ENV 6003 CHANGEMENTS CLIMATIQUES

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1 ENV 6003 CHANGEMENTS CLIMATIQUES : impacts, adaptation, mitigation MODULE 4 Des voitures sans essence par Sebastian Weissenberger

2 SOMMAIRE Introduction 1. Les voitures à faibles émissions 2. Les voitures à faible consommation 3. La voiture hybride 4. La voiture électrique 5. La voiture à hydrogène 6. L avenir des véhicules à faible consommation Conclusion Note. Dans ce texte, les dollars sont exprimés en dollars canadiens, sauf quand il est mentionné autrement. Les montants en euros ont été convertis en dollars canadiens en utilisant le taux de change du 5 mai Changements climatiques : impacts, adaptation, mitigation ENV

3 INTRODUCTION Dans les pays industrialisés, le transport contribue de manière importante aux émissions de gaz à effet de serre. Au Québec, il constitue même la principale source d émissions. À l échelle mondiale, le transport est responsable d environ 20 % des émissions de GES et 50 % de la consommation de pétrole. De cette quantité, 70 % sont imputables aux véhicules personnels et 30 % au transport de marchandises. Pour réduire ces émissions, il faut soit réduire la consommation des véhicules, soit leur utilisation ou encore recourir à des carburants libres d émissions. 1. Les voitures à faibles émissions Il existe plusieurs moyens de concevoir des véhicules à faibles émissions. Le moyen qui semble a priori le plus évident est de réduire la consommation d essence des véhicules, ce qui est tout à fait possible avec les technologies existantes. D autre part, il existe plusieurs technologies en développement ou en émergence qui permettent de remplacer l essence par d autres sources d énergie, soit l électricité, soit l hydrogène. La question des biocarburants, qui pourraient remplacer l essence, a été abordée plus haut, dans la section sur la biomasse. 2. Les voitures à faible consommation De manière générale, les voitures utilisées actuellement consomment beaucoup plus de carburant et émettent beaucoup plus de GES qu il serait nécessaire par rapport à leur utilisation. De plus, malgré les progrès technologiques possibles, la consommation moyenne de la flotte automobile dans la plupart des pays n a pas baissé. Au contraire, durant les dernières années, l accroissement de la part de marché de SUV, de minifourgonnettes et autres véhicules comparables, dont les ventes aux États-Unis dépassent maintenant celles de voitures traditionnelles, a fait augmenter la consommation moyenne du parc automobile en Amérique du Nord. Ce n est pas faute d autres possibilités. Des véhicules commercialisables consommant de 3 à 5 l/100 km existent depuis le début des années Les chocs pétroliers des années 1970 et 1980 avaient encouragé la recherche en cette direction. Il existe actuellement un certain nombre de modèles qui consomment moins de 5 l/100 km, par exemple la Mitsubishi «i» concept (3,8 l/100 km), l Audi A2 (4,5 l/100 km), la Mini One (4,5 l/100 km), la Suzuki Ignis (4,5 l/100 km), l Opel Corsa ECO (4,3 l/100 km), la Twingo Smile (3,5 l/100 km). L utilisation d avancées dans l aérodynamique, les matériaux et la Changements climatiques : impacts, adaptation, mitigation ENV

4 mécanique permet de construire des voitures encore moins consommatrices, mais quand même performantes et sécuritaires, par exemple la voiture 1l de la compagnie Volkswagen (figure 1). Figure 1 VOITURE D UN LITRE. Cette voiture expérimentale de Volkswagen consomme 1l/100 km grâce à un cw (coefficient de résistance à l air) de 0,159, une carrosserie en carbone habillée de magnésium et des roues à faible friction. Elle atteint une vitesse maximale de 120 km/h et offre un niveau de sécurité répondant aux normes de sécurité d une voiture de course grand tourisme. Source : Sueddeutsche.de. 3. La voiture hybride Les voitures hybrides combinent un moteur à explosion avec un moteur électrique. Durant les phases de décélération, les piles électriques peuvent se recharger, ce qui réduit la consommation moyenne de ce type de véhicules sur la plupart des trajets. La première voiture hybride a été construite en 1902 par Ferdinand Porsche pour Jacob Lohner & Co. (SZ, 2001), il ne s agit donc pas d une invention récente. Aux États-Unis, en réponse aux mesures incitatives du Federal Clean Car Incentive Program, GM et Buick financèrent le développement d un véhicule hybride. Mais l abandon du programme par l EPA, en 1976, conduisit à l abandon du développement de cette technologie. À la fin des années 1970 et durant les années 1980, années caractérisées par des prix élevés de l essence, plusieurs constructeurs, dont Toyota, Volkswagen, Mercedes et Audi travaillèrent Changements climatiques : impacts, adaptation, mitigation ENV

