lundi 22 juin 2009

Le déclin pétrolier imminent commande des actions urgentes


Illustration – Courbe de production mondiale du pétrole et des gaz liquides (propane principalement) telle que présentée en 2004 par Colin Campbell, le fondateur de l’ASPO (Association for Study of Peak Oil and Gas). Une partie représente l’historique de production et une autre les prédictions. Ces dernières sont basées sur une estimation des réserves et une connaissance des technologies d’extraction. On constate que le maximum de la production mondiale se situe en 2008, selon Campbell.

Le confort moderne dont nous disposons dans les pays industrialisés est devenu tellement «normal» qu’on ne se pose pas de questions sur ce qui nous permet de vivre ainsi. En fait ce sont en très grande partie les carburants fossiles (pétrole, gaz naturel et charbon) bon marché qui nous rendent la vie si facile, puisqu’ils sont la source de 80% de l’énergie que nous consommons. Pensons à l’électricité produite aux Etats-Unis qui provient à 50% des centrales au charbon, au gaz naturel qui chauffe beaucoup de maisons et fait fonctionner un grand nombre de centrales électriques, au pétrole qui alimente 97 % des transports…

Mais ces carburants constituent des ressources finies qui s’épuisent rapidement, et nous agissons comme s’ils allaient être éternels. De plus, l’Inde et particulièrement la Chine ont présentement des taux de croissance accélérés de leur économie, ce qui, compte tenu de leur très grande population, engendre une pression supplémentaire très importante sur les ressources naturelles. Lorsqu’on conjugue l’ensemble de la consommation mondiale, il est bien évident qu’on court à la catastrophe, surtout que présentement la population planétaire de 6,7 milliards d’habitants augmente d’un milliard à tous les 12 ans! Les environnementalistes nous disent que si tous les habitants de la Terre voulaient vivre comme les Étatsuniens, avec les mêmes technologies et habitudes, il faudrait 5 planètes Terre pour fournir les ressources nécessaires et éliminer les déchets et émissions!

Le premier des carburants fossiles à s’épuiser sera le pétrole. L’ASPO (Association for the Study of Peak Oil and gas), fondée en 2001, a déjà tenu plusieurs congrès internationaux pour alerter la population et les décideurs de différents milieux. Cette organisation est constituée en bonne partie de géologues pétroliers indépendants et d’analystes des marchés pétroliers. Le fondateur de l’ASPO, Colin Campbell, a présenté en 2004 la courbe de production mondiale de pétrole et de gaz liquides (propane principalement) apparaissant au début de ce billet. Il place le maximum de production en 2008, après quoi la production devrait décroître du tiers d’ici 2030 alors que la demande monte! Il n'est pas le seul à être convaincu du déclin pétrolier imminent. Plusieurs rapports en font état depuis 2005.

Le jeu de l’offre et de la demande devrait donc entraîner une augmentation fulgurante du prix du baril de pétrole dans les années qui viennent, et il ne serait pas surprenant qu’on ait à payer 3$ ou même 4$ le litre d’essence d’ici 2015. De tels prix auront nécessairement des conséquences catastrophiques sur notre économie si dépendante du pétrole bon marché.

Pour le réaliser, il faut savoir que l’énergie contenue dans un litre de pétrole équivaut à l’énergie fournie par le travail d’un homme robuste pendant un mois (160 heures). Le pétrole peut donc remplacer, via des machineries diverses, la force musculaire d’un homme pour environ 0,02$ de l’heure (en considérant une efficacité de 33% des machines et un prix de 1,10 $/litre)! Par ailleurs, on sait qu’avec les pratiques modernes on consomme environ 10 fois plus d’énergie pour produire et amener notre nourriture dans notre assiette que l’énergie qu’elle contient, grâce principalement au pétrole. Le pétrole se retrouve également dans une myriade de produits de consommation à base de plastique ou de caoutchouc synthétique, dans beaucoup de produits pharmaceutiques, dans les pesticides, dans l’asphalte de notre système routier…

Mais l’utilisation principale de l’or noir est bien entendu comme carburant dans les transports, qui dépendent à 97% du pétrole. La motorisation électrique des véhicules routiers devient donc une NÉCESSITÉ ABSOLUE URGENTE.

Et puisqu’une image vaut mille mots et un film encore plus, je vous recommande fortement de visionner l'excellent documentaire «A Crude Awakening», dont vous avez la version française «Pétrole - Cruel sera le réveil» dans les vidéos suivants.









mercredi 20 mai 2009

Les émissions de CO2 des voitures électriques


Souvent, lorsqu’on parle de véhicules à motorisation électrique, on se demande si transférer les émissions des voitures traditionnelles vers les émissions des centrales électriques va réellement améliorer les choses concernant les gaz à effet de serre.

Pour répondre à ce questionnement, il faut d’abord considérer les émissions de CO2 des différents réseaux, exprimées en grammes de CO2 par kilowatt-heure d’électricité produite. Ces valeurs peuvent être obtenues via les statistiques des ministères ou départements de l’énergie ou de l’environnement des différents pays ou États, ou encore via les compagnies d’électricité d’État (EDF en France et Hydro-Québec au Québec).

Toutefois, les émissions de gaz à effet de serre données par ces organismes ou corporations sont souvent celles qui résultent de la combustion des carburants fossiles dans les centrales elles-mêmes. Il manque les émissions dues aux activités minières pétrolières ou gazières, pour aller chercher sous-terre les différents carburants, dont l’uranium pour les centrales nucléaires. Ces données ne tiennent pas compte non plus de la transformation des matières premières et de leur transport, ni de la construction des centrales. Il manque également les émissions qui résultent de la décomposition des arbres submergés dans les réservoirs des barrages hydroélectriques. Pour tenir compte de ces divers aspects, il faut effectuer une étude du cycle de vie d’un kiloWatt-heure d’électricité, de la terre à la prise. Diverses études nous apprennent, en gros, qu’il faut ajouter 15 % d’émissions pour le pétrole et le charbon et 25 % pour le gaz naturel. Pour ce qui est des centrales nucléaires, on compte généralement 15 gCO2/kWh, et il faut ajouter 18 gCO2/kWh pour les barrages hydroélectriques. En procédant de la sorte, on obtient pour la Californie, les États-Unis, la France, le Canada et le Québec les intensités d’émissions du tableau suivant.


Maintenant, une voiture intermédiaire à motorisation électrique, construite en 2009 avec les meilleures technologies disponibles commercialement, consomme environ 17 kwh/100 km d’électricité stockée dans sa batterie. Par ailleurs, avec des moteurs-roues, un allégement de la voiture et une meilleure aérodynamique, la consommation devrait se réduire à 12 kwh/100 km d’électricité stockée dans la batterie, disons vers 2020. Mais, pour évaluer les émissions de CO2, nous supposerons une consommation de 15 kwh/100 km à partir de l’électricité stockée dans la batterie. Nous y ajoutons 6 % pour les pertes de la prise de courant (alternatif) à l’électricité stockée dans la batterie (continu), ce qui porte la consommation effective à 16 kwh/100 km, de la centrale aux roues. Pour obtenir les émissions de CO2 de la voiture électrique, il suffit de multiplier cette consommation effective par les émissions des réseaux du tableau précédent.

Les résultats sont présentés sur le graphique au début de ce billet. On y retrouve également les émissions de CO2 de voitures à essences pour fins de comparaison. La voiture intermédiaire à essence de 1500 kg (ligne bleue épaisse) est celle qui équivaut à la voiture intermédiaire électrique pour laquelle nous avons fait les calculs d’émission.

Pour obtenir les émissions de CO2 des voitures traditionnelles, nous supposons que l’essence est entièrement brûlée, ce qui dégage 2,36 kg de CO2 par litre. On tient compte du CO2 dégagé du puits de pétrole au réservoir de la voiture, en ajoutant 15 %, ce qui correspond aux évaluations des diverses études sur le sujet.

Il est particulièrement intéressant de constater qu’aux États-Unis, avec un parc de centrales qui brûlent des carburants fossiles pour produire 70 % de l’électricité (50 % de centrales au charbon et 20% de centrales au gaz naturel), les émissions de CO2 d’une voiture électrique sont malgré tout meilleures que celles d’une voiture consommant 5 litres/100 km, comme une Prius. En France et au Québec, des voitures électriques y émettraient beaucoup moins de gaz à effet de qu’une Prius, comme on peut le constater.

