Dans le cadre de la soi-disant « transition verte » , la voiture électrique est celle qui, selon les « experts », garantit les rendements énergétiques les plus élevés de toute la catégorie : ces 90 % vantés par les fans de BEV ( Battery Electric Vehicles ). . défaites sans possibilité de reproduire la misérable efficacité thermodynamique des voitures équipées de moteurs à combustion interne ou ICE ( Internal Combustion Engine ), GPL, essence et turbodiesel.
Oh oui, parce que le premier et le deuxième, c'est-à-dire ceux qui suivent le cycle d'Otto tant décrié, parviennent à peine à atteindre 25 à 30 pour cent d'efficacité thermodynamique et les seconds ont du mal à ne pas dépasser 30 à 35 pour cent, atteignant 40 pour cent. dans des conditions vraiment optimales. Dit ainsi, il semblerait qu'il n'y ait pas d'histoire : face à ces chiffres, quel fou pourrait s'entêter à préférer les voitures ICE aux BEV ? Jeu, set et match , pourrait-on dire !
Mais peut-être que les choses ne sont pas exactement comme ça, alors armons-nous de notre patience habituelle et faisons appel au proverbial serviteur pour nous aider à faire le calcul de la réalité des choses . Suivez-moi dans cet excursion, vous verrez de belles choses !
La production d'électricité
Pour calculer les rendements réels d'une voiture BEV, nous partons des origines, c'est-à-dire de la production de leur « carburant » : l'électricité. En Italie, la production d'électricité est confiée à un mix de différents types de technologies dont les principales sont :
• Centrales thermoélectriques au charbon
• Centrales thermoélectriques au gaz
• Centrales thermoélectriques au fioul et ses dérivés
• Centrales thermoélectriques à biomasse
• Centrales hydroélectriques
• Parcs éoliens
• Parcs photovoltaïques
Les trois premiers sont non renouvelables , c'est-à-dire qu'ils brûlent des combustibles d'origine fossile – respectivement le charbon, le gaz naturel et le fioul et ses dérivés – convertissant une fraction de l'énergie thermique développée en énergie électrique selon leur propre cycle thermodynamique et l'efficacité associée ; les quatre suivants sont renouvelables, c'est-à-dire qu'ils utilisent des sources qui, directement ou indirectement, proviennent du rayonnement solaire qui atteint la Terre.
A ces sept principaux types de production s'ajoutent d'autres très petites contributions de systèmes, pour la plupart expérimentaux, parmi lesquels on cite, par exemple, les turbines sous-marines qui exploitent les courants du détroit de Messine et les évents boracifères de Larderello, dont les valeurs d'énergie par rapport aux besoins nationaux totaux sont cependant totalement négligeables . Enfin, ce besoin est complété par une certaine quantité d'électricité achetée à l'étranger – principalement en France et en Suisse – provenant majoritairement de centrales nucléaires.
L’efficacité de la production d’énergie
Une fois répertoriées les technologies de production d’électricité, il faut maintenant calculer les rendements associés à chacune d’entre elles. Cependant, si pour les technologies renouvelables on se limitait à calculer le rendement brut comme une simple fraction de l’énergie captée de la source primaire et transformée en électricité, cette approche serait trop pénalisante pour elles. En fait, en prenant comme exemple un système photovoltaïque, nous savons qu’il parvient à peine à capter 20 pour cent du rayonnement solaire incident. Même chose pour l’énergie éolienne qui, dans des conditions optimales, n’est capable de capter que 40 à 42 % de l’énergie associée au courant d’air qui frappe le rotor de la turbine.
Il suffit de changer complètement de perspective : suivez-moi dans mon raisonnement.
Centrales d'énergie renouvelable – Pour estimer les rendements des différents systèmes de production de sources renouvelables, nous partons de l'hypothèse que ce qui est produit par ces systèmes est uniquement de la « graisse courante », quelle que soit l'efficacité de transformation de l'usine particulière par rapport à sa source renouvelable spécifique. Dans la question. Autrement dit, nous considérons le rendement des sources renouvelables comme conventionnellement égal à 100 pour cent, ce qui équivaut à dire que tout ce que nous parvenons à avoir est entièrement gagné ou, comme nous l'entendons souvent, "l'eau, le soleil et le vent sont gratuits" .
