2 Août 2016
Nous avons vu précédemment que le remplacement des carburants fossiles dans les transports, essence, gazole, et GNV, se fera sous la forme d'une synergie entre différentes solutions:
- Par la substitution pure et simple des carburants fossiles par des biocarburants de seconde et troisième générations, dans des moteurs thermiques "classiques", grâce aux filières BtL (Biomass to Liquid) et BtG ( Biomass to Gas).
Les véhicules "Flex fuel" en sont la préfiguration.
- Par la croissance de la part de marché des véhicules électriques purs à batteries, qui circulent déjà aujourd'hui.
- Par la croissance de la part des véhicules hybrides à bi motorisation, électrique et thermique, utilisant l'électricité d'une batterie associée à un biocarburant .
- Par le développement des véhicules électriques à Hydrogène et pile à combustible, avec stockage du Gaz dans des réservoirs sous très haute pression, ou à faible pression sur des matériaux adsorbants réversibles.
- Par le développement des véhicules électriques à Hydrogène, ce gaz étant généré in situ à partir d'un biocarburant liquide comme l'Ethanol.
Ces différentes solutions (Et éventuellement d'autres non encore émergentes) sont condamnées à cohabiter avec plus ou moins de bonheur, durant le temps de la transition énergétique à l'issue de laquelle émergeront une ou deux solutions privilégiées par le marché et les impératifs technologiques.
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La clarification de ce futur marché n'interviendra pas avant 2040 dans le meilleur des cas, et il faudra probablement attendre 2050 si le pétrole fait de la résistance, ce qui semble être le cas comme on peut le constater chaque jour à la pompe.
En attendant de connaître le ou les vainqueurs, les constructeurs qui souhaitent rester dans la course, ou y participer comme nouveaux entrants, ne doivent négliger aucune piste et garder plusieurs fers au feu, au besoin grâce à des alliances leur permettant de "manger au bon râtelier" le moment venu.
Quant au consommateur, il lui faudra beaucoup d'abnégation pour supporter ces changements perpétuels de technologies et de normes, avec tous ces plâtres qu'il lui faudra essuyer, et des voitures invendables au bout de trois ans pour crime d'obsolescence.
Les moins patients auront choisi de délaisser l'investissement désormais illusoire, et de s'orienter plutôt vers la location.
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Aujourd'hui en France, le secteur des transports consomme annuellement 50 Mtep de produits pétroliers, ce qui correspond à un total de 70 Milliards de litres de carburants (Essence et Gazole), soit une énergie de 700 TWh environ (10 KWh par Litre).
( 700 000 000 000 KWh).
Qui représentent environ le tiers de la consommation totale d'énergie du Pays, et 40% de plus que la seule consommation d'énergie électrique.
L'énormité du chiffre est souvent sous estimée car ce flot d'énergie n'est pas visible; aucun derrick dans nos campagnes, des raffineries peu nombreuses, un environnement très peu agressé, des circuits de distribution discrets, tout concourt à jeter un voile pudique sur cette orgie de pétrole.
La réalité nous apparaîtra lorsqu'il s'agira de remplacer ce pétrole par des Biocarburants que nous devront fabriquer nous-mêmes, et probablement importer comme nous le verrons plus loin.
Les trois quarts de l'énergie des transports sont perdus sous forme de chaleur dissipée par les moteurs thermiques dont les rendements moyens ne dépassent pas 25%.
Ce formidable gaspillage nous met devant l'obligation de réformer ce secteur, dès lors que l'on prétend mettre en œuvre une transition énergétique efficace.
Il est primordial de viser un rendement énergétique global supérieur à 50% dans le secteur des transports.
Si les Biocarburants sont une solution pour lutter contre l'effet de serre, par contre ils ne contribuent pas à l'amélioration du rendement énergétique.
On pense alors évidement à substituer au moteur thermique le moteur électrique, qui échappe au désastre thermodynamique du moteur à combustion.
La substitution par des motorisations électriques avec batteries, dont le rendement atteint 80 %, ramènerait la consommation énergétique des transports à 16 Mtep (220 TWh), soit trois fois moins qu'aujourd'hui !!
Un tel gain d'efficacité énergétique est sans appel, et montre à l'évidence que l'avenir est à la traction électrique, qui offre le mérite supplémentaire de n'émettre aucun polluant.