Le Québec apparaît, en fait, comme un endroit quadruplement privilégié pour implanter la mobilité électrique en Amérique, dû à

- l’importante diminution des gaz à effet de serre qui en résultera,

- à l’abondance de l’électricité qu’on y retrouve et son aspect renouvelable,

- à son faible coût (0,07 $ / kWh),

- et à l’économie très importante sur les importations de pétrole (100% d’importation)

Pour mieux voir la différence entre les divers types de centrales électriques, le graphique suivant nous présente les émissions de CO2 d’une voiture électrique intermédiaire dont on rechargerait la batterie avec l’électricité issue des différents types de centrales.

La méthode de calcul est identique à celle du graphique précédent, à l’exception de l’intensité des émissions qui ne sont plus celles des réseaux dans leur ensemble, à différents endroits, mais plutôt les intensité d'émissions de GES des divers types de centrales, de la terre à la prise. Le tableau suivant regroupe les résultats obtenus en utilisant le calculateur de cycle de vie GHGenius développé pour Ressources naturelles Canada (www.ghgenius.ca).



Donc, comme on peut le constater, les émissions de CO2 des véhicules électriques ou hybrides branchables en mode électrique sont toujours considérablement inférieures à celles des véhicules traditionnels utilisant les carburants pétroliers. Le dernier graphique nous montre également l’importance d’utiliser les énergies renouvelables pour réduire de façon draconienne nos émissions.

lundi 9 mars 2009

Des centrales hydroélectriques pompées urbaines pour verdir la production électrique


Illustration – Principe de la centrale hydroélectrique pompée souterraine urbaine proposée par Pierre Couture. Elle permet de stocker l'énergie et réguler les variations des énergies renouvelables, entre autres, et constitue un élément incontournable des réseaux électriques de demain. (illustration: Paul Berryman, tirée de mon livre Rouler sans pétrole)

Le 5 mars 2009, Steven Chu, le secrétaire d’État à l’énergie des États-Unis, exposait devant une commission sénatoriale les priorités de son gouvernement en recherche et développement. Parmi les 5 secteurs identifiés, on retrouve le stockage d’énergie à grande échelle. Des unités de stockage de taille appropriée permettraient de compenser les variations journalières de l’énergie solaire et éolienne, et d’augmenter l’efficacité des centrales thermiques. Le stockage d’énergie est donc un maillon essentiel pour diminuer les émissions de gaz à effet de serre et les émissions toxiques reliées à la production d’électricité.

La solution la plus utilisée présentement pour le stockage à grande échelle de l’énergie est la centrale hydroélectrique pompée. Dans sa version traditionnelle, il s’agit de deux réservoirs d’eau situés l’un plus haut que l’autre, reliés ensemble par une galerie souterraine où se trouve une turbine qui peut fonctionner dans les deux sens. Pendant les périodes de faible demande d’électricité (la nuit par exemple) le moteur-générateur électrique couplé à la turbine pompe l’eau du réservoir inférieur vers le réservoir supérieur. Aux périodes de forte demande, on laisse couler l’eau du réservoir supérieur vers le réservoir inférieur, ce qui entraîne la turbine et génère de l’électricité. On appelle également ces installations des centrales à pompage-turbinage. Dans une centrale bien conçue, l’aller-retour de l’eau entre les deux réservoirs entraîne une perte d’environ 20% de l’énergie stockée.

Mais, pour réguler les fluctuations journalières de l’énergie éolienne et solaire, ou pour réguler les variations de la demande au fil de la journée, on n’a pas besoin de stocker plus de 25% environ de l’énergie produite. La régulation entraîne donc une perte de seulement 5% de l’énergie totale produite.

Illustration – Principe de la centrale hydroélectrique pompée traditionnelle. (source : compagnie suisse FMV)

Il y a présentement près de 200 centrales hydroélectriques pompées sur la planète, totalisant 90 GW de puissance, soit environ 3% de la puissance installée à l’échelle mondiale, selon l’ESA (Electricity Storage Association).

L’obligation d’avoir une dénivellation importante entre les deux réservoirs d’eau a fait dire à plusieurs que le stockage d’énergie par pompage-turbinage était une technologie qu’on ne pouvait exploiter à grande échelle un peu partout. À preuve, l'affirmation suivante

«Expanded use of this technology depends on the availability of suitable geography»

«Une utilisation à grande échelle de cette technologie dépend de la disponibilité d'une géographie appropriée»

qu'on retrouve dans le document «National Energy Policy Recommandations» de l'IEEE-USA ( Institute of Electrical and Electronics Engineers), datée du 15 janvier 2009 (téléchargement ICI sous la rubrique Energy and Environment).

Mais, il semble bien qu’une telle affirmation relève d’un manque d’imagination, car on peut très bien construire des centrales hydroélectriques pompées au beau milieu de vastes plaines ou encore au cœur d’une ville. Il suffit de creuser un puits profond dans le rock et de construire des galeries au fond pour obtenir le deuxième réservoir.

C’est le concept qui a été proposé par Pierre Couture, chercheur pour Hydro-Québec et inventeur du moteur-roue moderne (billet du 11 février 2009). Louis-Gilles Francoeur, journaliste au journal Le Devoir a dévoilé ce projet dans un article daté du 22 janvier 2004.

Pour éviter de trop grands travaux d'excavation pour les galeries, on a intérêt à les situer à une plus grande profondeur. Pierre Couture préconise de creuser un puits d’environ 2 mètres de diamètres et trois kilomètres de profondeur. Des turbines qui peuvent également être inversées et agir comme pompes sont disposées à tous les kilomètres en descendant, avec une caverne tampon juste derrière (voir l’illustration au début du billet).

Les calculs démontrent que pour obtenir une puissance de 1 GW pendant 10 heures, il faut creuser 3 kilomètres de galeries de 20 mètres x 20 mètres d’ouverture (1,2 millions de mètres cubes) pour emmagasiner l’eau au fond. Le coût d’une telle centrale pompée souterraine serait dans la fourchette 700 M$ à 1000 M$, et pourrait réguler des centrales électriques de 3 à 4 GW de puissance maximale.

En comptant une durée de la centrale pompée de 50 ans, on arrive au bout du compte à un coût inférieur à 0,2 cents/kWh d’énergie produite et régulée, ce qui ne représente que quelques pourcents du coût de production.

Les centrales hydroélectriques pompées peuvent être utilisées de multiples façons. On peut, bien sûr, augmenter le pourcentage d’énergies renouvelables en régulant leurs fluctuations inhérentes. Pour diminuer le besoin de régulation, on a intérêt à mettre en place des lignes à haute tension efficaces pour relier les parcs éoliens sur des milliers de kilomètres, car il y a toujours du vent quelque part. Les lignes à haute tension DC sont particulièrement intéressantes à cet égard puisqu’elles ne génèrent que 3% de pertes par 1000 km. Les centrales solaires, quant à elles, suivent assez bien la demande journalière en électricité (plus de soleil à midi). En les plaçant dans des endroits désertiques, on s’assure d’un minimum de couverture nuageuse, ce qui requerra moins de stockage d’énergie pour les fluctuations. La plus grande partie du stockage servirait à reporter à la nuit une partie de l’énergie produite dans le jour.

Par ailleurs, les centrales hydroélectriques pompées sont également intéressantes pour augmenter l’efficacité des centrales thermiques. On sait, par exemple, que les centrales au gaz naturel à cycle combiné peuvent atteindre une efficacité de 60%. Malheureusement on ne peut varier de façon importante la puissance de telles centrales pour suivre la demande journalière. On doit utiliser pour cela des centrales au gaz dont l’efficacité est inférieure à 40%. On voit donc tout l’intérêt d’une centrale hydroélectrique pompée qui serait couplée à une ou plusieurs centrales au gaz naturel. On pourrait alors utiliser les centrales au gaz les plus efficaces et les faire fonctionner toujours à régime constant optimal. Les fluctuations quotidiennes seraient prises en charge par la centrale pompée. En procédant de la sorte, on obtiendrait 50% plus d’électricité avec le même gaz naturel!

Avec l’électricité supplémentaire ainsi récupérée on pourrait fermer des centrales au charbon beaucoup plus polluantes, en attendant de fermer également, à terme, les centrales au gaz pour les remplacer par de l’énergie renouvelable.

Les centrales hydroélectriques pompées sont donc un élément ESSENTIEL de toute politique énergétique intelligente! Et avec le concept souterrain proposé par Pierre Couture, elles vont devenir de plus en plus intéressantes.

samedi 28 février 2009

Combien d’eau pour produire les biocarburants?


