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Voiture électrique et CO2

Michel Kieffer

www.COCYANE.com – m.kieffer@libertysurf.fr

Indice K le 26.6.2009

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Que gagne-t-on à rouler en voiture électrique ? …quel est son avenir ?

La voiture électrique, voici un sujet d’actualité

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Nous avons découvert dans la BD « électricité et CO2 » qu’un Joule* électrique d’énergie finale* nécessite 2,8 Joules d’énergie secondaire*…

* rappel : Joule = unité d’énergie ; Watt = unité de puissante ; énergie électrique finale = électricité « à la prise » ; énergie secondaire = énergie nécessaire pour produire de l’électricité (voir définitions détaillées dans la BD « électricité et CO2 »)

Lien « électricité et CO2 »

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…et qu’un MJ (mégajoule) électrique d’énergie finale émet, pour les 10/20 ans qui viennent, en moyenne 0,128 kg de CO2

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Tout d’abord, parlons rendements…

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Prenons un moteur diesel, son rendement en « usage mixte » (ville route) représente environ 17,5%* avec une consommation correspondante de 7,2 litres au cent pour une voiture de taille moyenne

Ce rendement de 17,5% est inférieur aux rendements affichés (30 à 35%). Mais ces rendements plus élevés ne s’obtiennent pas en exploitation courante. Ce chiffre est

démontré, voir « rendement d’une voiture »

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Quant à la voiture électrique, son rendement en usage mixte représente environ 0,72* hors chauffage

Hypothèse : 0,8 (rendement charge décharge batterie lithium) x 0,9 (rendement moteur électrique) = 0,72

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A raison de 150 Wh/kg* et si nous nous contentons de 300 kg** de batteries pour ne pas pénaliser la consommation entrainée par la surmasse de batteries …

Source : www.techno-science.net Nota : Des batteries au plomb ne présentent pas d’intérêt compte-tenu de leur faible capacité et de leur faible rendement charge décharge.

300 kg pour un véhicule « type 2009 » (donc très lourd et mal profilé) permet une autonomie de plus de 200 km, ce qui suffit largement à un usage journalier. Bien entendu, un véhicule plus léger combiné avec une autonomie de l’ordre de 100 km pourrait se contenter d’une masse de batteries bien plus faible. Par contre, baser les calculs sur une autonomie de plusieurs centaines de km serait très pénalisant pour cause d’énergie supplémentaire nécessaire pour déplacer la surmasse de batteries.

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Voir annexes1 et 2

…nous trouvons alors pour un usage route :

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Notez que le gaz est souvent assimilé à une « énergie verte », mais il émet autant de CO2 que les autres carburants fossiles

Et voici le bilan CO2 :

Non compris l’énergie supplémentaire du chauffage et la récupération d’énergie possible lors des ralentissements…

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Un rendement de 17,5% d’une voiture thermique sous entend 82% de pertes, dont une partie récupérée suffit largement pour chauffer l’habitacle de la voiture. Le surcoût énergétique du chauffage est donc nul pour la voiture thermique !

La comparaison n’est pas finie, parlons maintenant du chauffage de l’habitacle de nos voitures…

IMAGE EN CHANTIER

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Par contre, le rendement d’un moteur électrique étant élevé, il n’y a pas grand-chose à récupérer pour le chauffage…

…c'est-à-dire que le chauffage de l’habitacle de la voiture électrique nécessite un apport autre d’énergie !

IMAGE EN CHANTIER

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Quel apport ? Il faut tout d’abord choisir un mode de chauffage

Sachant qu’un chauffage électrique consomme 3 fois plus d’énergie qu’un chauffage thermique*, le choix est vite fait : il est nettement plus intéressant de chauffer notre voiture électrique avec un chauffage thermique (carburant fossile ou agrocarburant)

Voir annexe 3

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Température V moyenne Litres au cent CO2 au cent

0°C 50 km/h +0,86 litres +1,98 kg

25 km/h +1,73 litres +3,96 kg

+5°C 50 km/h +0,58 litres +1,33 kg

25 km/h +1,16 litres + 2,66 kg

Et voici le résultat, notre véhicule électrique consomme un peu plus en hiver* :

Voir annexe 4, données issues de mesures réalisées par un membre

d’ECONOLOGIE, « forum la voiture du futur »

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La conclusion est claire, il faut un peu isoler notre voiture électrique !

IMAGE EN CHANTIER

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Dernier point : la climatisation

Que le véhicule soit électrique ou thermique, il faut un apport d’énergie externe. En clair, match nul, la clim coût très cher en énergie dans les 2 cas !

D’où la question : compte-tenu de sa forte contribution à l’effet de serre, la clim est-elle vraiment nécessaire ?