Désormais, aucun projet sérieux de transition énergétique ne sera recevable s'il ne comporte pas l'objectif de la suppression à terme des moteurs thermiques.
(Nous disons bien "à terme", car les biocarburants vont leurs donner une seconde jeunesse qui pourra se prolonger longtemps si les problèmes de la traction électrique tardent à se résoudre).
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Le moteur électrique a donc la préférence, mais la quête du Saint Graal comporte bien des embûches, le principal obstacle étant ici celui des batteries.
Les progrès incontestables apportés par les nouvelles batteries n'a pas permis d'obtenir la capacité énergétique spécifique suffisante pour envisager une généralisation du procédé.
Rappelons ici que la capacité énergétique d'une batterie et la puissance maximale qu'elle peut fournir sont des paramètres contradictoires. On ne peut avoir l'un et l'autre, il faut choisir l'un ou l'autre, c'est-à-dire chercher le bon compromis.
Aujourd'hui le compromis s'est établi à 100 Wh/kg pour la capacité des éléments Lithium-ion utilisés dans l'automobile, ce qui donne pour une batterie de 30 KWh un poids de 300 kg, et une puissance max d'environ 60 KW , soit 150 Ampères sous 400 Volts.
(Les moteurs thermiques nous ont familiarisés avec des puissances beaucoup plus flatteuses, supérieures à 100 KW, qui sont hélas inaccessibles avec des batteries de 30 KWh).
Le lecteur familier de la règle de trois aura mis le doigt sur le problème:
Une batterie de 30 KWh qui fournit 60 KW de puissance, sera vidée en une demi-heure!
C'est là le triste sort de la voiture électrique à batterie.
On peut aller vite, mais pas bien loin.
En roulant "pépère" une voiture moyenne a besoin d'une énergie de 15 KWh aux roues motrices pour parcourir 100 km.
Avec 30 KWh, et en gardant le pied léger, très léger, sur l'accélérateur, on peut donc espérer faire 200 km, à condition de pouvoir récupérer une partie de l'énergie du freinage.
De toutes façon l'engin ne sera jamais capable de faire bonne figure devant une voiture moderne à moteur thermique, le fameux test de 0 à 100 km/h est sans appel, même s'il est stupide en soi, c'est la publicité qui l'impose.
Pour permettre aux voitures électriques de ne pas être ridicules vis-à-vis des thermiques qui affichent des puissances deux ou trois fois supérieures, les constructeurs se sont crus obligés de les équiper de moteurs surpuissants tout à fait disproportionnés par rapport aux capacités de la batterie.
Alors on obtient certes des tests de 0 à 100 km/h flatteurs, mais l'autonomie en est drastiquement réduite, au grand dam de certains clients qui se retrouvent en "panne sèche" au bout de 80 km, alors qu'ils espéraient en faire 200, comme c'est écrit dans la notice!
(Ici on peut s'indigner de constater que les constructeurs profitent de l'incapacité des consommateurs non avertis à faire la différence entre un KiloWatt et un KiloWattheure, pour leur faire prendre des vessies pour des lanternes).
En face des 100 Wh/kg d'une batterie "standard" actuelle, le carburant pétrolier affiche 12 000 Wh/kg, ce qui, même en tenant compte du mauvais rendement thermique (25%), donne un avantage de x 40 au carburant liquide.
Bien sûr, moyennant un surcoût substantiel, on peut augmenter la capacité des batteries en les associant à un supercondensateur, ce qui permet d'optimiser la batterie pour améliorer sa capacité spécifique énergétique, les pointes de puissance étant alors prises en charge par le supercondensateur. On peut ainsi quasiment doubler la capacité à poids égal, et passer à 200 Wh/kg, mais au prix d'un supplément de coût significatif.
(Une batterie ne peut pas être optimisée à la fois pour avoir la plus grande capacité, et pour avoir le courant le plus fort, elle est le résultat d'un compromis entre ces deux qualités).
Quelques modèles récents de voitures sont ainsi équipés avec une batterie de 60 KWh associée à un supercondensateur, mais avec un surcoût qui a pour résultat de tirer vers le haut le prix des voitures électriques.
Le ratio de capacité au kg par rapport au carburant liquide est alors ramené à 20, en tenant compte du rendement des moteurs thermiques (25%).