Illustration – L’eau douce, une ressource à préserver. (photo : Wikimedia Commons)

Un des principaux arguments mis de l’avant contre les biocarburants est la grande consommation d’eau douce pour les produire, du moins avec les technologies actuelles. Mais, en procédant de la bonne manière, les voitures hybrides branchables de demain vont consommer moins d'un litre d'eau par jour.

Prenons une voiture intermédiaire qui consomme normalement 8 litres d’essence par 100 kilomètres. Si on la fait fonctionner avec de l’éthanol à 85% (E85), la plus forte concentration commerciale, on aura alors besoin de 11,2 litres de E85 (incluant 9,6 litres d’éthanol) pour parcourir 100 km. La plus grande quantité requise est due au fait que l’éthanol ne contient que les 2/3 de l’énergie chimique de l’essence, pour un volume donné.

Maintenant, si pour produire ce carburant E85 on prend du maïs du Nebraska, on sait que ce maïs nécessite 780 litres d’eau d’arrosage par litre d’éthanol produit (voir mon livre Rouler sans pétrole pour plus de détails). À cela s’ajoute environ 4 à 5 litres d’eau par litre d’éthanol pour les besoins de l’usine de fabrication. Au total, 785 litres d’eau sont requis pour chaque litre d’éthanol produit.

Ainsi, notre voiture intermédiaire traditionnelle fonctionnant à l’éthanol E85 au Nebraska consomme 7500 litres d’eau par 100 km. Cela représente environ 4100 litres d’eau par jour pour quelqu’un qui parcourrait 20000 km par année. On comprend dès lors très bien pourquoi plusieurs environnementalistes ne sont pas chauds à l’idée!

Mais avant de jeter le bébé avec l’eau du bain, regardons comment on peut en arriver à consommer moins d’un litre d’eau par jour!

Pour cela, il faut bien entendu utiliser des cultures énergétiques qui n’ont pas besoin d’arrosage, comme les hautes herbes sauvages des prairies, dont le panic érigé (switchgrass). Nous avons vu dans un autre billet que ces herbes sauvages ont des racines de 3 mètres de profondeur très efficaces pour capter l’humidité du sol.

Par ailleurs, nous avons vu également, dans un autre billet, que les voitures hybrides branchables avancées vont consommer 4 fois moins de carburant que les voitures traditionnelles lorsqu’elles fonctionneront en mode carburant. Mais, puisque ces voitures de demain parcourront 80% de leurs kilomètres à l’électricité, elles vont en fait consommer 20 fois moins de carburant.

Or, nous avons mentionné plus haut qu’une voiture intermédiaire traditionnelle fonctionnant avec de l’éthanol à 85% nécessite environ 10 litres d’éthanol par 100 km. Les voitures hybrides branchables avancées de demain vont donc en avoir besoin que de 0,5 litres/100 km, en moyenne (20 fois moins), ce qui correspond à 0,28 litres d’éthanol par jour pour un kilométrage annuel de 20000 km.

Finalement, les nouvelles usines d’éthanol vont réduire leur consommation d’eau à environ 3 litres d’eau par litre d‘éthanol produit, grâce à des nouvelles technologies comme, entre autres, celle développée par la compagnie québecoise Vaperma. Cette compagnie innovante a mis au point des filtres moléculaires qui permettent de séparer l’eau de l’éthanol sans avoir à utiliser la distillation. Ils peuvent ainsi économiser jusqu’à 45% de l’énergie normalement utilisée dans une usine d’éthanol, tout en consommant moins d’eau. La diminution des émissions de CO2 est considérable également.

Illustration – Filtre moléculaire de la compagnie Vaperma pour séparer l’eau de l’éthanol sans distillation. Les filtres sont constitués de membranes polymériques sous forme de fibres creuses qu’on regroupe pour constituer les cartouches de filtration.

Par ailleurs, pour les filières thermochimiques (pyrolyse, gazéification) les usines de fabrication de biocarburants consomment, quant à elles, moins de 2 litres d’eau par litre de biocarburant produit.

Il y a également une nouvelle filière «hybride» thermo-biologique mis de l'avant par la compagnie Coskata, qui utilise des microorganismes pour transformer le gaz de synthèse (mélange de CO, H2 et CO2), issu d'un procédé thermique (gazéification), en éthanol. Selon Coskata, le procédé consomme moins d'un litre d'eau par litre d'éthanol produit! C'est moins que pour l'essence. Pour arriver à de telles performances, Coskata n'utilise pas de distillation mais un procédé de filtration moléculaire pour séparer l'eau de l'éthanol, sans doute similaire aux filtres de Vaperma. De plus, le procédé Coskata ne comporte pas de séchage des résidus, comme on en retrouve dans les usines traditionnelles d'éthanol, pour fabriquer le tourteau vendu comme supplément alimentaire protéiné à l'industrie du bétail. La distillation de la bière (mélange fermenté) et le séchage des résidus sont les deux procédés qui consomment le plus d'eau, par évaporation.

Illustration – Procédé thermobiologique de fabrication d'éthanol de la compagnie Coskata (source: Coskata).

Au bout du compte, notre voiture hybride branchable avancée parcourant 20000 km/an (dont 16000 km à l’électricité) va consommer moins d’un litre d’eau par jour, en utilisant des biocarburants à base de hautes herbes sauvages ne requérant pas d’arrosage, et fabriqués avec les bonnes technologies!

Pour relativiser cette consommation d’eau de notre voiture de demain, il est intéressant de connaître la consommation d’eau par kilogramme pour différents aliments. Le tableau ci-dessous résume les résultats qu’on retrouve dans le livre de David Pimentel et M.H. Pimentel, Food Energy and Society, CRC Press, 2008. On y constate qu’on a besoin de 43000 litres d’eau pour produire 1 kg de bœuf, soit plus de 6000 litres d’eau pour un steak de 150 grammes! Ce n’est donc pas le litre d’eau par jour de notre voiture qui va mettre en péril nos ressources d’eau douce. La portion trop importante de viande dans notre alimentation, et particulièrement de viande rouge, est beaucoup plus inquiétante à cet égard…

Illustration – Nombre de litres d’eau requis pour produire un kilogramme de différents aliments, selon les travaux de David Pimentel, professeur d’écologie et d’agriculture à l’Université de Cornell.

mercredi 18 février 2009

Y a t’il suffisamment de lithium pour les batteries de 1 milliard de véhicules hybrides branchables?


Illustration – Récolte de sel dans le Salar d’Uyuni en Bolivie, la plus grosse réserve de lithium de la planète (source : Wikimedia Commons)

L’arrivée sur le marché de batteries Li-ion très performantes a été, sans conteste, l’élément déclencheur de la révolution imminente dans les transports routiers. Mais, y a t’il suffisamment de lithium pour équiper un milliard de véhicules sur la planète, à terme?

Pour y répondre, il faut savoir, tout d’abord, que selon le US Geological Survey (USGS) , les réserves de base de lithium sur la planète sont estimées à 11 millions de tonnes métriques. Mais ces estimés ne tiennent pas compte des réserves de l’Argentine que la compagnie Orocobre a fait connaître récemment (3 millions de tonnes). Un rapport très instructif sur les réserves mondiales de lithium et les marchés est disponible sur le site de cette compagnie. Ce rapport réalisé par Martin Place Securities peut être téléchargé en cliquant sur la «News» du 31 mars 2008 du projet Olaroz. Du côté des Etats-Unis, la compagnie Western Lithium effectue présentement l’expertise géologique d’un important dépôt argileux de lithium au Nevada, à King Valley. La réserve estimée est de 2,08 millions de tonnes de lithium (11 millions de tonnes de carbonate de lithium, Li2CO3) et elle n’est pas comptabilisée non plus dans l’évaluation du USGS. En actualisant l’évaluation USGS, on arrive donc a des réserves de base globales de 16 millions de tonnes de lithium.

Par ailleurs, le USGS rapporte une production annuelle mondiale de lithium de 25000 tonnes pour 2007. À ce taux d’exploitation, on en aurait pour plusieurs centaines d’années. Cette situation d’abondance et le très faible prix du lithium, jusqu’à récemment, n’ont évidemment pas stimulé l’exploration de nouveaux gisements. On peut donc s’attendre à ce que les réserves mondiales soient plus élevées que 16 millions de tonnes.