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…en soulignant le danger que si le parc s’électrifie en masse, il est fort probable que ce soient les centrales « fossiles » qui vont répondre à l’augmentation de la demande. Bien entendu, énergie solaire aidant, ceci n’est plus vrai à long terme

Revenons à notre voiture électrique…

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Et n’oublions pas que la consommation d’un véhicule « fossile » peut être sensiblement réduite en « hybridant* » le véhicule

L’hybridation apporte peu en usage route. Par contre, en usage ville, l’hybridation permet de se rapprocher des consommations en usage route. L’économie est dans ce cas supérieure à 20% !

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Il est important de préciser que cette démonstration prend pour référence le cycle Européen ECE 15-0A (utilisation mixte ville route, voir annexe). En utilisation « hyper urbaine », avec des déplacements très courts et à petite vitesse, le véhicule électrique s’avère bien plus intéressant. Toutefois, un tel véhicule électrique se trouve alors partiellement en concurrence avec le vélo et les transports en commun…

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La voiture électrique émet environ 2 fois moins de CO2 qu’un véhicule fossile. Elle a toutefois quelques inconvénients : coût élevé, autonomie réduite* et il faut rajouter les déchets nucléaires et le recyclage des batteries !

Alors comment mieux faire ?

Résumons…

Une autonomie réduite n’est pas gênante pour un kilométrage journalier courant. Il existe par ailleurs des projets de remplacements rapides et automatiques des batteries pour corriger ce problème.

L’économie de CO2 est plus réduite si nous raisonnons production électrique à l’échelle mondiale.

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Electrique ou non, nous disposons d’une solution très efficace et très simple pour réduire les émissions de CO2, voir l’exposé : « la voiture du futur, phase 1 »

Lien « la voiture du futur, phase 1 » et « la voiture du futur, phase 2 »

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…et que pourrait donner un tel véhicule optimisé « 2 litres au cent » mais électrique et à autonomie réduite ?

Alors, électrique ou non, pourquoi se priver de telles économies ?

L’écart entre le véhicule fossile et le véhicule électrique reste le même ! …mais les rejets sont dans les deux cas bien plus faibles qu’avant

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Autre solution, est-il intéressant d’alimenter les batteries d’un véhicule électrique par des panneaux solaires individuels ?

Ou bien d’alimenter les batteries d’un véhicule par de l’électricité produite pendant les heures creuses ?

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Ces 2 questions ont fait récemment l’objet d’une réflexion en groupe et les résultats seront prochainement présentés sous forme de BD

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En conclusion, oublions les dogmes et les certitudes …

…et rappelons nous que le nerf de la guerre contre le CO2, c’est tout simplement de moins consommer !

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Annexe 1 : émissions de CO2 d’une voiture moyenne fossiles…

Voiture moyenne sur cycle Européen (= voiture référence) :

Données et hypothèses : masse à vide véhicule = 1300 kg (base voiture moyenne en 2009), consommation moyenne moteur diesel : 7,2 litres* de gasoil

au cent sur cycle Européen ; rendement 0,175*, autres données : voir le tableau ci-dessous

Energie consommée pour réaliser 100 km (Ec) = 7,2 litres x0,85x43MJ = 263 MJ dont 17,5% d’énergie utile (Eu) au déplacement = 46,1 MJ au cent. Ces 46,1 MJ servent à accélérer le véhicule, à vaincre la résistance aérodynamique et la résistance au roulement. Le reste est perdu.

Rejets : 263 MJ x 0,073 = 19,2 kg de CO2 au cent

Comparaison de différents carburants fossiles : Type A

Kg CO2 / kg carb.

B

MJ / kg carb

C = A/B

Kg CO2 / MJ

D

densité

R

Rend. voiture

Eu MJ

utiles au cent

Ec=Eu/R

MJ cons. au cent

L=(Ec/B)/D

Litres au cent

Ec.C Kg

CO2 au cent

Gasoil 3,16 43 0,073 0,85 0,175 46,1 263 7,2 19,2

Essence 3,09 44 0,070 0,74 0,150 46,1 307 9,4 21,4

GPL / LPG 3,02 46 0,066 0,55 0,150 46,1 307 12,1 20,2

Voir « rendement d’une voiture »

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Nota : les consommations sur cycle Européen ECE 15-0A sont définies sur banc, voiture à vide + 25 kg ! Donc la consommation moyenne des voitures compactes diesels sur cycle Européen, soit environ 6,5 de gasoil au cent, doit être majorée de 0,7 l au cent (5 MJ utiles) entrainés par 240 kg de charge (2 passagers, bagages, carburant…)

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Annexe 2 : consommations et émissions de CO2 de voitures électriques

Voiture électrique en usage MIXTE avec 300 kg de batteries au lithium :

