Energie et transport : La vitesse se paye Pierre BIDAN Université Paul Sabatier - Laboratoire LAPLACE http://www.laplace.univ-tlse.fr/ Bât. 3R3 pierre.bidan@laplace.univ-tlse.fr 1
Plan Energie au quotidien Sources d'énergie et utilisations Bouger : Vitesse, masse, pente et puissance Automobile, 4 temps et rendement La voiture électrique : des obstacles de taille, mais alternatives au transports routiers et demain? 2
Quelques exemples de contenus énergétiques (toutes énergies confondues) en kwh 1 J : lever 100 g d'1 m ( =mgh) 70 kg à 10 m/s = 3500 J (=1/2mv 2 ) 1 W = 1 J/s 1 Wh = 3600 J = 860 cal Source : http://www.manicore.com/ Le record de l'heure de cyclisme (50 km/h) correspond environ à 450 Wh aux pédales, soit 450/0,22=2050Wh métabolique 1 heure de vélo à 27 km/h correspond environ à 175 Wh aux pédales, soit 175/0,22=795 Wh métabolique Le record du marathon correspond environ à 4200 Wh (1) l'electroménager complet signifie réfrigérateur + congélateur + lave-linge + lave-vaisselle + sèche-linge + cuisinière + électronique de loisir (TV, magnétoscope, etc). La valeur indiquée représente bien sûr la consommation annuelle de l'ensemble. (2) Ce montant ne concerne que l'énergie utilisée par l'agriculture et l'industrie, mais ni le chauffage du magasin, ni les transports de marchandises, ces derniers consommant à peu près un tiers des carburants routiers en France (le reste est pour les voitures, bien sûr). Il s'agit d'une valeur par personne. (3) pour une voiture qui consomme 8 litres aux 100 en moyenne ; 15.000 km représentent à peu près le kilométrage annuel moyen d'une voiture en France (4) chauffage au fioul ou au gaz + eau chaude sanitaire ; moyennes nationales. A l'électricité, la consommation d'énergie finale est 2,5 à 3 fois inférieure (données CEREN). 3
Energies dans le monde en 2002 Consommation d'énergie primaire : Consommation de produits pétroliers : Total : 10,4 Gtep Total : 3,5 Gtep tep : Tonne Equivalent Pétrole 1 TEP = 11,63 MWh 4
Population et Energie en 2003 Empreintes des pays en 2002 par ordre croissant d'énergie consommée : 90% de la population et de l'énergie mondiales sont représentées ci-dessous. Etats-Unis 4,68 22,19 Union Européenne 6,94 14,78 Chine 12,30 21,46 Russie 2,49 6,38 Japon 2,14 5,18 Afrique 5,30 11,90 Inde 5,18 16,92 Amérique Sud France Canada 1,00 0,52 2,66 2,50 4,23 6,65 Consommation d'énergie en % Population en % Corée du Sud Indonésie Iran 1,96 0,77 1,61 1,40 1,14 3,65 Amérique du nord + Union Européenne + Russie + Japon représentent 51 % de l'énergie consommée pour 17 % de la population. Ukraine Arabie Saoudite 1,34 0,84 1,25 0,36 Chine + Afrique + Inde + Amérique du Sud + Indonésie + Pakistan représentent 30 % de l'énergie consommée pour 62 % de la population Australie 0,32 1,09 Thaïlande 0,83 1,02 Turquie 0,72 1,11 Pakistan 0,70 2,57 Vietnam 0,42 1,34 Philippines 0,42 1,34 Bangladesh 0,20 2,15 % 0 5 10 15 20 25 5
Répartition des modes de transport en 2000 Passagers : Marchandises : Les transports routiers dominent 6
Consommation des différents modes de transport Répartition en 2001 : Les transports routiers dominent 7
Consommation des différents modes de transport Prenez le vélo! 8
Population, Energie et véhicules v routiers en 2003 Empreintes des pays en 2002 par ordre croissant d'énergie consommée : 56% de la population, 70% de l'énergie et 70% des véhicules mondiaux sont représentés ci-dessous. Etats-Unis 4,68 22,19 24,69 Union Européenne 6,94 14,78 26,26 Chine 2,54 12,30 21,46 Russie 2,49 3,28 6,38 Japon 2,14 5,18 8,17 Consommation d'énergie en % Population en % Automobiles et utilitaires en % Inde 1,00 5,18 16,92 France 1,00 2,66 3,89 Canada 0,52 2,02 2,50 Corée du Sud 1,96 0,77 1,55 0 5 10 15 20 25 30 % 9
Evolution du parc mondial de véhicules v routiers 1 milliard de véhicules routiers pour 6 milliards d'humains 10