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Un poids de supercarburant de 50 kg (70 Litres) confère une autonomie de 1000 km à une voiture moyenne à moteur thermique, selon les standards actuels.
70 Litres contiennent une énergie de 700 KWh.
Avec un rendement moyen de 25%, l'énergie "utile" est donc de 175 KWh.
Pour avoir la même autonomie avec une voiture électrique à batterie, il faudrait donc que celle-ci délivre à la roue la même quantité d'énergie utile, soit 175 KWh. (A égalité de poids et de dimensions).
Le rendement de la propulsion électrique étant voisin de 80%, l'énergie totale à fournir sera de 218 KWh.
Une batterie au Lithium ne peut être complètement déchargée, 10% de la charge doivent être préservés sous peine de détérioration, ce qui nous conduit à une capacité nominale nécessaire de 240 KWh.
Dans l'hypothèse d'une batterie couplée à un supercondensateur (hypothèse la plus favorable) on peut envisager une capacité spécifique de 200 Wh/kg, ce qui nous donne un poids nécessaire de 1 200 kg pour la batterie.
Ce qui est évidemment absurde pour une voiture particulière, qui se trouverait complètement plombée par cette surcharge.
En effet, sur les voitures électriques particulières, le poids de batterie est généralement limité à 300 kg (le poids de quatre personnes adultes, ce qui est déjà un surpoids considérable), et donc une capacité de 240/4 = 60 KWh, toujours dans l'hypothèse haute d'une batterie couplée à un supercondensateur.
L'autonomie est alors réduite à 250 km, puisque la capacité de batterie est divisée par quatre.
Cette autonomie pourra atteindre 300 km dans les conditions favorables permettant la récupération d'énergie au freinage. Ces conditions existent en agglomération, mais pas sur autoroute, là où l'on en a justement besoin.
C'est ce qu'on peut constater sur les quelques modèles récents équipés de batteries de 60 KWh.
Il est donc impossible, avec la technologie de batteries d'aujourd'hui, d'atteindre une autonomie de 1000 km, ni même la moitié, et de loin.
(Certains dépliants publicitaires peuvent affirmer le contraire, mais les essais en conditions "normales" montrent que les lois de la Physique ne sont jamais violées).
D'autre part, il est vite apparu que l'augmentation des capacités de ces batteries conduirait à des problèmes de puissance des stations de recharge, susceptibles de perturber l'équilibre des réseaux de distribution. Enfin, la généralisation de la propulsion électrique entraînerait une consommation énergétique à hauteur de 250 TWh (Consommations augmentées des pertes de rendement), soit la production de 21 réacteurs EPR, ou encore 17 000 éoliennes offshore de 5 MW, avec les installations de compensation de l'intermittence (STEP) indispensables.
Pour toutes ces raisons cumulées, il semble que la solution tout électrique à batterie restera réservée à une "niche" de véhicules pouvant se satisfaire d'une autonomie réduite (Taxis, véhicules de livraisons à circuits courts, véhicules de transport collectif locaux, véhicules particuliers à usage limité, ou de services publics, véhicules en libre service, véhicules de loisirs, ou de luxe*).
Ce qui pourrait correspondre à une part de marché de 15 à 20%, soit 5 à 7 millions de véhicules en France.
* Nous classons la Tesla dans la catégorie véhicule de luxe, qui sont faits plus pour être exhibés que pour tailler la route.
" Chauffeur, ce soir vous sortirez la Tesla, nous allons au casino…"
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Pour s'affranchir des problèmes liés à la batterie, tout en conservant les avantages décisifs de la traction électrique, les ingénieurs ont imaginé de fabriquer l'électricité dans le véhicule lui-même, à partir d'une pile à combustible, puisque les combustibles liquides ou gazeux ont une capacité énergétique spécifique beaucoup plus grande que celle d'une batterie.
On utilise alors soit de l'Hydrogène, soit un biocarburant comme l'Ethanol.
De tels véhicules roulent déjà sur nos routes.
L'autonomie ne dépend alors plus que de la contenance du réservoir d'éthanol, ou d'Hydrogène.
Malgré quelques pertes de rendement au niveau du vaporeformage de l'Hydrogène et au niveau de la pile, l'efficacité énergétique demeure très supérieure à celle de la motorisation thermique ( la valeur de 60% est généralement avancée).