5 sur des prototypes de voitures hybrides. Audi commercialisa en 1994 un véhicule hybride, mais à un prix dissuasif, provoquant son retrait éventuel du marché (SZ, 2001). La Toyota Prius, commercialisée depuis 1997 (et depuis 2000 au Canada), est la première voiture hybride à connaître un succès commercial. Cette voiture consomme 4,5 l/100km. Entre 1997 et 2007, Toyota a vendu plus d un million de voitures hybrides (Le Devoir, 2007). En 2005, Honda et Ford proposaient également des véhicules hybrides. D autres grands constructeurs comme GM, Nissan et Mercedes s y préparent. Les ventes de voitures hybrides en Amérique du Nord sont passées de 9350 en 2000 à en 2007, atteignant en cette année une part de marché de 2,2 % (Hybrid Car Review, 2008). La plupart des grands constructeurs s engagent dans la voie de l hybride. Les entreprises japonaises sont incontestablement les leaders du marché en matière de vente, d expérience en technologie hybride et en investissements. Toyota, par exemple, consacre depuis dix ans la moitié de son budget de recherche et développement de 5 à 6 milliards d euros au développement de la voiture hybride et aux autres technologies à faible consommation (Hambach, 2007). Mercedes et BMW collaborent au développement de la technologie hybride pour toutes leurs gammes de modèles (Grundhoff, 2007). Volkswagen, Audi et Porsche annoncent également des modèles hybrides dans un futur proche. Les grands constructeurs américains ne sont pas en reste puisque GM, Ford et Chrysler proposent tous des modèles hybrides. Ces développements sont favorisés par la réceptivité du public. Selon un sondage effectué en Allemagne, 25 % des clients potentiels seraient prêts à acheter un véhicule hybride et à dépenser 3000 euros de plus pour un tel véhicule (Grünweg, 2007). En présence d incitatifs financiers, les deux tiers des répondants se déclaraient prêts à acheter un modèle hybride. Au Canada, actuellement, les ventes d hybrides représentent moins d un pour cent des ventes de nouveaux véhicules. Un incitatif financier, sous forme d un rabais de 1000 à 2000 dollars accordé pour un véhicule consommant en dessous de 6,5 litres aux 100 km (8,3 litres pour les VUS et minifourgonnettes), a été introduit en 2007 par le gouvernement de Stephen Harper (Castonguay, 2008). Cet incitatif est cependant loin de combler la différence de prix entre un véhicule hybride et un modèle classique comparable, qui peut atteindre dollars (Kimura, 2007). Le programme sera aboli en 2009 (Castonguay, 2008). Changements climatiques : impacts, adaptation, mitigation ENV

6 4. La voiture électrique La voiture électrique ne ressemble plus beaucoup au modèle de Jenatzy du début du siècle (figure 2). La plupart des véhicules électriques construits de nos jours sont des très petits véhicules conçus pour l usage urbain ou des véhicules de série modifiés, construits entre autres par Peugeot, Renault et Citroën. Hydro-Québec également se lance à nouveau, avec des partenaires français, dans la construction d une voiture électrique, après une tentative jamais aboutie dans les années 1990 (Radio-Canada, 2006). Grâce à leur faible consommation de 4 à 10 kwh/100 km, pour les petits modèles, et de 12 à 20 kwh/100 km, pour les voitures de série, les coûts d utilisation se limitent à 60 cents à 4 dollars aux 100 km. Cette économie est cependant souvent rendue caduque par le coût élevé des véhicules, construits en très petites séries. Figure 2 CAMILLE JENATZY DANS SA VOITURE ÉLECTRIQUE «LA JAMAIS CONTENTE», Source : Wikipédia. L utilisation de piles au lithium permet d augmenter l autonomie à 500 km, alors qu elle ne dépasse pas une centaine de kilomètres avec des piles classiques au plomb ou au nickel-cadmium. La durée de recharge d une à deux heures représente un inconvénient de ce type de véhicule. Dans un contexte urbain, ce désavantage joue moins puisque le rechargement peut être jumelé au stationnement du véhicule durant d autres activités. À cette fin, la ville de Paris a installé 77 bornes de recharge de véhicules électriques (Ville de Paris, 2007) (figure 3). Changements climatiques : impacts, adaptation, mitigation ENV