Maintenant, dans le rapport Martin Place Securities mentionné plus haut, on apprend que le taux de récupération du lithium à partir des réserves est de l’ordre de 50%, en moyenne. Ainsi, en comptant 16 millions de tonnes de réserves on aurait 8 millions de tonnes de lithium de disponible pour l’industrie.

Les réserves de lithium se retrouvent à 75% sous forme de sel, principalement du carbonate de lithium qu’on récupère à même des déserts de sel. Les principaux se retrouvent en Amérique du Sud (photo du début) et également au Tibet. Le carbonate de lithium est la matière première utilisée par l’industrie des batteries (5,3 kg de carbonate donnent 1 kg de lithium).

À présent, pour une voiture hybride branchable intermédiaire, une batterie donnant une autonomie de 100 km en mode électrique nécessite présentement de stocker 20 kWh d’énergie électrique. Par ailleurs, la compagnie LG Chem, qui fournit les batteries Li-ion pour la Chevy Volt de GM, via sa filiale Compact Power, nous dit sur son site (dans la section Technology à la page FAQ) qu’ils ont besoin de 140 g de lithium par kWh de batterie, ce qui donne 2,8 kg de lithium pour 20 kWh, que nous arrondirons à 3 kg. Rappelons qu’avec ce 3 kg de lithium, une voiture intermédiaire parcourt aujourd’hui 100 km en mode électrique.

Par ailleurs, les voitures hybrides avancées des années 2020 vont être plus légères, plus aérodynamiques et vont être équipées de groupes de traction à moteurs-roues consommant moins d’énergie. Ces voitures intermédiaires de demain vont consommer environ 12 kWh/100 km au lieu du 20 kWh/100 km mentionné plus haut (voir mon livre Rouler sans pétrole). C’est donc plutôt 2 kg de lithium par voiture qu’il faudrait compter à l’horizon 2025. Ainsi, pour un milliard de véhicules (il y en a 800 millions présentement sur la planète), on aurait besoin d’environ 2 millions de tonnes de lithium, soit le quart des réserves mondiales de base, disponible après extraction.

Il y a donc suffisamment de lithium sur la planète pour des voitures hybrides branchables. Mais, si on voulait aller vers des voitures tout électriques avec des batteries de 400 km d’autonomie, là on aurait des problèmes. Il sera toujours préférable d’utiliser la plus petite batterie possible pour parcourir 80% de nos kilomètres.

Maintenant, il faut bien réaliser que les batteries Li-ion sont recyclables à plus de 95%. Les réserves finies de lithium ne peuvent donc se comparer aux réserves finies de pétrole, qui lui est totalement perdu dans un moteur à combustion interne.

Certains critiques de la mobilité électrique font également miroiter qu’environ les 60% des réserves mondiales sont situées en Amérique du Sud et qu’on se retrouve dans une situation similaire au Moyen-Orient pour le pétrole. Mais, comme le lithium prend de la valeur, on n’a pas fini de découvrir des gisements un peu partout. Le seul gisement de King Valley au Nevada, contient suffisamment de lithium pour 500 millions de voitures intermédiaires avancées avec une autonomie de 100 km en mode électrique.

Illustration – Un projet d’exploitation minière de la compagnie Canada Lithium Corporation, près de Val d’or au Québec, pourrait produire suffisamment de lithium pour équiper tous les véhicules canadiens d’une batterie donnant une autonomie de 100km en mode électrique. (source : Cadada Lithium Corporation)

La compagnie Canada Lithium Corp. compte également exploiter une ancienne mine près de Val d’or au Québec. On pense pouvoir en sortir l’équivalent de 55 millions de kg de lithium, une quantité suffisante pour 25 millions de voitures intermédiaires avancées avec une autonomie de 100 km en mode électrique, de quoi combler tous les besoins des Canadiens.

lundi 16 février 2009

Où trouver les terres pour les biocarburants?


Illustration – L’industrie du bétail émet plus de gaz à effet de serre que tous les véhicules routiers de la planète. (photo : Wikimedia Commons)

Lorsqu’on parle de biocarburants, les gens craignent qu'on enlève des terres pour nourrir les humains et se disent que cela n’a pas de sens. Mais, essayons d’être objectifs et de s’élever au dessus de la mêlé pour «décompartimenter» notre gestion des terres sur la planète, et voir si on ne pourrait pas faire mieux.

Tout d’abord, selon un rapport des Nations-Unis publié en 2006, 70% des terres agricoles de la planète sont dédiées à l’industrie du bétail [H. Steinfeld et al., Livestock’s long shadow, Food and Agriculture Organization (FAO), Rome 2006]! Ces terres sont divisées en pâturages et en surfaces cultivées pour nourrir le bétail (33% des terres cultivées de la planète).

Par ailleurs, selon ce même rapport, l’industrie du bétail est responsable de 15% à 18% des émissions anthropogéniques de gaz à effet de serres (GES), exprimées en équivalent CO2. Mais, ce qu’il faut savoir c’est que l’ensemble des véhicules routiers de la planète sont responsables, eux, d’environ 12% à 13% des gaz à effet de serre (incluant les GES pour fabriquer les carburants). L’industrie du bétail émet donc PLUS de GES que les véhicules routiers!

Un autre élément à considérer également c’est qu'avec un hectare de terre arable on produit environ 25 kg de protéines animales de bœuf, alors qu’on produit 400 kg de protéines végétales de soya, 300 kg de protéines de riz et 150 kg de protéines de blé, avec ce même hectare. Sans compter que pour produire 1 kg de bœuf, ça prend plus de 40000 litres d’eau, soit plus de 6000 litres d'eau pour un steak de 150 grammes (voir le site de l’organisation Compassion In World Farming , en particulier le rapport The Global Benefits of Eating Less Meat, 2004)! L'excès de viande dans notre alimentation constitue donc un gaspillage éhonté de nos ressources planétaires en terre agricole et en eau douce, sans parler des autres ressources comme les carburants fossiles (gaz naturel pour les engrais et pétrole pour la machinerie).

Il faut connaître ces faits si on veut prendre des décisions éclairées quant à l’utilisation judicieuse de nos terres agricoles.

Dans mon dernier livre Rouler sans pétrole, je recommande de diminuer notre consommation de viande de 15% (un jour par semaine sans viande). Ce faisant, on libère plus de terres agricoles qu’on en a besoin pour produire en biocarburants l’équivalent de 5% des carburants pétroliers utilisés actuellement. Or 5% c’est tout ce qu’on a besoin, en provenance de cultures énergétiques, pour éliminer le pétrole des transports routiers (voir le billet précédent).

En terminant, il ne faut pas oublier qu’en réduisant un peu notre consommation de viande pour produire des biocarburants de deuxième génération, on diminue DOUBLEMENT les émissions de gaz à effet de serre, puisque l’industrie du bétail en émet plus que les véhicules routiers.

Des biocarburants à bilans carbone négatifs : 2- La polyculture d’herbes sauvages des prairies


Illustration – Les herbes sauvages des prairies ont des racines très fournies et profondes de 3 à 4 mètres. (source : United-States Department of Agriculture, la profondeur en mètres a été ajoutée par l’auteur de ce blogue)

Avec des carburants pétroliers, on prend du carbone qui était sous terre, on le brûle et on augmente ainsi constamment la teneur en CO2 de l’atmosphère. L’idée derrière les biocarburants est d’éviter d’émettre du CO2 en provenance de carbone piégé dans les formations géologiques («géocarbone») et d’utiliser à la place du «biocarbone» qu’on retrouve dans les plantes. On entre alors dans ce qu’on appelle le cycle du carbone, où le carbone qu’on envoie dans l’atmosphère, en brûlant les biocarburants, est réabsorbé par les plantes qu’on cultive pour fabriquer les biocarburants. Il ne s’en ajoute donc pas constamment dans l’atmosphère, dans la mesure où on n’utilise pas de carburants fossiles pour fabriquer les biocarburants. Dans ce cas, on dit que les biocarburants ont un bilan carbone neutre.

Cette situation idéale n’est pas atteinte en pratique, et on obtient un bilan positif d’émissions de CO2, avec une réduction plus ou moins grande des émissions par rapport aux carburants fossiles. Cette réduction est d’à peine 20% pour l’éthanol produit à partir de grains de maïs, et certains disent même qu’elle est nulle si on tient compte des gaz à effet de serre qu’il a fallu émettre pour produire la machinerie. Ajoutons à cela les problèmes de dégradation des sols et de pollution de l’eau, dus aux engrais et pesticides, et on comprend pourquoi plusieurs environnementalistes n’aiment pas les biocarburants.