Le coût de la pile à combustible ne sera pas plus élevé que le coût d'une batterie au Lithium de 60 KWh avec supercondensateur, ce qui en fait une solution compétitive, d'autant plus qu'elle permet de répondre au critère d'autonomie exigée.
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Sur la base de ces considérations on peut tenter de se projeter à moyen terme (2040-2050) pour évaluer la répartition des différentes solutions dans deux ou trois décennies:
La solution à biocarburants liquides avec moteur thermique est de loin la plus simple à mettre en oeuvre puisque qu'elle n'exige aucun saut technologique coté motorisation, et que les biocarburants de première génération (1G) sont déjà disponibles et largement utilisés dans certaines régions du Globe, et en Europe.
La seconde génération (2G) atteint le stade industriel et pourrait être proposée rapidement aux automobilistes.
(La génération 3G est encore en phase de validation).
Compte tenu de cette facilité d'utilisation, mais en tenant compte des problèmes de croissance de la production des carburants 2G et de la concurrence des produits pétroliers toujours disponibles, on peut estimer à 50% la part du secteur des transports convertie aux biocarburants 2G à l'horizon 2040.
Même si on peut le regretter, le moteur thermique ne cédera donc pas facilement le terrain.
On peut également estimer que 20% resteront fidèles aux carburants fossiles, gazole et super ( S'ils existent encore à un prix abordable).
Le pétrole n'est pas prêt de dire son dernier mot.
Les 30% restant seront partagés entre la solution électrique à batterie, et la solution à pile à combustible.
(Cette dernière solution exige encore une longue phase de validation et d'optimisation des rendements et des coûts de fabrication, qui peut s'étendre sur deux décennies).
En gardant toujours présent à l'esprit l'objectif ultime de suppression des moteurs thermiques, mais sans pouvoir en fixer l'échéance.
Par la suite, au-delà de 2050, l'avenir du moteur thermique dépendra d'une part de l'efficacité technico-économique des solutions à pile à combustible, et d'autre part de la disponibilité et du prix des biocarburants de seconde et troisième générations issus de la Biomasse terrestre et aquatique.
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Quelles que soit les prévisions tentées en 2016, l'évolution réelle du marché et sa physionomie en 2050, seront conditionnées par le maintien ou non de la suprématie des combustibles fossiles sur le secteur de l'énergie.
Aucune transition de grande ampleur ne pourra être entreprise tant que le coût du pétrole restera à son niveau actuel de braderie.
Le prix de vente HT du KWh de supercarburant pétrolier est de 5 centimes d'euro ( Extraction, raffinage, distribution, marge), soit 50 centimes HT le Litre environ.
Le reste est composé de taxes ( TICPE et TVA en France).
Compte tenu du rendement des moteurs thermique (# 25%) et de celui de la propulsion électrique à pile à combustible (# 65%), la parité de prix serait obtenue pour un prix de vente HT de 13 centimes d'euro pour le KWh de biocombustible utilisé.
Soit 90 centimes par litre pour de l'Ethanol (prix HT).
(Un litre d'Ethanol contient 7 KWh d'énergie, contre 10 KWh pour du super).
Aujourd'hui le Bioéthanol de première génération est distribué à la pompe à un prix HT encore supérieur à la limite de parité avec le supercarburant. Cette différence est compensée par une réduction des taxes sur les émissions de CO2.
Mais cette première génération est condamnée puisqu'elle utilise des produits de cultures vivrières.
La génération G2, utilisant les résidus lignocellulosiques et des produits de cultures dédiées, est prête pour l'industrialisation, mais l'énergie est produite à un coût très supérieur à la limite de parité.
Cette production devra donc être abondamment subventionnée, sans certitude d'atteindre la parité dans un délai raisonnable.
Il en est bien sûr de même pour la troisième génération, qui en est aujourd'hui au stade des démonstrateurs industriels.
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On constate donc que le pétrole reste toujours le maître du jeu.
Seule une lourde taxe carbone pourrait faire bouger les lignes, mais au prix d'une augmentation très significative du coût de l'énergie pour le consommateur, qui n'est évidemment pas prêt à l'accepter.
Le prix de la transition sera décidément difficile à avaler…
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La véritable volonté des Etats de lutter contre le réchauffement se mesurera aux moyens qu'ils mettront en œuvre pour "plomber" financièrement les combustibles fossiles afin de permettre le déploiement des solutions à énergie renouvelable.