7 Figure 3 BORNE DE RECHARGE POUR LA VOITURE ÉLECTRIQUE À PARIS. Source : Weissercappuccino. Dans le contexte de la mitigation des changements climatiques, la question est évidemment la provenance de l électricité. Pour qu une réduction des émissions de CO 2 soit effectuée, cette électricité ne doit pas provenir de combustibles fossiles, ce qui au contraire augmenterait les émissions du fait de la perte de rendement énergétique lors de la transformation et le transport de l énergie. Une voiture électrique n est un véhicule à «zéro émission» que si l électricité est produite par une filière sans émissions. Changements climatiques : impacts, adaptation, mitigation ENV

8 5. La voiture à hydrogène La voiture à hydrogène et la pile de combustible représentent une des technologies d avenir dans le domaine automobile et dans d autres domaines où une forme d énergie transportable est requise. Le principe est simple, puisque l hydrogène est créé par un des divers procédés possibles et est ensuite stocké et transporté pour être utilisé ailleurs dans une pile de combustible ou un moteur à l hydrogène. Les procédés de fabrication sont nombreux. Il peut s agir : d électrolyse d eau; d oxydation partielle de charbon ou d hydrocarbures (voir la section sur le charbon ci-haut); de fermentation de biomasse; de réformation autothermique du méthanol; de pyrolyse de méthane formant du charbon et de l hydrogène (procédé de Kvaerner, testé en Norvège et au Canada [Bakken et al., 1998]); d algues capables de scinder l eau en hydrogène catalyseur et en oxygène grâce à l énergie photosynthétique et à une enzyme, l hydrogénase, technologie qui pourrait être développée dans le futur (Melis et al., 2001; Zhang et al., 2001; Happel et al., 2002). En pratique, l électrolyse est la seule forme utilisée commercialement. Comme pour la voiture électrique, il est important que le procédé de fabrication de l hydrogène n émette pas de GES pour que cette technologie soit un moyen de réduction d émissions de GES et non simplement de déplacement de ces émissions. Une fois produit, l hydrogène réagit dans une pile à combustible, qui est en fait un élément galvanique permettant d un côté le passage d ions (des protons, H + ) et de l autre celui des électrons, créant ainsi un courant électrique. La force motrice derrière ces mouvements est l énergie chimique emmagasinée dans l hydrogène qui se libère sous forme de courant électrique lors de la recombinaison d hydrogène et d oxygène en eau (tableau 1), souvent facilitée par un catalyseur métallique, typiquement du platine ou du zirconium. Tableau 1 LES RÉACTIONS DANS UNE PILE À COMBUSTIBLE Réaction à l anode 2 H 2 => 4 H e - Réaction à la cathode O e - => 2 O 2- Réaction totale 2 H 2 + O 2 => 2 H 2 O Changements climatiques : impacts, adaptation, mitigation ENV