Toutefois, les biocarburants de deuxième génération ont le potentiel de diminuer les émissions de gaz à effet de serre de 80% à 90%, en utilisant les plantes au complet au lieu de seulement les grains et les fruits, comme c’est le cas présentement. Mais, les problèmes de dégradation et d’érosion des sols par des monocultures intensives doivent également être pris en compte.

La Nature faisant bien les choses, les chercheurs étudient depuis quelques décennies l’avantage des cultures de hautes herbes sauvages des prairies, comme le Panic érigé (switchgrass en anglais). Tout d’abord, ces herbes étant vivaces, elles n’ont pas besoin d’être ressemées à chaque année, comme le maïs ou le soya. De plus, ces herbes ont des systèmes radiculaires très développés et profonds (illustration au début du billet). Grâce à ces deux particularités, les herbes sauvages des prairies protègent les sols de l’érosion, au lieu de l’amplifier comme le font les monocultures intensives de plantes annuelles en rangées.

Par ailleurs, les herbes sauvages des prairies n’ont pas besoin d’être arrosées, car leurs racines sont très efficaces pour récupérer l’humidité du sol, jusqu’à 3 ou 4 mètres de profondeur. Par comparaison, le maïs nécessite en arosage souvent plusieurs centaines de litres d’eau par litre d’éthanol produit.

Là ou la culture des herbes sauvages des prairies devient particulièrement intéressante, c’est lorsqu’on en cultive un mélange, incluant des plantes qui fixent l’azote. C’est ce qu’ont expérimenté les chercheurs de l’Université du Minnesota, pendant 10 ans, sur des terres dégradées. Ils ont cultivé 152 parcelles différentes de terrain comportant différents mélanges, allant jusqu’à 16 herbes différentes dans une même parcelle. Les résultats stupéfiants de leur étude ont été publiés en 2006 (Tilman, Hill et Lehman, revue Science, vol. 314, 8 décembre 2006, page 1598 à 1600).

Tout d’abord, les quantités d’engrais et de pesticides requises sont de beaucoup réduites par rapport au maïs et au soya, comme le montre le graphique ci-dessous, tiré de leur publication (couleurs ajoutées par l’auteur de ce blogue).
Le mot «Biomass» dans ce graphique représente le mélange à haute diversité (16 herbes différentes).

Maintenant, la surprise c’est que les biocarburants de deuxième génération issus de ces cultures à haute diversité auraient des bilans carbone fortement NÉGATIFS! C’est-à-dire qu’en plus d’éviter les émissions nettes de CO2 dans l’atmosphère (bilan carbone neutre), on retire littéralement du CO2 de l’atmosphère pour en réduire la concentration. La raison est bien simple, le carbone est stocké sous terre, en grande quantité, dans les racines. C’est un peu comme le charbon de bois de la Terra preta, enfoui par les aborigènes d’Amazonie (voir le précédent billet).

Toutefois, pour obtenir des bilans carbone fortement négatifs (-150% à -250%), il faut cultiver plusieurs herbes ensemble. Par exemple, les parcelles avec un mélange de 16 herbes stockent 31 fois plus de carbone dans le sol que les parcelles en monoculture!

Non, définitivement, les biocarburants de demain n’auront rien à voir avec ceux d’aujourd’hui, d’où l’importance de ne pas jeter le bébé avec l’eau du bain. Un développement durable des biocarburants est tout à fait envisageable, à condition de le faire intelligemment et de n’en produire que des petites quantités.

Dans mon dernier livre Rouler sans pétrole, je démontre que faire des cultures énergétiques pour produire l’équivalent en biocarburants de 5% des carburants pétroliers actuels serait suffisant pour ne plus consommer de pétrole dans les transports routiers. L’électricité des réseaux serait, bien entendu, le principal «carburant». On utiliserait également, pour les biocarburants, des déchets municipaux, des résidus forestiers et le recyclage des huiles et gras de l’industrie alimentaire, ce qui peut sans problème fournir l’équivalent de 2,5% des carburants pétroliers actuels, pour un total de 7,5% en biocarburants (incluant les cultures énergétiques dédiées).

samedi 14 février 2009

Des biocarburants à bilans carbone négatifs: 1-La leçon des anciens aborigènes d'Amazonie

Illustration – Micrographie d’un morceau de charbon de bois (biochar) montrant son extrême porosité, les petites faisant environ 1/100 de millimètre. C'est un milieu idéal pour retenir l'eau, les nutriments et les microorganismes, d'où l'augmentation de la fertilité des sols. (Source : Best Energies)

Depuis une dizaine d’années, les agronomes et environnementalistes s’intéressent de plus en plus à la Terra preta d’Amazonie, une terre noire extrêmement fertile qui résulte des pratiques agricoles étonnantes des anciens aborigènes.

Leur secret relevait du charbon de bois qu’ils enfouissaient dans le sol, d’où son nom Terra preta, en portugais. L’aspect poreux du charbon de bois, aussi appelé biochar, aide à retenir les nutriments, l’eau et les microorganismes. Ces particularités facilitent la croissance des plantes, et diminuent le besoin d’engrais tout en réduisant de plus de 50% l’émission de protoxyde d’azote, un gaz 300 fois plus actif pour le réchauffement planétaire que le CO2.

Pour produire le biochar, on utilise un procédé de décomposition thermique de la biomasse appelé pyrolyse, qui consiste à chauffer du bois ou des résidus végétaux dans une enceinte, en y raréfiant le plus possible l’oxygène. Il se dégage alors des gaz combustibles contenant, entre autres, de l’hydrogène et du méthane, qui sont utilisés en partie pour produire la chaleur requise par le procédé. Il se forme également, après traitement et refroidissement, une bio-huile, capable de remplacer le mazout pour le chauffage. On peut également transformer cette bio-huile en biocarburants plus adaptés aux transports, comme le diesel et l’essence synthétiques, où encore l’éthanol. On obtient alors des biocarburants de deuxième génération.


Maintenant, lorsqu’on enfouit le biochar, en plus de fertiliser les terres, on séquestre dans le sol le CO2 de l’atmosphère qui avait été absorbé par les plantes. On contribue ainsi à retirer des gaz à effet de serre, un bonus particulièrement recherché ces temps-ci!. La combinaison biochar enfoui et production de biocarburants confère donc à ces biocarburants un bilan carbone négatif, ce qui est encore mieux qu’un bilan neutre. Le Professeur Lehmann de l’Université Cornell estime qu’en mettant en place ces pratiques à grande échelle, on pourrait à la fois produire des biocarburants et retirer annuellement 9,5 milliards de tonnes de carbone de l’atmosphère d’ici 2100. C’est plus que ce qu’on émet aujourd’hui en brûlant des carburants fossiles à l’échelle de la planète!

Pour plus d’informations, vous pouvez consulter le site francophone Terra preta , et le site anglophone The International Biochar Initiative (IBI), où l’on retrouve l’illustration du procédé de pyrolyse plus haut. Par ailleurs, le vidéo suivant est un excellent documentaire sur le sujet.


jeudi 12 février 2009

Le transport des marchandises en mobilité durable


Illustration – Camionnette Transit Connect EV de Ford présentée au Salon de l’auto de Chicago cette semaine. Elle sera commercialisée en 2010 (photo : Ford)

Cette semaine, Ford a annoncé que son premier véhicule tout électrique sera la camionnette Transit Connect EV, promis pour 2010. (photo ci-haut). Ils s’associent pour ce nouveau produit à la compagnie anglaise Smith Electric Vehicles déjà bien implantée, et qui offre toute une gamme de camions électriques, comme on peut le constater sur leur site.

Ford ne donne pas de précisions sur les performances de la camionnette, mais puisqu’elle correspond au modèle Ampère de Smith, on sait qu’Ampère peut rouler jusqu’à 110 km/h et parcourir jusqu’à 160 km sur une pleine charge de sa batterie Li-ion, ce qui devrait se traduire dans la vraie vie à une autonomie de 100 à 120 km.

En fait, le transport urbain des marchandises est probablement le secteur dont les véhicules vont s’électrifier les premiers. En effet, les véhicules n’ont pas besoin de rouler à plus de 90 km/h ni de parcourir des distances supérieures à 150 km par jour environ. De plus, les véhicules reviennent à l’entreprise tous les soirs, où l’on peut facilement recharger leur batterie. La compagnie TNT, la plus grosse compagnie de courrier rapide en Angleterre, a bien compris puisqu’ils ont acheté, en 2007 et 2008, 150 camions Newton de 7,5 tonnes, de la compagnie Smith Electric Vehicles (illustration ci-dessous).