Bouger : Vitesse, masse, pente force et puissance Fm Fr G Pj Force motrice en N Force résistante à l'avancement en N Centre de gravité Puissance à la jante en W A vitesse constante et sans dérapage des pneumatiques sur le sol, il y a équilibre entre (Fm) et (Fr). La force motrice (Fm) : - C'est la force propulsive récupérée au niveau des roues motrices et applicable au centre de gravité. - Elle est proportionnelle à la puissance à la jante (Pj) et inversement proportionnelle à la vitesse du véhicule (v) en m/s. Fm = Pj / v La force résistante (Fr) exprime la résistance à l'avancement, composée de : - la résistance au roulement (Fro) - la résistance aérodynamique (Fa) - la résistance à la pente (Fp) Fr = Fro + Fa + Fp 11
Bouger : Vitesse, masse, pente force et puissance La résistance au roulement Fro (en N ) = k. m.g k coefficient de résistance au roulement m masse du véhicule en kg g accélération de la pesanteur 9,81m/s 2 Le coefficient de résistance au roulement ( k ) augmente lorsque : - le rayon des roues diminue ( petite roue ) - la surface de contact augmente ( pneu sous gonflé, taille large ) - la charge et le poids sont importants ( véhicule lourd, surchargé ) - la vitesse augmente ( vitesse élevée) 12
Bouger : Vitesse, masse, pente force et puissance La résistance aérodynamique Fa ( en N ) = S. Cx. 0,5. (v + v a ) 2. ρ Cx coefficient de pénétration dans l'air ou coefficient de traînée S surface frontale en m 2 v vitesse de déplacement du véhicule en m/s v a vitesse du vent [ sens contraire (+) ] en m/s ρ masse volumique de l'air 1,202 kg/m 3 ( ou g/l ) Nota : Cx. S => coefficient aérodynamique 0,5. ( v + v a ) 2. ρ => pression de l'air sur la surface frontale 13
Bouger : Vitesse, masse, pente force et puissance La résistance à la pente Fp ( en N ) = m. g. sin α = m. g. ( H/L ) m masse du véhicule en kg g accélération de la pesanteur α inclinaison de la pente en degré H hauteur de la pente en m L longueur de la pente en m En descente, l'effet de pente devient moteur ; sa force s'ajoute à la force motrice 14
Bouger : Vitesse, masse, pente force et puissance Bilan des forces : Fm=Fr + mγ = k. m.g + S. Cx. 0,5. (v + v a ) 2. ρ + m. g. sin α + mγ γ = dv/dt accélération du véhicule - Tout étant égal par ailleurs, Fm est d'autant plus grand que la masse est importante, la vitesse et l'accélération élevées. Energie Cinétique : E = ½.m.v 2 et le freinage? 15
Bouger : Vitesse, masse, pente force et puissance m = 1170 kg (donnée constructeur plus le conducteur qui pèse 80 kg) S = 2,7 m2 (mesuré à partir d'une photo frontale) Cx = 0,31 (donnée constructeur) k = 0,015 (valeur trouvée sur le Web et vérifiée expérimentalement à 10% près) α = 0 (plat) et v = constante Petit calcul : et si nous rajoutions la pente? 16
Pourquoi le moteur 4 temps? les rendements maxima : 23 % (essence) à 28 % (diesel) En conduite urbaine, le rendement réel est autour de 10 % MAIS Un litre d'essence peut fournir 10 kwh thermique! En moyenne, 8 l d'essence permettent de parcourir 100 km alors que 400 kg de Batteries au plomb sont nécessaires pour un véhicule électrique!!! maintenant, un peu de thermodynamique 17
La voiture électrique : un précurseur! La fameuse "Jamais Contente" avait roulé à 105 km/h en 1899 et, en 1901, un trajet de 307 km sans recharge avait été réalisé. - 2 moteurs électriques placés à l arrière entre les roues (50 kw, environ 68 chevaux). - Alimentation par batteries d accumulateurs Fulmen (80 éléments), représentant la moitié du poids total qui était de 1,5 tonne. 18
La voiture électrique : structure 19
La voiture électrique : les batteries Technologie Plomb NiMh Li-ions Densité énergétique Wh/kg 30 40 120 Nombre de cycle 1000 1000 500 Coût ( /wh) 0,3 2 2 Recyclage oui oui délicat 400 kg pour une autonomie de 100 km coûtent 3600 20
Récapitulons : Des voitures électriques partout? voyons en France. Le transport routier actuel représente donc 42 Mtep par an. Combien de Mtep en électrique? Réponse : 7 Mtep environ. Prouvez-le! 21