9 Des prototypes de véhicules existent depuis les années 1960, comme le GM Electrovan. Dans les années 1970 et 1980, BWM développa plusieurs modèles, suivi par Mercedes dans les années 1980, mais aucun des deux constructeurs ne se lança dans la commercialisation. Depuis les années 1990 et 2000, presque tous les grands constructeurs s intéressent à la filière de l hydrogène. Un consortium européen s est aussi formé pour l étude d un avion à hydrogène, le cryoplane, ce qui serait particulièrement important dans la mesure où les émissions de l aviation sont celles qui croissent le plus vite dans le domaine des transports (European Commission, 2000). Une des difficultés est le stockage sécuritaire et efficace de l hydrogène sous forme gazeuse, liquide ou chimique. Les prototypes devaient consacrer une grande partie de leur habitacle ou espace de rangement à cette tâche ou transporter des bonbonnes d hydrogène sur le toit. L hydrogène est évidemment un combustible extrêmement dangereux à transporter, comme l a prouvé la tragédie du dirigeable Hindenburg, qui s est embrasé en quelques secondes lors de son atterrissage à New York. Dans les années 1980, Mercedes développa les hybrides métalliques possédant une haute densité de stockage de 1 à 1,5 kwh par litre, assez pour une autonomie de quelques centaines de kilomètres. De nouvelles méthodes de stockage basées sur des fibres de carbone sont développées à la Northeastern University de Boston. Elles permettraient une densité de stockage de 30 litres d H 2 par gramme de fibre de carbone et une autonomie de 8000 kilomètres pour un réservoir de 25 litres et 87 kilogrammes. Malgré les problèmes relevés, l hydrogène pourrait bientôt devenir une réalité. L Islande a lancé au début du siècle un projet pilote à grandeur du pays pour se défaire entièrement de combustibles fossiles jusqu en 2050 et les remplacer par des piles à hydrogène alimentées par l hydrogène fabriqué par électrolyse grâce à l abondante énergie géothermique (Sigfusson, 2006). De grands groupes industriels, Norsk Hydro, Shell et Mercedes, sont partenaires dans cette entreprise (Ectos, 2008). L Islande réduirait ainsi de 50 % ses émissions de GES. Ce projet est l idée du professeur Bragi Arnason de l université de Reykjavik qui s emploie depuis les années 1970 à convaincre politiciens, dirigeants et industriels de l intérêt et de la faisabilité de sa vision (BBC, 2002). La Californie et la Colombie-Britannique se sont toutes les deux lancées dans des projets d autoroute de l hydrogène, comprenant des sites de production et de distribution d hydrogène et la conversion d une partie des autobus publics et de flottes de véhicules corporatifs (BC Hydrogen Highway, 2008; California Hydrogen Highway, 2008). Dans le monde, environ 300 projets d hydrogène sont en cours, principalement en Amérique du Nord, en Europe, en Chine et au Japon (IPHE, 2008). Changements climatiques : impacts, adaptation, mitigation ENV

10 6. L avenir des véhicules à faible consommation Les types de véhicules en développement offrent de grandes promesses dans le futur (figure 4) et permettraient, en conjonction avec les biocarburants, de réduire considérablement voire d éliminer les émissions de GES dans le domaine des transports. En même temps, les véhicules électriques, hybrides ou à hydrogène pourront contribuer à réduire les problèmes de qualité de l air, d ozone troposphérique et de smog urbain, causés par les véhicules actuels. Cependant, leur pénétration actuelle du marché est anecdotique et il est clair que ces nouvelles technologies ne seront pas en mesure de répondre aux exigences des pays industrialisés pour la première période du protocole de Kyoto. Dans le futur, pour la deuxième période du protocole de Kyoto, et dans l optique d une réduction de 50 % à 60 % des émissions de GES, réduction jugée nécessaire pour stabiliser les concentrations atmosphériques de CO 2, l exemple de l Islande montre que ces technologies peuvent avoir un impact considérable. De plus, la croissance du marché de véhicules à faible consommation passe par des actions régulatrices comme les normes promulguées, en Californie et dans l Union européenne, qui obligent les producteurs à inclure un pourcentage fixe de véhicules à faibles émissions dans les flottes de véhicules vendus. Évidemment, il faut aussi prendre en compte la préférence des consommateurs. En Amérique du Nord, les consommateurs ne réagissent pas avec enthousiasme vis-à-vis des véhicules à faible consommation. Ils privilégient des voitures volumineuses, ce qui est certainement aussi le résultat de la publicité automobile surtout centrée sur les SUV et autres véhicules énergivores. Le développement de voitures à faibles émissions, comme les voitures hybrides, électriques, à hydrogène ou tout simplement à faible consommation ainsi que le développement de biocarburants représentent la solution technologique aux émissions de GES tandis que la réduction de l utilisation des transports routiers au profit de transport collectif ou non motorisé présuppose un changement d habitude des sociétés industrialisées. Cette question a des ramifications plus larges, car elle interpelle notre notion d urbanisation et certains aspects des échanges de biens et de services. Changements climatiques : impacts, adaptation, mitigation ENV