Illustration – Un des 150 camions électriques Newton de Smith achetés en 2007 et 2008 par la compagnie de courrier rapide TNT en Angleterre. (photo : TNT)

Le transport interurbain des marchandises est plus difficile à électrifier en raison des camions semi-remorques qui parcourent souvent 800 km par jour tout en consommant beaucoup plus qu’un véhicule léger. Dans Rouler sans pétrole, je démontre que les camions semi-remorques hybrides de demain pourront consommer 3 fois moins de carburant qu’aujourd’hui. Pour y arriver, il faudrait compter sur l’hybridation, un moteur thermique 25% plus efficace, une meilleure aérodynamique (figure ci-dessous), des moteurs-roues électriques, et la réduction de la vitesse sur autoroutes à 95 km/h. Après, avoir réduit la consommation d’énergie d'un facteur 3 on pourrait équiper les camions semi-remorques de 2 à 3 tonnes de batteries Li-ion performantes, ce qui leur permettrait de parcourir environ 300 km à l’électricité. Avec des batteries au titanate de lithium, il serait possible de les remplir en moins de 20 minutes à une station de recharge d’un million de Watts (1 MW). Pour référence, l’électricité est transférée à un TGV avec une puissance de 9 MW environ.

Illustration – Camions conçus par Luigi Colani (Source : Wikimedia Commons, auteur : Wikipedia-ce, août 2005)

Par ailleurs, dans un contexte de rareté énergétique, il est souhaitable que les gens consomment davantage localement, ce qui réduira le nombre de camions sur les routes. De plus, le coût élevé du pétrole en 2008 a suscité des coopérations entre les entreprises de transport, qui font désormais de plus en plus de cocamionnage lorsque leurs camions ne sont pas pleins, ce qui, là encore, réduit le nombre de camions sur les routes. Enfin, on peut également détourner une partie des semi-remorques via les trains. C’est le principe du ferroutage, de plus en plus populaire en Europe, où les trains fonctionnent en bonne partie à l’électricité.

Illustration – Gare intermodale de ferroutage entre le Luxembourg et Perpignan, gérée par la compagnie française Lorry Rail (Source : Lorry Rail)

En terminant, il ne faudrait pas oublier qu'on peut également faire du transport de marchandises à l'électricité grâce au monorail à grande vitesse dont j'ai parlé dans mon billet du 9 février 2009.

mercredi 11 février 2009

Combien d’électricité en plus pour les réseaux?


Illustration – Graphique tiré de mon livre Rouler sans pétrole, montrant le pourcentage d’énergie électrique supplémentaire requis dans différents endroits, pour que les véhicules parcourent 70% des kilomètres en mode électrique.

Lorsqu’on aborde le sujet des véhicules hybrides électriques branchables, les non initiés mettent toujours de l’avant la crainte de manquer d’électricité. Mais il ne faut pas oublier que cette transition vers la mobilité principalement électrique va se faire graduellement, sur 20 à 25 ans, et constituer une opportunité unique de stimuler les économies locales.

Pour ce qui est des quantités supplémentaires d’électricité requises, les calculs sont expliqués dans mon livre Rouler sans pétrole (et corroborés par une autre étude), en supposant que 70% du kilométrage des véhicules soit parcouru à l’aide de l’électricité. Les résultats sont donnés sur le graphique plus haut. Les valeurs supérieures correspondent aux technologies qui seront commercialisées d’ici quelques années, alors que les valeurs inférieures font références aux technologies matures, moins énergivores, qui seront disponibles à grande échelle après 2020.

On constate que le Québec est un endroit très privilégié, puisque l’électricité supplémentaire requise est de l’ordre de 7% seulement d’ici disons 2030. On pourrait facilement obtenir cette quantité en misant sur une efficacité énergétique accrue. Une autre option intéressante serait de d’installer du chauffage par thermopompes géothermiques pour la moitié des résidences et bâtiments. On économiserait ainsi le 7% de l’électricité dont on a besoin. Si le pourcentage d’électricité supplémentaire est si faible au Québec, c’est que les Québécois disposent de 3 fois plus d’électricité par habitant que les Français et que les Californiens, et deux fois plus que la moyenne des Étatsuniens. De plus, L’électricité au Québec est très bon marché et non polluante (95% de centrales hydroélectriques).

Enfin, pour ceux qui craindraient quand même qu’Hydro-Québec n’autorise pas la recharge des batteries (avec des bornes intelligentes) les quelques jours d’hiver où il fait moins -35°C, il ne faut pas oublier qu’il n’y a aucun problème avec une voiture hybride branchable, puisqu’elle peut tout aussi bien fonctionner avec son moteur thermique.


Illustration – Le vent peut fournir une partie importante de l’électricité supplémentaire requise. (photo: Wikimedia Commons, auteur: Kapipelmo, avril 2008)

Si on prend les États-Unis maintenant, c’est environ 22% d’électricité supplémentaire qu’il faudrait pour alimenter les véhicules. Mais comme 70% de leur électricité provient de centrales au gaz naturel et au charbon, ces centrales sont fortement sous-utilisées la nuit, et pourraient l’être en partie pour recharger les véhicules, sans construire de nouvelles centrales.

Par ailleurs, installer des panneaux solaires sur les toits des édifices au sud des Etats-Unis, afin de recharger les véhicules branchables, coûte moins cher que d’acheter de l’essence pour un véhicule traditionnel. Il est très pensable également d’ajouter 15% à 20% d’énergie éolienne d’ici 20 ans. De plus, avec les nouvelles technologies de stockage de la chaleur dans du sel fondu, on peut désormais construire des centrales solaires thermiques qui fonctionnent 24 heures par jour, et ce ne sont pas les zones arides ensoleillées qui manquent aux Etats-Unis. Les ingénieurs de la compagnie Ausra ont calculé qu’il suffirait de couvrir un carré de 150 km de côté dans le désert pour fournir toute l'électricité consommée aux Etats-Unis. Enfin, la compagnie Raser vient d’ouvrir une centrale géothermique d’un nouveau genre, fonctionnant 24 heures par jour, et utilisant de l’eau à plus basse température que les centrales géothermiques traditionnelles. Ils estiment que plus de 10% de l’électricité des Étatsuniens pourrait être générée par la géothermie. Ajoutons à cela l’efficacité énergétique pour les bâtiments, des véhicules plus petits, et plus de transport en commun, et on réalise que le seul problème est la volonté politique, pas le supplément d’électricité requis. Heureusement, avec le président Obama cette situation semble être une chose du passé.

En terminant, il ne faudrait pas oublier que les pays qui vont implanter des énergies renouvelables pour augmenter la capacité de leur réseau vont stimuler leur économie locale. Car, ils vont financer ces travaux à même l’argent économisé suite à leur importation réduite de pétrole, leur sauvant ainsi des dizaines de milliards de dollars annuellement.

4 fois moins de carburant sans utiliser l’électricité du réseau


Illustration – Graphique montrant les diminutions de consommation de carburant d’une voiture hybride avancée, par rapport à une voiture traditionnelle d’aujourd’hui consommant 100 unités de carburant.

Pour ceux qui ont lu mes billets précédents, vous savez que la voiture de demain (d’ici 2030) est une hybride électrique branchable. Dans les lignes qui suivent, vous verrez que lorsque cette voiture va fonctionner en mode carburant, après avoir épuisé l’électricité du réseau stockée dans sa batterie, cette voiture hybride branchable de demain va consommer 4 fois moins de carburant, en moyenne, que les voitures traditionnelles d’aujourd’hui. Pour la suite, référez-vous au graphique plus haut.

Tout d’abord, les experts s’entendent pour dire qu’une hybridation performante robuste avec un moteur électrique central peut diminuer la consommation de carburant du tiers. Pour ce faire, il faut employer des batteries Li-ion dont l’efficacité atteint aujourd’hui plus de 98%, et des moteurs électriques à haute efficacité également (certains atteignent 96% aujourd’hui). Pour comparaison, les batteries Ni-MH, comme celles de la Prius, sont efficaces à environ 75%.