Des voitures électriques partout? Comment produire l'électricité pour recharger les batteries? voyons en France. Données : La quantité d'électricité obtenue en un an avec une puissance de 1000 MW électriques, soit près de 9 TWh (0), peut être obtenue avec un des moyens de production suivants : - thermonucléaire : une tranche REP (3); - photovoltaïque : 100 kilomètres carrés (rendement : 10 %, Europe centrale) ; - éolien : 3 500 éoliennes (1) de 70 mètres de diamètre, d'une hauteur comprise entre 100 et 130m (ce qui correspond à une ferme éolienne d'une surface de 480km2 soit 22kmx22km (4)) ; - biomasse : 30 000 kilomètres carrés de forêt thermique (5); - charbon : 2,3 millions de tonnes par an ; -pétrole : 1,9 million de tonnes par an ; - gaz (CCG) 2 : 1,4 milliard de mètres cubes par an. (3) Rq. 1 : Réacteur à Eau ordinaire sous Pression. Actuellement le parc français de centrales nucléaires représente 58 tranches REP. (4) Rq. 2 : Chaque éolienne doit avoir une puissance nominale de 1,5MW. Avec, entre éoliennes, 7D dans l'axe des vents dominants et 4D dans l'axe perpendiculaire, cela correspond à une densité de 11MW/km2 de puissance nominale installée. Le coefficient de charge (rapport entre la puissance moyenne produite et la puissance nominale installée) est proche de 20%. (5) Rq. 3 : c'est-à-dire en brûlant la forêt en prenant la précaution de la renouveler. (0) : 1 TWh = 1 milliard de kwh. (1) : fonctionnant 2 500 heures par an, pour un vent dont la vitesse moyenne est de 7 m/s. (2) : CCG = centrales à cycle combiné au gaz. Source : Observatoire de l'énergie. à vos calculettes! 22
Des voitures électriques demain? Bilan : L intérêt de la propulsion électrique est de diminuer la pollution urbaine, notre dépendance vis à vis du pétrole et les rejets de gaz carbonique (si l électricité est produite soit par des énergies renouvelables, soit par l énergie nucléaire, soit par des combustibles fossiles avec séquestration du gaz carbonique). L avenir de la voiture électrique est, à court et moyen terme, indissociable des performances des batteries au Lithium, à cause des exigences de ce mode de locomotion (Autonomie). On peut récupérer l énergie cinétique au freinage pour recharger la batterie. Pour gérer les surcharges lors des ralentissements et accélérations en ville, on peut adjoindre une "super-condensateur" de 20 kg capable de stocker 30 Wh électriques. Pour le problème du chauffage, il faut 1 à 2 kw en hiver. On peut envisager d'utiliser une pompe à chaleur qui permet aussi une climatisation efficace. L utilisation optimale des véhicules électriques sera probablement urbaine, avec des scooters ou de petites voitures éventuellement mises en location libre-service. Sur les grandes distances les voitures à propulsion hybride ou les transports en commun garderont sans doute le rôle principal. 23
La voiture hybride 24
La voiture hybride : les structures Entre 20 à 30 % de réduction de consommation par rapport à un véhicule conventionnel 25
Alternatives aux transports routiers Pour les particuliers : Habitat, travail et loisirs Distances domicile travail - commerces Covoiturage Transports en commun Dessertes des zones commerciales Pistes cyclables Mini voitures (électriques?) en location Pour les marchandises : En finir avec le tout camion Développer les transports sur le rail et sur l eau Tordre le cou au «flux tendus» Taxer par le coût énergétique le transport Arrêter les délocalisations 26
Lest transports demain : un choix de société Bouger vite et/ou loin, c est consommer de l énergie et des matières premières, polluer et stresser Quel futur voulons-nous? À vous la parole 27
Bibliographie Statistiques mondiales en temps réel : http://www.worldometers.info/fr/ Quel futur pour la Terre? http://www.quelfutur.org/ Le site de J.M. Jancovici : http://www.manicore.com/ Ses exposés : http://bidan.upstlse.fr/m1_sygelec/docs/docs/expose_jancovici/jancovici.htm Pacte écologique Nicolas Hulot : http://www.pacte-ecologique.org/ Agence de l'environnement et de la Maîtrise de l'energie: http://www2.ademe.fr/ Bilan CO2 : changer de voiture?? http://www.voitureco2.blogspot.com/ La vie sans voiture(s) : http://carfree.free.fr/ L association Veracruz de l UPS : http://veracruz.over-blog.net/pages/accueil_general-518522.html 28