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.