La seule chose à laquelle, dans la perspective générale de la soi-disant « transition verte » – qui est aussi la seule raison « éthique » pour laquelle il serait nécessaire d'utiliser des voitures BEV au lieu des ICE – nous devrons faire attention ce qu'il faudrait faire serait idéalement de réduire, de l'énergie totale que la centrale produira tout au long de sa vie, la partie qui a été dépensée pour construire la centrale elle-même et qui, évidemment, servira à "rembourser" cette énergie.
En substance, nous nous apprêtons à définir la « performance » d'un système d'énergie renouvelable non pas comme celle liée aux méthodes particulières de captage de l'énergie de sa source mais plutôt comme la quantité d'énergie que le système sera capable de « nous donner » en plus de ce qu'il faut pour le construire .
Pour faire ce calcul, le concept d'EROEI ( Energy Return On Energy Invested ) nous aide. Ce nombre exprime en fait le rapport entre l'énergie totale qui sera produite par cette centrale tout au long de sa vie et celle qu'il a fallu dépenser au temps "0" pour construire cette centrale. Il s'agit donc d'un nombre supérieur à 1 dont l'inverse – inférieur à 1 – nous donne la mesure de la part de l'énergie qui sera produite qui devra idéalement être « mise de côté » pour rembourser l'énergie nécessaire à sa construction. Autrement dit, le facteur :
ⴄéq = 1 – EROEI-1
cela nous donnera le rendement équivalent de cette source renouvelable au sens que nous venons de définir. Les différentes valeurs EROEI pour chaque source renouvelable sont répertoriées dans la littérature.
Systèmes énergétiques non renouvelables – L’approche définie pour les technologies renouvelables peut en théorie également s’étendre aux technologies non renouvelables. Cependant, celles-ci fonctionnent tout au long de leur longue vie grâce à l'utilisation (combustion) de flux presque incalculables de combustibles fossiles – la durée de vie d'une centrale thermoélectrique peut en effet atteindre jusqu'à 100 ans (voir à ce propos la glorieuse centrale de Porto Marghera) – de sorte que l’énergie qui a été utilisée au temps « 0 » pour construire la centrale électrique finit par ne représenter qu’une fraction infinitésimale de toute l’énergie brûlée au cours de la durée de vie de la centrale elle-même. Par conséquent, pour les installations qui utilisent de l'énergie non renouvelable, le rendement de conversion tel que nous l'avons défini dans le sens précédent finit par coïncider sensiblement avec celui thermodynamique typique de chaque type de centrale thermoélectrique.
Une fois que nous avons clarifié l'approche de base, examinons maintenant les retours des sources individuelles répertoriées dans le paragraphe précédent.
- Centrales thermoélectriques au charbon – L’efficacité thermodynamique d’une centrale thermoélectrique au charbon est d’environ 45 pour cent. En d’autres termes, 45 pour cent de l’énergie thermique générée par la combustion du charbon dans la chaudière est convertie en électricité.
- Centrales thermoélectriques au gaz – Le rendement thermodynamique d’une centrale thermoélectrique à turbine à gaz est d’environ 65 pour cent. En d’autres termes, 65 pour cent de l’énergie thermique développée par la combustion du gaz dans la chaudière est convertie en électricité.
- Centrales thermoélectriques au fioul et ses dérivés – Le rendement thermodynamique d'une centrale thermoélectrique au fioul est d'environ 40 %, soit un peu inférieur à celui des centrales au charbon.
- Centrales thermoélectriques à biomasse – La biomasse étant une source renouvelable, conformément à ce qui a été indiqué précédemment, nous utilisons pour cela le concept d'EROEI. Une centrale électrique à biomasse a un EROEI d’environ 3 à 5. En nous plaçant au milieu de 4, nous aurons un rendement équivalent de 75 pour cent (1 – 1/4 = 0,75 = 75 pour cent).
- Centrales hydroélectriques – Une centrale hydroélectrique a un EROEI nettement meilleur qu'une centrale à biomasse et vaut environ 50. L'efficacité équivalente sera donc de 98 pour cent (1 – 1/50 = 0,98 = 98 pour cent).
