

La question peut paraître saugrenue mais elle interroge le principe d’hybridation des véhicules et la place grandissante que prend, tant pour les pouvoirs publics que dans l’esprit des professionnels et des particuliers, l’utilisation de l’électricité pour la mobilité. Une énergie renouvelable qui s’impose désormais comme l’énergie d’un futur propre et sûr. Certes, il est encore difficile de reléguer l’utilisation des carburants au rang d’énergie « vraiment fossile », mais le changement est en marche. Nous vous proposons un panorama des énergies automobiles actuelles et la découverte du vecteur d’énergie hydrogène, la promesse d’un avenir meilleur et plus propre.

Le rendement énergétique est l’alpha et l’oméga des constructeurs automobile. Il reflète la capacité d’un car-burant ou d’un matériau à fournir de l’énergie où le rapport entre l’énergie nécessaire pour le produire et l’énergie qu’il produit. Il fait l’objet de deux types d’approches : une approche constructeur « Tank-to-Wheel » qui est le calcul du rendement énergétique d’un véhicule du réservoir à essence aux roues et une approche environnementaliste et stratégique avec le rendement énergétique « Plant-to-Wheel » (de l’entrée de raffinerie au roues).
Ainsi dans la première approche, le rendement énergétique « Tank-to-Wheel » (du réservoir à essence aux roues) des meilleurs véhicules à moteur à explosion (hors hybrides) est, aux conditions habituelles d’utilisation, généralement inférieur à 22% pour le diesel et à 18% pour l’essence. Des valeurs contenues dans de nom-breux rapports d’experts, comme ceux de l’Agence Internationale de l’Energie mais aussi de constructeurs comme Renault, Mitsubishi.
Pour les véhicule électriques, le rendement énergétique « Tank-to-Wheel » (de la prise électrique aux roues) est typiquement de 72% (65 à 80%) avec les batteries lithium : environ 88-90% pour le chargeur et de 85 à 95% pour le cycle de charge et décharge avec batteries lithium ; 96- 98% pour l’électronique de contrôle ; et de 90 à 95% pour le moteur électrique.
La différence entre les deux types de véhicules est si frappante qu’on se demande pourquoi nous ne sommes encore qu’à 3 % de véhicules hybrides et 1 % de véhicule électriques en France ?
Mais l’on s’aperçoit que dans l’approche « Plant-to-Wheel », l’écart se resserre entre le rendement énergétique des véhicules à carburant fossile les plus performants (hors hybrides) et celui des véhicules électriques. Pour les véhicules thermiques, il est d’environ 14% pour l’essence et 18% pour le diesel. En effet : Le rendement énergétique « Plant-to-Tank » (de l’entrée de raffinerie au réservoir), qui prend en compte l’énergie consommée par le raffinage et le transport du carburant, est d’environ 80%. C’est-à-dire que le raffinage et la distribution d’un litre de carburant arrivé au réservoir du véhicule consomme l’équivalent énergétique d’un quart de litre de carburant.
Le rendement énergétique « Plant-to-Wheel » (de l’entrée de la centrale électrique aux roues) d’un véhicule électrique est lui d’environ 27% avec les batteries Lithium. En effet le rendement énergétique « Plant-to-Tank » (de l’entrée de la centrale électrique à la prise électrique), prenant en compte l’énergie consommée par la production et la distribution d’électricité, est estimé à environ 37% car le rendement énergétique de la produc-tion d’électricité est difficile à estimer ; il varie fortement en fonction du type de centrale : environ 30-40% pour les centrales thermiques conventionnelles, 50-55% pour les centrale à cycle combiné à gazéification intégrée, 55-65% pour les centrales à gaz à cycle combiné, jusqu’à environ 90% pour les cogénérations où toute la vapeur est réutilisée. Par ailleurs, toute comparaison est difficile pour les centrales n’utilisant pas des carbu-rants fossiles (éoliennes, hydro-électriques, nucléaires…). Un chiffre d’environ 40% est cependant souvent considéré comme une moyenne utile pour ce type de calcul. Pour ce qui concerne le rendement énergétique de la distribution d’électricité qu’il faut rajouter pour arriver à la prise où à la borne de recharge il est en moyenne d’environ 92.5% (90 à 95%) pour la distribution d’électricité. L’AIE retient elle 93% à l’échelle mon-diale. A noter que si l’électricité est produite localement, à la maison, avec un panneau photovoltaïque ou une micro-éolienne, ces pertes deviennent presque nulles.
Le rendement énergétique « Plant-to-Tank » est donc estimé à environ 37% (= 40% x 92.5%). Sachant que le rendement « Tank-to-Wheel » est en moyenne de 72 %, le rendement énergétique « Plant-to-Wheel » moyen des véhicules électriques est donc d’environ 27% (= 72% x 37%) avec batteries Lithium. Un écart qui est étonnamment moins important que le rendement énergétique intrinsèque de chacun des véhicules. Mais de là à en tirer des conclusions sur la cause de la prééminence des énergies fossiles dans le monde de l’automobile, il y a un pas que nous ne saurions faire.
Ce qui est certain c’est que même dans des conditions d’utilisation optimales (travail à pleine charge), le ren-dement des moteurs à essence est très loin d’égaler celui des moteurs électriques.
Donc dans le contexte du marché automobile actuel la réponse à l’objectif de l’augmentation du rendement des véhicules thermiques lié à une réduction des consommations et des émissions de polluants, ne peut donc comme l’affirme Johan Ransquin, chef du service mobilité à l’Ademe « être uniquement technologique. La technologie représente 50 % de l’effort, les 50 % restant relèvent des comportements et des usages ». De fait, le concept d’intermodalité qui va à l’encontre de la logique de possession d’un véhicule (appuyé sur le taux d’immobilisation des véhicules particuliers qui est de 95 %), introduit la notion d’usage par le biais de l’autopar-tage, du mix train-location de voiture, etc. C’est pour l’Ademe l’une des voies à approfondir pour atteindre les réductions d’émissions. Cependant l’importance du choix des automobilistes en matière de véhicule reste prééminent, car « quitter le schéma ultra-dominant 1/3 essence - 2/3 diesel permettra de réduire les émissions de gaz à effet de serre et de certains polluants » souligne Johan Ransquin. Effectivement, le mix de transport ne se satisfait plus d’une seule source d’énergie. Il faut adapter les énergies aux usages. Les Véhicules électriques sont là pour l’urbain et le dernier km, les véhicules essence et diesel, pour les longues distances. Mais ces derniers doivent céder progressivement la place aux technologies hybrides et aux vecteurs d’énergie comme le GNV et l’Hydrogène et faire la part belle au véhicule électrique.