Cette manœuvre nécessitera un grand discernement car il faudra éviter, en "plombant" le pétrole, de plomber aussi l'économie…
Il suffit de constater les difficultés rencontrées en France pour harmoniser les taxes sur les carburants, pour comprendre qu'une action sur le levier des taxes n'est jamais exempte d'effets secondaires non souhaitables.
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Aujourd'hui, avec # 100 % de moteurs thermiques, la consommation est de 700 TWh, pour 70 Milliards de litres.
Dans un futur à moyen terme, et selon les hypothèses proposées plus haut, la répartition en 2040 pourrait être la suivante:
20% Moteurs thermiques, carburants pétroliers inchangés.
50% Moteurs thermiques, Biocarburants( Ethanol, Biodiesel, Bio GV).
15% Moteurs électriques à Batterie.
15% Moteurs électriques à pile à combustible.
Les Biocarburants devraient alors fournir environ 400 TWh, soit l'équivalent de 50 Milliards de litres si l'on tient compte du PCI de l'Ethanol, inférieur à celui du super.
Tous ces chiffres sont évidemment des ordres de grandeur reposant sur des hypothèses de travail, aussi réalistes que possible, mais qui demeurent des hypothèses.
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Les Biocarburants ne seront pas obtenus en creusant quelques puits dans le sol. Il faudra les fabriquer.
Pour savoir d'où sortiront ces milliards de litres, Il est essentiel de dresser un bilan des ressources éligibles de Biomasse, afin de prévoir le degré d'autosuffisance qu'elles pourront garantir au Pays, et mettre sur pied, si nécessaire, des accords de coopération avec les pays susceptibles de compléter nos approvisionnements.
Sans oublier que les transports ne sont pas les seuls consommateurs d'énergie, et que les ressources de la biomasse devront être partagées avec les secteurs de l'Industrie, du résidentiel-tertiaire et de la Chimie.
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L'ADEME et L'INRA se sont évidemment intéressés à la chose, car il est essentiel d'identifier nos possibilités d'indépendance énergétique, celle-ci étant l'un des objectifs du remplacement des énergies fossiles.
Les chiffres ci-dessous sont tirés du rapport de L'INRA:
"Semer aujourd'hui les carburants de demain"
Il faut d'abord oublier les biocarburants de première génération, non conformes à l'esprit de la transition énergétique, qui impose de ne pas porter préjudice aux capacités de production de produits alimentaires, que ce soit sur le territoire national ou ailleurs.
Le seul intérêt des biocarburants 1G est de permettre le rodage d'une filière, d'en voir les avantages et les inconvénients, et de développer les matériels adaptés, que ce soit pour la production ou pour l'utilisation.
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Les Biocarburants 2G , qui nous intéressent ici, utilisent la matière ligno-cellulosique, considérée comme non concurrentielle vis-à-vis des productions agricoles vivrières, comme les céréales, la betterave, le maïs, les oléagineux consommables.
La 2G utilise en gros les résidus agricoles et les cultures dédiées pratiquées sur des sols infertiles ou délaissés.
Ceci doit être nuancé puisqu'une partie des rémanents agricoles sont utilisés pour le bétail, et une autre partie reste sur le terrain pour contribuer à l'amendement des sols; que serait l'agriculture Bio sans un bon fumier ? On pourrait aussi évoquer une troisième partie utilisée à des fins non agricoles, par exemple dans des matériaux de construction ou d'isolation.
Donc, l'évaluation de la quantité de matière lignocellulosique pouvant être consacrée aux biocarburants doit tenir compte de ces autres utilisations qui ne doivent pas en souffrir.
On ne peut déshabiller Pierre pour habiller Paul.
Cette évaluation doit également tenir compte de la facilité d'accès à la ressource (Récupération, conditionnement, transport, séchage), qui impacte le prix évidemment, lequel ne doit pas plomber de prix de revient du carburant.
Il faudra également évaluer le coût énergétique de ces différentes opérations. Il n'y aurait aucun sens à dépenser un litre de gazole pour produire un litre de Biodiesel !
Ces considérations valent également pour les résidus de sylviculture, qui doivent être évalués en tenant compte des autres usages du bois (Bois énergie, pellets, bois de trituration, de construction, d'ameublement, etc..).