- Parcs éoliens – Une seule éolienne a, dans des conditions optimales, un EROEI = 20, ce qui conduit à une efficacité équivalente de 95 pour cent (1 – 1/20 = 0,95 = 95 pour cent). Cependant, dans un parc éolien, il y a toujours des interférences mutuelles entre les différentes turbines en raison de ce que l'on appelle « l'effet de sillage », qui entraîne la perte d'une certaine quantité d'énergie productible. Ce phénomène est quasiment inévitable, notamment dans les parcs éoliens où les éoliennes sont espacées de moins de 5 diamètres de rotor, et vaut en moyenne environ 5 pour cent de la somme des énergies théoriquement productibles par les turbines individuelles (rendement donc égal à 95 pour cent). . En outre, un autre facteur important est le facteur de disponibilité des turbines qui, dans des conditions de maintenance optimales, s'élève à environ 96 pour cent. Le rendement global d'un parc éolien sera donc le produit de ces trois rendements, soit 87 pour cent (0,95 ∙ 0,95 ∙ 0,96 = 0,87 = 87 pour cent).
- Parcs photovoltaïques – Nous avons vu il y a quelque temps qu'un seul panneau photovoltaïque en silicium monocristallin avait un EROEI = 1,95, ce qui conduit à un rendement équivalent de 49 pour cent (1 – 1/1,95 = 0,49 = 49 pour cent). Cependant, un parc photovoltaïque est soumis à quatre facteurs de déperdition d’énergie supplémentaires :
• Pertes dues à l'effet « d'ombre » , c'est-à-dire lorsqu'un ou plusieurs panneaux et/ou objets externes projettent une ombre sur les autres panneaux (environ 2 à 5 pour cent) ;
• Pertes de couplage entre les différentes chaînes de panneaux (environ 3 à 4 pour cent) ;
• Pertes dans les circuits à courant continu (1 à 2 %) ;
• Pertes dans les onduleurs DC/AC (4 à 6 pour cent).
Le rendement global d’un parc photovoltaïque sera donc le produit de ces cinq rendements. En nous plaçant au milieu de chaque intervalle, nous aurons donc un rendement global de 43 pour cent (0,49 ∙ 0,965 ∙ 0,965 ∙ 0,985 ∙ 0,95 = 0,43 = 43 pour cent).
Le mix énergétique national
Après avoir analysé les rendements des différentes sources de production d'électricité, voyons maintenant comment ils se composent dans le mix énergétique national. Les données du GSE à ce sujet nous indiquent que notre « mix énergétique » en 2022 était :
• Charbon : 9,43 pour cent
• Gaz : 46,92 pour cent
• Fioul et dérivés : 6,81 pour cent
• Énergies renouvelables : 36,84 pour cent, dont :
o Biomasse : 8,31 pour cent
o Hydroélectrique : 13,57 pour cent
o Vent : 10,13 pour cent
o Photovoltaïque : 4,83 pour cent
A partir des données précédentes, nous pouvons donc calculer la moyenne pondérée du mix énergétique , obtenant ainsi l' efficacité équivalente de la production électrique en Italie :
ⴄprod = 0,45∙0,0943+0,65∙0,4692+0,40∙0,0681+0,75∙0,0831+0,98∙0,1357+0,87∙0,1013+ 0,43∙0,0483
C'est-à-dire:
ⴄproduction = 67,9%
Cette valeur nous indique que l'efficacité moyenne de la production d'électricité aux différents points de production est de 67,9 pour cent de l'énergie provenant de sources primaires.
De la production aux colonnes
Une fois produite, l'électricité transite par les « lignes électriques » dites à haute tension (150-220 kV) qui la transportent le long des principales lignes principales qui traversent la péninsule de long en large. À leurs côtés se trouvent les câbles sous-marins qui relient les îles – Sicile et Sardaigne – au continent. Tout cela forme un réseau de distribution haute tension d'où partent une myriade de stations de transformation HT/MT (150-220 kV / 15 – 20 kV), dans lesquelles la valeur de tension est réduite à 15 – 20 kV, à partir de chacune desquelles le les câbles moyenne tension qui distribuent l'électricité au niveau territorial se divisent à leur tour. Le système de distribution est enfin complété par les cabines de transformation MT/BT (15-20 kV / 380 – 220 V) dans lesquelles la tension est enfin réduite à la valeur adoptée par tous les utilisateurs finaux qui nous sont familiers.
L’électricité fait donc un long voyage avant de nous parvenir, un voyage qui peut même durer des centaines de kilomètres. Le prix à payer pour cette merveilleuse distribution capillaire – très similaire au système d'artères, de veines et de capillaires qui distribuent le sang dans notre organisme – est malheureusement la perte d'énergie électrique sous forme de chaleur (ce que l'on appelle "l'effet Joule". " ) le long des câbles de distribution (ces mêmes pertes que nous payons dans la facture sous la rubrique "pertes du réseau"), ainsi que les pertes sous forme de chaleur dans les transformateurs HT/MT et MT/BT.