Données : - Energie utile (Eu) au déplacement d’une véhicule électrique équivalente à

notre véhicule fossile référence : masse = 1300 kg + 25 kg (voir nota pages précédentes) + 300 kg de batteries – 100 kg de moteur (delta entre moteur diesel et moteur électrique) + 240 kg de chargement = 1765 kg. Les autres caractéristiques restent identiques. Avec la fonction Eu pages précédentes, nous obtenons : Eu = 2,2 m²x0,32x19,2 + 1765x0,012x0,82 + 1765x0,011 = 50,3 MJ au cent

- Rendement moteur électrique (0,9) x rendement charge décharge batteries (0,8) = 0,72 sur route (voir début de l’exposé)

- Rejets : 0,128 kg de CO2 par MJ électrique d’énergie finale (voir BD « électricité et CO2 »)

- Capacité batteries lithium = 150 wh/kg = 0,54 MJ/kg

Energie finale (cette énergie doit être stockée dans les batteries) nécessaire pour réaliser 100 km avec une voiture électrique = 50,3 MJ / 0,72 (rendement) = 69,9 MJ au cent

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Energie secondaire nécessaire pour réaliser 100 km = 69,9 MJ x 2,8 (voir BD « électricité et CO2 ») = 196 MJ d’énergie secondaire dont 55% d’origine fossile.

Rejets : 69,9 MJ d’énergie finale x 0,128 = 9,0 kg de CO2 au cent + déchets nucléaires + déchets batteries

Autonomie avec 300 kg de batteries... - Autonomie avec 300 kg de batteries au lithium : 300 kg x 0,54 MJ/kg / 69,9

MJ au cent = 232 km - Autonomie avec 300 kg de batteries au plomb : 300 kg x 0,108 MJ/kg / 69,9

MJ au cent = 46 km

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Annexe 3, rendement de différents chauffages de voitures électriques

Hypothèses : rendement chauffage électrique d’une voiture électrique = rendement charge décharge batterie lithium (0,8) x rendement production électrique (1/2,8 voir BD « électricité et CO2 » et « chauffage et CO2 ») x rendement chauffage électrique (0,9) = 0,26

Hypothèse : rendement chauffage thermique autonome d’une voiture électrique = 0,84 (valeur mesurée)

Rapport des rendements : 0,84/0,26 = 3,3 Conclusion : un chauffage thermique autonome installé dans une voiture électrique nécessite 3,3 fois moins d’énergie qu’un chauffage électrique alimenté par la batterie de la voiture !

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Annexe 4 :

Hypothèse : à température intérieure constante, la puissance du chauffage est proportionnelle à la température extérieure. Donc nous une équation de droite « y = a.x + b », ou plutôt « puissance = a.°C + b » Pour déterminer a et b, il nous 2 points. Des mesures nous donnent les 2 points suivants : 5 kW utiles avec -8°C et à un vitesse moyenne de 50 km/h 0 kW utiles avec 15°C (le chauffage est éteint). La résolution de ce système (2 équations, 2 inconnues) nous donne l’équation suivante : Puissance en kW = -0,217.°C + 3,261

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Conversion en kg d’essence au cent = (puissance x 3600 secondes / rendement chauffage) / (vitesse moyenne / 100) / (44

E6 J/kg)

Conversion en litres au cent = kg d’essence / densité (0,74) Conversion en kg CO2 au cent = kg d’essence x 3,09 Application à 0°C et à 50 km/h de moyenne : kW = -0,217.0 + 3,26 = 3,26 kW de chauffage Kg d’essence au cent = (3260x3600/0,84)/(50/100)/44

E6 = 0,64 kg au cent

Litres au cent = 0,64/0,74 = 0,86 litres au cent CO2 au cent = 0,64x3,09 = 1,98 kg de CO2 au cent Application à 5°C et à 50 km/h de moyenne : kW = -0,217.5 + 3,26 = 2,18 kW de chauffage Kg d’essence au cent = (2180x3600/0,84)/(50/100)/44

E6 = 0,43 kg au cent

Litres au cent = 0,43/0,74 = 0,58 litres au cent CO2 au cent = 0,43x3,09 = 1,33 kg de CO2 au cent

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Application à 0°C et à 25 km/h (ville) de moyenne : kW = -0,217.0 + 3,26 = 3,26 kW de chauffage Kg d’essence au cent = (3260x3600/0,84)/(25/100)/44

E6 = 1,28 kg au cent

Litres au cent = 1,28/0,74 = 1,73 litres au cent CO2 au cent = 1,28x3,09 = 3,96 kg de CO2 au cent Application à 5°C et à 25 km/h (ville) de moyenne : kW = -0,217.5 + 3,26 = 2,18 kW de chauffage Kg d’essence au cent = (2180x3600/0,84)/(25/100)/44

E6 = 0,86 kg au cent

Litres au cent = 0,86/0,74 = 1,16 litres au cent CO2 au cent = 0,86x3,09 = 2,66 kg de CO2 au cent

Données issues de mesures réalisées par un membre d’ECONOLOGIE, « forum la voiture du futur »