L’Hybridation électrique un entre deux très prometteur.
Le système Stop & Start® permet, en ville, d’économiser entre 6 et 15 % de carburant (8 g de CO2/km en moyenne) et de diminuer les nuisances sonores. Ce système peut équiper les voitures à essence comme les Diesel ; le freinage récupératif permet une économie de carburant de 15 % ; avec l’optimisation du moteur thermique, le moteur électrique évite la surconsommation du moteur thermique au moment de l’accélération ; enfin, un véhicule hybride peut être propulsé entièrement en mode électrique sans intervention du moteur thermique (fonction E-drive® sur la Toyota Prius). Les hybrides « rechargeables » (plug-in hybrid) se rechargent sur les bornes et le réseau électrique domestique.

La traction électrique, un enjeu,œ l’autonomie
Si vous avez déjà conduit un véhicule électrique, vous avez pu constater une puissance incomparable à celle d’un moteur thermique. Disponible immédiatement et linéaire elle offre un plaisir de conduite que l’on oublie pas. De plus le moteur nécessite très peu d’entretien comparativement à un moteur à essence ou Diesel et a une durée de vie bien supérieure. Aujourd’hui les voitures électriques atteignent une autonomie moyenne de l’ordre de 150 à 200 km (Renault Zoé, Kangoo Ze, Peugeot Ion et Partner, BMW i3, Volkswagen e-up et e-golf, Citroen C1 eV’ie et e-Méhari, Fiat e-500,...). La Nouvelle Nissan Leaf affiche elle 250 Km d’autonomie et la Tesla model S reste la reine avec plus de 500 Km. Elles sont toutes bien adaptées pour les trajets quotidiens urbains.

L’hydrogène, un futur idéal pour la mobilité automobile
Sans autres émissions que de la vapeur d’eau à l’échappement, le véhicule fonctionnant à l’hydrogène peut apparaître comme une solution inépuisable et propre. Cependant, il existe une différence entre l’élément hydrogène, c’est-à-dire l’atome, et la molécule d’hydrogène H2, le combustible. L’atome est disponible à profusion puisque chaque molécule d’eau ou de gaz naturel en contient, en revanche, on ne trouve pas le combustible H2 dans la nature : il faut le produire. C’est le type d’hydrogène qui était utilisé il y a plus d’un siècle dans les premiers réverbères mais également dans le chauffage et aujourd’hui dans l’automobile.
Environ 50 millions de tonnes d’hydrogène sont produites par an pour désulfurer les carburants en raffinerie et pour produire de l’ammoniaque. Ce volume suffirait à ravitailler 250 millions de véhicules comme la Mirai de Toyota, à raison de 20 000 km/an. Il existe différentes façons de produire de l’hydrogène, la plus vertueuse réside dans l’électrolyse de l’eau, en utilisant de l’électricité issue de sources renouvelables – éolienne ou solaire par exemple ou même encore à partir de la biomasse.