En moyenne, les pertes globales d’électricité dans le système de distribution sont d’environ 2 pour cent le long de la section haute tension, 4 pour cent le long de la section moyenne tension et 10 pour cent le long de la section basse tension. Au total, les pertes du réseau représentent donc environ 16 pour cent de l’énergie transportée. En d’autres termes, l’efficacité du transport d’électricité est :
ⴄtr = 1 – 0,16 = 0,84 = 84 pour cent
Cela s’applique évidemment à toutes les utilisations possibles de l’électricité, y compris la recharge de la batterie d’une voiture électrique.
Pour tout ce qui a été vu jusqu’à présent, l’ efficacité de la borne de recharge sera donc égale à l’efficacité de production multipliée par l’efficacité de transport calculée précédemment :
ⴄcol = ⴄprod ∙ ⴄtr = 0,679 ∙ 0,84 = 0,57 = 57 pour cent
Mais le bilan des pertes d’une voiture électrique ne s’arrête pas là. En fait, quatre facteurs doivent encore être pris en compte :
• Pertes d'énergie dans le cycle de charge/décharge de la batterie embarquée ;
• Énergie requise pour construire la batterie, en partie compensée par la dépense énergétique inférieure pour construire une voiture BEV par rapport à une ICE similaire (30 pour cent de composants en moins) ;
• Efficacité du moteur électrique + groupe motopropulseur ;
• Plus grandes pertes d'énergie mécanique dues au frottement de roulement d'une voiture BEV par rapport à une voiture ICE similaire en raison du poids plus important de la voiture causé par le poids de la batterie.
Pertes dans le cycle de charge/décharge de la batterie
Dans une batterie lithium-ion, l'efficacité d'un cycle de charge/décharge, c'est-à-dire le rapport entre l'énergie extraite de la batterie chargée et l'énergie administrée pour la charger , est d'environ 90 % , y compris l'efficacité de l'électronique de charge et de décharge.
Le nombre maximum de cycles de charge/décharge d'une batterie lithium-ion, c'est-à-dire le nombre de cycles qui, avec leur inévitable dégradation électrochimique, provoquent la réduction progressive de la capacité de la batterie jusqu'à 80 pour cent de sa valeur seuil initiale (seuil inférieur qui dans le l'industrie automobile est considérée comme la durée de vie des batteries) est d'environ 2 000, valeur déclarée pour les batteries de dernière génération.
Énergie nécessaire pour construire la batterie
Nous avons vu il y a quelque temps que la construction d'une batterie lithium-ion, élément fondamental des BEV qui est aussi l'élément qui différencie substantiellement une voiture BEV d'une ICE, nécessite une grande quantité d'énergie , à raison d'environ 1 300 kWh pour chaque kWh de batterie. capacité.
La dépense énergétique inférieure pour la construction d'une voiture BEV en raison de la diminution des composants embarqués vaut au contraire environ 15 MWh pour une voiture du segment "C". En imaginant répartir cette économie d'énergie sur la batterie (en supposant qu'elle ait une capacité de 50 kWh), on obtient une économie de 15 000 / 50 = 300 kWh pour chaque kWh de capacité de la batterie. Le bilan conduit donc à une charge finale d'environ 1 000 kWh pour chaque kWh de capacité de batterie.
En adoptant la même approche déjà utilisée pour évaluer les performances des technologies renouvelables, pour « rembourser » cette énergie il faudra imaginer l'étaler sur le nombre de cycles de vie de la batterie. On aura donc une énergie « mise de côté », et donc une perte équivalente, de 1 000 / 2 000 = 0,50 kWh pour chaque kWh chargé. Autrement dit, pour la voiture électrique il faudra considérer une perte équivalente de 50 pour cent d’énergie , soit un rendement équivalent de 50 pour cent.
Rendement du groupe moteur + variateur
L'élément fort de la traction électrique est sans aucun doute représenté par le rendement de l'unité moteur + entraînement qui, dans les conditions optimales de couple et de puissance délivrée, peut atteindre jusqu'à 96 pour cent.