Dans un deuxième temps, on peut diminuer encore du tiers la consommation en carburant de la voiture hybride, en améliorant son moteur thermique à l’aide de différentes technologies. Le tableau ci-dessous en énumère plusieurs. Les trois premières (en orangé) sont assez indépendantes l’une de l’autre et peuvent donner ensemble une diminution de consommation s’approchant de 25%. Les autres technologies énumérées contribuent toutes à une meilleure combustion et ne peuvent simplement être additionnées, car elles sont en compétition l’une avec l’autre. Je reviendrai ultérieurement sur certaines de ces technologies, mais pour les impatients vous pouvez toujours consulter mon livre Rouler sans pétrole, où vous trouverez les détails et les références. Par ailleurs, n’oublions pas que le seul fait de passer d’un moteur à essence à un moteur diesel diminue la consommation de l’ordre de 20%.



En plus des multiples perfectionnements qu’on peut apporter aux moteurs thermiques à pistons, la voiture hybride branchable de demain constitue une opportunité extraordinaire pour essayer de nouveaux types de moteurs thermiques rotatifs plus économes, comme potentiellement la Quasiturbine de Gilles Saint-Hilaire, ou le moteur Radmax de Reg/Regi Technologies. L’idée est que ces moteurs vont être utilisés tout au plus 75 000 km sur la durée de vie de la voiture, puisque la majorité des kilomètres seront parcourus à l’électricité. La contrainte de durabilité est donc beaucoup moins sévère. De plus, ces moteurs rotatifs sont environ 4 fois plus légers et plus compacts que des moteurs à piston, tout en ayant beaucoup moins de pièces mobiles. Ils devraient donc être moins chers. De tels moteurs n’auraient qu’à actionner un générateur pour recharger la batterie, sans être connectés mécaniquement aux roues.


Illustration – Représentation 3D des différents composants d’une Quasiturbine à chariot, inventée par le physicien québécois Gilles Saint-Hilaire.

Maintenant, dans la poursuite de la réduction de consommation de carburant, si on se réfère encore au graphique du début, on voit qu’on peut la réduire de 25% de plus en jouant sur le poids de la voiture, l’aérodynamique et les pneus. Une réduction réaliste de 30% du poids s’accompagne d’une diminution de consommation d’environ 18%. Or, 30% est un chiffre réaliste, car la compagnie Fisher Coachworks vient d’annoncer la mise en marché prochaine d’un autobus hybride branchable, le GTB-40, 40% plus léger que les autobus traditionnels. Pour atteindre le 25% de réduction de consommation de notre voiture, on peut également utiliser des pneus à faible résistance au roulement pouvant diminuer la consommation de 2% à 5%. Le reste du 25% est obtenu en prenant soin du profil aérodynamique de la voiture.

Arrivé là, nous avons une voiture hybride branchable avancée, à moteur électrique central, qui consomme 3 fois moins de carburant qu’une voiture traditionnelle d’aujourd’hui, lorsqu’elle fonctionne en mode carburant.

La dernière étape dans notre scénario de réduction de consommation est d’équiper notre voiture hybride branchable de 4 moteurs-roues. Ces derniers lui conféreront une réduction additionnelle de 25% de la consommation de carburant, en conduite mixte, comme nous l’avons vu dans le billet précédent. On obtient alors, en bout de ligne, la réduction d’un facteur 4 mentionnée dans le titre de ce billet. La consommation d'une voiture intermédiaire hybride avancée serait donc de 2 à 2,5 litres/100 km.

Par ailleurs, si les voitures hybrides branchables avancées font 80% de leur kilométrage à l’électricité, ces voitures vont consommer 20%÷4 = 5% du carburant des voitures d’aujourd’hui, soit 20 fois moins dans une année! Avec des petites quantités comme celles-là on peut envisager sans problèmes un développement durables des biocarburants de deuxième génération, fait à partir de déchets, résidus et plantes NON alimentaires. Nous en reparlerons.

La grande importance des moteurs-roues


Illustration - Représentation d'un moteur-roue semblable à ceux développés par l'équipe de Pierre Couture à Hydro-Québec et présenté au public en 1994. L'auteur de ce blog l'a dessiné à partir d'information publique contenue dans les documents publicitaires et les brevets.

Les Québécois de plus de 30 ans se souviennent avoir vu à la télévision, en 1994 et 1995, une voiture expérimentale révolutionnaire équipée de moteurs-roues électriques très performants. Il s’agissait d’une Chrysler Intrepid modifiée par les chercheurs d’Hydro-Québec, sous la direction du docteur Pierre Couture, un physicien génial, en avance sur son temps, l’inventeur principal de ce groupe de traction inégalé à ce jour. La conférence de presse pour annoncer cette technologie révolutionnaire s'est tenue le premier décembre 1994. Pour voir le matériel promotionnel distribué ce jour-là cliquez ICI, et pour lire la transcription de l'allocution de Pierre Couture expliquant la technologie cliquez ICI et téléchargez l'épisode 2-29 du volume 2 de mon ouvrage Sur la route de l'électricité.

L’idée de base était de faire de l’Intrepid une voiture hybride branchable. En rechargeant la batterie le soir chez soi, le propriétaire de la voiture aurait pu parcourir 65 km en mode électrique à chaque jour, sans consommer de carburant. Pour les trajets plus longs que 65 km, un petit moteur-générateur thermique aurait rechargé la batterie en cours de route, conférant à la voiture une autonomie similaire à celle d’une voiture traditionnelle. C’est ce qu’on appelle aujourd’hui une voiture hybride série, dont le moteur à carburant n’est pas connecté mécaniquement aux roues. Par ailleurs, comme 80% des gens font moins de 65 km par jour avec leur voiture, en moyenne, la grande majorité de leur kilométrage se serait fait à l’électricité. C’est ce concept que GM a repris dans sa Chevy Volt, qui devrait être commercialisée en 2011. Toutefois, la Chevy Volt n’est pas équipée de moteurs-roues, mais d’un moteur électrique central, sous le capot, ce qui rend la voiture plus lourde, plus chère et laisse moins d’espace disponible.

Malheureusement, en 1995 Hydro-Québec a pris une décision totalement incompréhensible de réduire de façon importante son projet de développement du groupe de traction Couture, ce qui a conduit à la démission de son inventeur en 1995. Pierre Couture n’a plus jamais travaillé sur ce projet depuis. La compagnie TM4, une filiale d’Hydro-Québec qui devait commercialiser le groupe de traction à 4 moteurs-roues, d’où son nom d’ailleurs, a arrêté, à toute fin pratique, le développement du moteur-roue, pour faire des moteurs électriques centraux, comme tout le monde. Les lecteurs désireux d’en connaître davantage sur cette saga désolante du moteur-roue d’Hydro-Québec sont invités à consulter mon dernier livre Rouler sans pétrole.

L’auteur de ce blog est absolument convaincu que le groupe de traction Couture à 4 moteurs-roues est toujours le meilleur et que c’est le groupe de traction de l’avenir. Voici pourquoi.

Tout d’abord, en regardant l’illustration plus haut, on constate que les aimants permanents (en vert et orangé) sont collés très près de la jante de la roue, ce qui confère au moteur un grand diamètre (38 cm environ) et augmente la force de même que la puissance des moteurs. Il y a bien sûr d’autres innovations imaginées par Pierre Couture qui contribuent à donner à ses moteurs-roues une efficacité supérieure à 96%, tout en ayant une puissance de plus de 100 kW par moteur et un couple («force») de 1200 N.m pour chaque moteur, ce qui était 2,5 fois plus qu’un moteur de Corvette de l’époque! La puissance totale avec 4 moteurs-roues aurait dépassé 400 kW et le couple total 4800 N.m, de quoi propulser la Chrysler Intrepid de 0 à 100 km/h en 3 secondes, selon les calculs de Pierre Couture !!

Les performances de ces moteurs-roues ont été validées en laboratoire, mais au moment de la démission du docteur Couture, seulement 2 moteurs-roues étaient installés sur l’Intrepid et l’électronique de puissance n’était pas encore terminée, d’où l’incapacité de faire les tests complets sur route. Toutefois, l’illustration ci-dessous nous montre un des tests extérieurs où les roues motorisées tournent sur place en brûlant le caoutchouc des pneus. Une telle performance n’était pas possible avec le gros moteur V8 original de la Chrysler Intrepid.