Le GPL et le GNV un potentiel de développement à confirmer
Les moteurs au GPL et au GNV rejettent très peu d’oxydes d’azote (NOx) et pas de particules. Ils ne produisent pas ou peu de polluants comparés à l’essence ou au gazole. Leurs rejets de CO2 sont comparables à ceux des Diesel, à égalité de puissance moteur. Les moteurs à gaz naturel sont souvent issus de la conversion de moteurs diesel ou à essence existants puisque le marché relativement réduit n’incite pas à des développements lourds spécifiques. Des moteurs spécialement conçus pour le gaz naturel sont en cours de développement. L’IFPEN a d’ailleurs développé un prototype de véhicule hybride au gaz naturel avec Gaz de France, l’Ademe, Valéo et l’IFSTTAR. Installé sur une Smart, il est fondé sur le concept du downsizing qui consiste à réduire la taille du moteur en lui associant une suralimentation adaptée. Les performances techniques et environnementales du démonstrateur ont été assez significatives puisque les émissions de CO2 sont inférieures à 84 g/km le plaçant au niveau de la norme Euro 5. Le gaz naturel pourrait atteindre encore de meilleurs résultats sur un véhicule hybride (électricité/GNV) surtout si ce type de moteur est développé avec les biogaz.

Les biocarburants, la controverse de la production et du respect et de l’environnement
Un biocarburant est un carburant obtenu après transformation de produits d’origine végétale ou animale.
Les biocarburants de 1ère génération valorisent l’organe de réserve de la plante, des graisses animales ou des déchets. La seconde génération de biocarburants est, elle, issue de source ligno-cellulosique (bois, feuilles, paille, etc.). Au lieu d’utiliser les graines ou les tubercules des plantes comme dans la première génération, les nouveaux procédés cherchent à améliorer le bilan énergétique en utilisant toute la plante. Produits à base de végétaux non comestibles, ils dissocient les cultures alimentaires et énergétiques avec un meilleur bilan énergétique et environnemental que la première génération (consommation en eau et engrais réduite).
Mais si la production de biocarburants de première génération a permis une diversification importante notamment pour les filières de production de betterave et de colza, concernant près de 18 000 emplois et a généré par ailleurs des co-produits utilisés en alimentation animale (tourteaux de colza, drèches de blé, pulpes de betteraves), en chimie (glycérol), il faut relativiser ce bilan au regard de différents impacts négatifs : l’impact environnemental lié aux modes de culture (agriculture intensive et extensive) et l’impact sur les prix alimentaires car ces biocarburants sont régulièrement accusés de générer des tensions sur les marchés alimentaires. Quant à la seconde génération, comme pour d’autres productions agricoles intensives, la tentation de recourir aux OGM pour accroître la production menace l’équilibre environnemental. Les espèces végétales utilisées pour la production de biocarburant de seconde génération sont très résistantes et vivaces.
L’utilisation des biocarburants se fait dans les moteurs à essence et diesel. Elle permet de diminuer les émissions de gaz à effet de serre (GES) et de certains polluants. En France, ils ne sont pas utilisés purs mais en mélange. Le taux qui était de 6,7 % en 2010 a atteint 10 % en 2015

Essence et gazole, encore dominants
Restant encore dans un rapport 2/3 – 1/3 pour le diesel et l’essence, la baisse de la consommation de ces carburants est pourtant une tendance de fond. Si aujourd’hui en termes de consommation, il est encore assez difficile de trancher, en matières de rejet ces deux types de moteurs ne sont pas comparables : les moteurs à essence émettent moins d’oxydes d’azote (NOx) et nettement moins de particules que les Diesel ; les véhicules Diesel s’ils émettent 20 % de CO2 de moins dans les zones urbaines, ils représentent la première source d’émission d’oxydes d’azote (NOx) et de particules (PM), et sont à l’origine d’une part importante des émissions de composés organiques volatils (COV). La réaction chimique entre les COV et les NOx, précurseurs de l’ozone qui se forme dans l’atmosphère en période de fort ensoleillement, crée les pics de pollution que nous connaissons désormais dans les grandes villes.
Olivier Konarzewski