Tenant compte de toutes ces contraintes, le rapport en question évalue la masse de matière sèche lignocellulosique accessible à environ 15 Millions de tonnes par an, en comptant les résidus de l'agriculture et de la sylviculture.
Cette masse pourrait être doublée en ajoutant les cultures dédiées sur les sols non utilisés par l'agriculture "vivrière".
Soit un total de 30 Millions de tonnes MS (Matière Sèche).
Cette évaluation devra être affinée évidemment, mais elle constitue un bon ordre de grandeur.
Toutes les matières sèches lignocellulosiques présentent une composition à peu près semblable quelque soit le produit: C6-H9-O4
Et une valeur énergétique sensiblement constante.
Leur transformation en Biocarburant s'obtient avec un rendement d'environ 20%, soit 200 kg par tonne MS.
30 Mt/MS permettent donc d'obtenir environ 8 Milliards de litres de Biocarburant de densité 0,7.
Dans notre hypothèse ci-dessus, pour alimenter 50% du parc roulant en biocarburants, il nous faudrait 50 Milliards de litres.
La production intérieure de 8 Milliards de litres, telle qu'elle est évaluée ci-dessus, ne représente que 16% des besoins du seul transport, Il faudrait donc importer le reste, soit 84%.
Les autres secteurs, comme le Résidentiel/Tertiaire et l'Industrie, devront également se convertir aux biocarburants, lequel devra être importé en totalité.
Cette évaluation, grossière mais réaliste, donne la mesure du problème à résoudre pour remplacer les produits pétroliers.
La seule exploitation de la matière lignocellulosique disponible sur le territoire national ne suffira pas, et de loin, puisqu'elle ne permettra de couvrir que 4 à 5% des besoins intérieurs.
L'apport des Biocarburants de troisième génération, obtenus à partir de cultures d'algues, atténuera la pénurie mais ne permettra pas combler le déficit, et de loin.
Ces Biocarburants de troisième génération sont en cours de développement depuis plusieurs décennies. Différents programmes soutenus par les Gouvernements et l'Union Européenne ont permis de valider plusieurs voies de fabrication. Quelques unités industrielles sont en cours de validation.
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Le remplacement pur et simple du pétrole par des biocarburants dans des moteurs thermiques, s'il permet de verdir le CO2 émis, n'améliore pas le rendement énergétique.
Le rendement des moteurs demeure minable, voisin de 25%, et la quantité de carburant nécessaire est augmentée de 20% dans le cas de l'Ethanol dont un litre ne contient que 7 KWh contre 10 KWh pour du Super.
Quant au Biodiesel, il présente les mêmes inconvénients que le pétrole, les émissions de Nox sont difficiles à maîtriser.
Ces considérations justifient de s'intéresser à la solution pile à combustible avec moteur électrique.
Le rendement global peut y atteindre 60%, ce qui permet de réduire considérablement la quantité de carburant nécessaire, dans un rapport 2,3,
Ce qui représente une économie de 200 TWh !
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La transition énergétique devra atteindre deux objectifs:
- Supprimer les émissions de CO2 fossile.
- Réduire drastiquement la dépense énergétique.
Dans les transports, il semble bien que le moteur électrique soit un passage obligé, associé à une batterie et/ou une pile à combustible.
Le moteur électrique apporte son excellent rendement et son absence d'émissions polluantes ou de GES.
La pile à combustible utilise un carburant propre de très haute capacité énergétique, garant d'une grande autonomie.
La solution à batterie seule restant dédiée aux applications se satisfaisant d'une autonomie réduite.
La généralisation de ces solutions permettrait à terme d'économiser 400 TWh, de supprimer les émissions de GES , et de s'affranchir des problèmes de pollution générés par les moteurs thermiques, même utilisant des biocarburants.
La solution à batterie seule a montré ses limites, à la fois technologiques, et surtout logistiques à cause des problèmes de recharge de batteries de très grandes capacité.
Reste la solution à pile à combustible, qui peut constituer une planche de salut pour l'après pétrole.
Mais le combustible en question, obligatoirement renouvelable, devra être majoritairement importé, ce qui ne va pas dans le sens de l'indépendance énergétique.
Mais peut-on faire autrement ?