Illustration - Images tirées de l'émission Découverte de Radio-Canada, présentant un reportage sur le moteur-roue réalisé en 1997. (photos: Archives de Radio-Canada)

Maintenant, le but d’avoir des performances aussi stupéfiantes n’était pas d’épater la galerie mais de récupérer le plus d’énergie au freinage, même en freinant brusquement. Avec quatre bons moteurs-roues et de bonnes batteries on peut récupérer près de 90% de l’énergie cinétique de la voiture lorsqu’on freine. Les moteurs agissent alors comme des freins électromagnétiques qui produisent du courant et rechargent la batterie. C’est ce qu’on appelle le freinage regénératif. Dans une voiture traditionnelle, l’énergie cinétique est perdue en chaleur dans les freins mécaniques. Dans une voiture électrique à moteur central on récupère de l’ordre de 20 à 25% maximum de l’énergie cinétique, car le moteur électrique n’est connecté qu’à deux roues, et derrière un différentiel de surcroît. Or une voiture doit freiner aux quatre roues, et dans une voiture électrique à moteur central on doit ajouter des freins mécaniques aux deux roues motorisées, car on ne peut freiner derrière un différentiel uniquement. En effet, si une des deux roues est sur la glace, l’autre se mettrait à tourner rapidement et le conducteur risquerait de perdre le contrôle de la voiture.

De plus, avec quatre moteurs-roues, il n’y a pas de différentiel ni de transmission d’ailleurs. C’est un entraînement direct, et il n’y a aucune perte d’énergie entre le moteur et les roues, comme c’est le cas dans une voiture à moteur central. Voilà une deuxième raison pour laquelle les moteurs-roues consomment moins d’énergie.

Par ailleurs, puisque la consommation d’énergie est plus faible, on peut réduire la grosseur de la batterie, du moteur-générateur et du réservoir de carburant. Sans compter que les moteurs-roues eux-mêmes sont plus légers qu’un moteur central de puissance équivalente, puisque leurs structures extérieures remplissent une double fonction, en servant également de structure de soutien aux roues. L’allègement de la voiture constitue donc une troisième cause de réduction pour la consommation d’énergie.

Maintenant, le fait qu’avec des moteurs-roues il n’y ait pas de moteur sous le capot permet d’effiler ce dernier et de fermer le dessous de la voiture en avant. Ces modifications à la carrosserie de la voiture améliorent l’aérodynamique et apportent une quatrième contribution à la réduction de consommation d’énergie.

Ces quatre facteurs combinés donnent une consommation d’énergie des voitures à moteurs-roues environ 35% inférieure à celle d’une voiture électrique à moteur central pour une conduite urbaine, et de l’ordre de 15% inférieure pour une conduite sur l’autoroute. En conduite mixte, on obtient donc une réduction de consommation de l'ordre de 25 % attribuable aux moteurs-roues. C'est une grosse différence, particulièrement pour les voitures urbaines, les camions de livraison et les autobus! Cette réduction de la consommation fait baisser non seulement les coûts d'opération mais également le coût d'achat des véhicules, puisque la batterie (très coûteuse) et le moteur thermique (pour les véhicules hybrides branchables) peuvent être réduits de taille considérablement. De plus, les véhicules à moteurs-roues ont plusieurs composantes en moins (pas de différentiel, pas de transmission, pas de cardans, pas de sytème mécanique de freinage ABS).

Par ailleurs, non seulement les voitures à moteurs-roues sont les plus économes en énergie mais elles sont en même temps les plus puissantes, ce qui, en soi, représente un changement important de paradigme. James Bond et Al Gore pourraient faire du covoiturage ensemble dans une voiture à moteurs-roues et les deux seraient très heureux!

En terminant, il serait bon de mentionner quatre autres avantages des moteurs-roues qui ne sont pas liés à la consommation d’énergie. Le fait qu’il n’y ait pas de moteur sous le capot augmente la zone d’écrasement (crunching zone) du métal lors d’un impact frontal, ce qui améliore la sécurité des passager en diminuant la brutalité du choc. Par ailleurs, l’absence de moteur sous le capot donne beaucoup plus de flexibilité au designer pour aménager les espaces. De plus, avec quatre moteurs-roues, on peut intégrer un système antirérapage par logiciel, de même qu'un système de freinage anti-bloquage ABS par logiciel également. Enfin, le conducteur dispose de quatre roues motrices, ce qui est très apprécié l'hiver dans les pays nordiques, de même que par ceux qui ont à circuler sur des routes de terre.

Dans un futur billet je parlerai des divers véhicules à moteurs-roues qui ont été présentés par divers fabricants.

mardi 10 février 2009

Les autobus électriques biberonnés


ILLUSTRATION - L'ancêtre des autobus biberonnés, le Gyrobus de la compagnie Oerlikon, utilisé en Suisse au début des années 1950. L'énergie électrique acquise pendant les 70 secondes de recharge à tous les 2 km s'accumulait dans un volant d'inertie. L'illustration est celle de la page couverture le l'ancienne revue Science and Mechanics du mois d'avril 1954.

Comme nous l’avons vu dans mon billet du 8 février 2009 sur l’épuisement des ressources planétaires, le développement durable du transport des personnes passe par des transports en commun beaucoup plus développés qu’aujourd’hui.

Les véhicules tout électrique sont idéaux pour la qualité de vie (pas de pollution et peu de bruit). Déjà les métros, les tramways et les trolleybus sont en fonction dans plusieurs villes. Mais les autobus demeurent une composante très importante des transports en commun urbains. On voit de plus en plus d’autobus électriques à batterie faire leur apparition, comme la petite flotte de minibus électriques mis en place dans le vieux Québec en 2008, mais leur autonomie est limitée à environ 100 km en raison du coût et du poids des batteries.

Avec l’avènement des batteries à recharge très rapide au titanate de lithium, depuis 2007, il est désormais possible d’avoir des autobus électriques biberonnés. Ces autobus vont faire le plein d’électricité à intervalles réguliers, le long de leur trajet, en se connectant à des postes de recharge rapide pendant moins d’une minute à tous les 5 km.

L’avantage du biberonnage est qu’on n’a pas besoin de fils aériens au-dessus des rues, comme pour les trolleybus, ni de rails comme pour les tramways. Le coût des infrastructures s’en trouve réduit d’autant, ainsi que le coût des batteries puisqu’une autonomie d’environ 20 km est suffisante. Un système d’autobus électriques biberonnés offre également plus de flexibilité, car on peut changer de parcours facilement, ce qui n’est pas le cas des tramways ou des trolleybus, qui doivent suivre leurs tracés pour être alimentés en électricité.

Si on veut augmenter la capacité de transit d’un système d’autobus et s’approcher du tramway, il suffit de faire circuler les autobus dans des voies dédiées où n’ont pas accès les autres véhicules. C’est le concept du busway, de plus en plus populaire car moins cher que le tramway. La ville de Nantes en France, entre autres, vient d’en installer une ligne très populaire en novembre 2006. Les busways actuels utilisent des autobus traditionnels articulés (120 passagers par rame) roulant au diesel ou au gax naturel. La prochaine étape logique serait des busways électriques biberonnés.

Le principe du biberonnage n’est pas nouveau. On l’a essayé en Suisse au début des années 1950 avec le Gyrobus, construit par la société Oerlikon (illustration au début de ce billet). À cette époque, il n’y avait évidemment pas de batteries à recharge rapide de longue durée comme aujourd’hui. Le système de stockage d’énergie utilisé était un volant d’inertie mis en rotation rapide (3 000 tours/min.).

Par ailleurs, la compagnie Suisse Numexia developpe présentement des petits véhicules électriques autonomes biberonnés (recharge en 5 secondes à des postes régulièrement espacés) pour le transport en commun des passagers, sans conducteurs (illustration ci-dessous). Le système sera installé en Suisse, sur le site de l’École polytechnique fédérale de Lausanne en 2010, et desservira un parcours de 4,6 km. Il utilisera 30 petits véhicules et 15 stations de recharge rapide sans contact. Ce système de transport innovant a été présenté à l'émission de télévision Nouvo sur la chaîne TSR en Suisse.



En Californie, la compagnie Proterra vient de présenter en février 2009 son autobus EcoRide BE35 tout électrique (illustration ci-dessous) capable de parcourir 50 km à 60 km sur une recharge de sa batterie au titanate de lithium de Altairnano. La batterie peut être rechargée en moins de 10 minutes grâce à un chargeur à haute puissance également vendu par Proterra. L’autobus est également disponible en version hybride branchable, lui donnant alors la même autonomie qu’un autobus traditionnel. C’est une étape intermédiaire très intéressante avant les véritables autobus électriques biberonnés.