11 Figure 4 VÉHICULES À FAIBLE CONSOMMATION DANS LE FUTUR. Les voitures à faible consommation peuvent prendre des apparences très différentes, allant de la petite Dynasty Electric, fabriquée en Colombie-Britannique, à une BMW à hydrogène futuriste, atteignant plus de 300 km/h. Sources : Dynasty; BMW IAAA Frankfurt (2005). Changements climatiques : impacts, adaptation, mitigation ENV

12 CONCLUSION Les différentes technologies de voitures à faible consommation sont en concurrence. La voiture électrique a une longue histoire. Cependant, la technique de l hybride a pris le dessus au cours des dernières années. Beaucoup placent leur espoir dans la technologie de l hydrogène. Il reste donc à voir laquelle de ces technologies saura s imposer et à quelle vitesse la part de marché de ces véhicules croîtra. Dans l immédiat, il existe un vaste éventail de voitures conventionnelles à faible consommation. Les préférences individuelles, l image véhiculée par la publicité, les incitatifs économiques, les standards de consommation et, en dernier lieu, les prix de l essence peuvent influencer à court terme les choix des consommateurs. Références British Broadcasting Company (BBC) Hydrogen Economy. 21 août. Dans Programmes : Newsnight : Archive, [En ligne]. (Consulté le 3 novembre 2007) British Columbia Hydrogen Highway Hydrogen Highway, [En ligne]. (Consulté le 3 novembre 2007) California Hydrogen Highway California hydrogen highway, [En ligne]. (Consulté le 3 novembre 2007) Castonguay, A Le gouvernement fédéral cessera de subventionner l achat d autos vertes à la fin de l année. Le Devoir, 27 février. Ectos Iceland New Energy promoting hydrogen in Iceland, [En ligne]. (Consulté le 3 novembre 2007) European Commission Future flight. Competitive and sustainable growth, [En ligne], (Consulté le 3 novembre 2008) Grundhoff, S H. BMW und Mercedes jagen Toyota. Focus, 1 er mars. Grünweg, T Sprung über den Schatten. Spiegel online, 1 er mars. Hambach, P Happy birthday hybrid. Fahrtipps, 1 er juillet. Changements climatiques : impacts, adaptation, mitigation ENV

13 Happe, T., Winkler, M., Hemschemeier, A., Kaminski, A Hydrogenases in green algae : Do they save the algae s life and solve our energy problems? Trends in Plant Science, 7, Hybrid Car Review Slow down in hybrid car sales expected for Hybrid car review, [En ligne]. (Consulté le 3 novembre 2007) International Partnership for the Hydrogen Economy (IPHE) Hydrogen demonstration project atlas. IPHE, [En ligne]. (Consulté le 3 novembre 2007) Kimura, T Hybrid cars Will rebates rev up the hybrid market? CBC, 22 mars. Le Devoir Un million de voitures hybrides. Le Devoir, 7 juin. Melis, A., Happe, T Hydrogen production. Green algae as a source of energy. Plant Physiology, 179, Sigfusson, T. I Iceland : The hydrogen island. Scientific Challenges for Energy Research, OECD, Paris, mai. Sueddeutsche Zeitung (SZ) Gemischtes Doppel : Geschichte des Hybridautos. Sueddeutsche Zeitung, 17 mars. Telegraph Should «Chelsea tractor» drivers be penalised? 20 avril. Telegraph.co.uk, [En ligne]. Chelseatractor -drivers-be-penalised.html (Consulté le 3 novembre 2007) Ville de Paris Paris.fr, [En ligne]. (Consulté le 3 novembre 2007) Zhang, L., Happe, T., Melis, A Biochemical and morphological characterization of sulfur-deprived and H2-producing Chlamydomonas reinhardtii (green alga). Planta, 214, Changements climatiques : impacts, adaptation, mitigation ENV