Pertes dues à une friction mécanique accrue
Étant donné qu'une voiture BEV est plus lourde que sa voiture équivalente ICE , elle sera soumise à des pertes d'énergie plus importantes dues au frottement de roulement. En effet, alors que la composante de l'énergie mécanique résistante liée à la viscosité de l'air est invariante par rapport au type de moteur, dépendant uniquement de la forme et du coefficient aérodynamique (Cx) de la voiture (ainsi que de la vitesse au cube et temps de trajet), celui lié au frottement de roulement augmente avec le poids de la voiture.
Pour faire ce calcul, référons-nous à une voiture qui dispose d'une batterie embarquée qui pèse 300 kg : c'est le cas par exemple de nombreuses voitures du segment « C ». En supposant que la version similaire ICE dispose d'un réservoir de 50 litres, la différence de poids entre les deux voitures variera entre 250 et 300 kg, respectivement avec un réservoir plein et vide de la voiture ICE. En se référant à la situation d'un réservoir à moitié plein, on peut donc supposer que la différence de poids moyenne est égale à 275 kg . Ainsi, si la voiture ICE pèse en moyenne 1 600 kg, la voiture BEV pèsera en moyenne 1 875 kg.
La composante de friction de roulement est directement proportionnelle au poids de la voiture et au coefficient de friction de roulement. Par conséquent, la composante énergétique mécanique résistante dépendra du produit de ces deux facteurs pour la vitesse de la voiture et le temps de trajet :
Eres = μv ∙ m ∙ g ∙ v ∙ T
Où:
Eres : énergie mécanique résistante due au frottement de roulement ;
µv : frottement de roulement, typiquement égal à 0,015 ;
m : masse de la voiture, 1 600 et 1 875 kg, respectivement pour la voiture à moteur à combustion interne et le BEV.
g : accélération gravitationnelle (9,81 m/s2)
v : vitesse de la voiture (en m/s)
T : temps de trajet (en secondes).
Les deux énergies mécaniques résistantes liées au seul frottement de roulement seront :
EICEres = μv ∙ mICE ∙ g ∙ v ∙ T
EBEVres = μv ∙ mBEV ∙ g ∙ v ∙ T
La différence d’énergie mécanique résistante sera donc :
∆Emres = μv ∙ (mBEV – mICE) ∙ g ∙ v ∙ T
Ce qui équivaudra à un pourcentage de perte d’énergie par rapport à la voiture ICE égal à :
∆Emres / EICEres = (mBEV – mICE) / mICE
La perte plus importante due au frottement de roulement de la voiture BEV dépendra donc en pourcentage uniquement de l'augmentation de masse par rapport à celle de la voiture ICE.
Avec les nombres donnés dans l'exemple, nous aurons une perte de :
∆Emres / EICEres = (1 875 – 1 600) / 1 600 = 0,172 = 17,2 pour cent.
Dans une voiture du segment « C » roulant à une vitesse de croisière comprise entre 60 et 120 km/h, les pertes d'énergie dues au frottement de roulement représentent respectivement 67 et 34 pour cent des pertes totales.
En nous plaçant, comme toujours, au centre de la fourchette, nous pouvons affirmer qu'en moyenne, les pertes par frottement de roulement représentent, dans presque tous les cas, 50 pour cent des pertes totales.
En d’autres termes, l’inconvénient du poids plus important d’une voiture BEV par rapport à une ICE se traduit par une perte d’énergie plus importante égale à la moitié des 17,2 pour cent calculés ci-dessus, soit 8,6 pour cent, avec un rendement équivalent égal à :
100 – 8,6 = 91,4 pour cent.
Résumons
Compte tenu de toutes les considérations faites jusqu’à présent, les performances globales d’une voiture électrique « de l’usine à la roue » vaudront au final :
ⴄtot = 0,57 ∙ 0,90 ∙ 0,50 ∙ 0,96 ∙ 0,914 = 0,225 = 22,5 pour cent
On découvre ainsi que les performances réelles d'une voiture électrique sont encore inférieures à celles d'une voiture à essence équipée d'un moteur atmosphérique, pour ainsi dire, le fameux cycle Otto.
Étourdi? À la lumière de ce résultat choquant, êtes-vous toujours prêt à ironiser facilement sur les performances des voitures à moteur à combustion interne ? Qui a réellement marqué la balle de match ?
L'article Est-il vraiment vrai que les voitures électriques rapportent plus d'argent que les voitures à essence ? vient de Nicola Porro .
Cet article est une traduction automatique de la langue italienne d’un article publié sur le magazine Atlantico Quotidiano à l’URL https://www.nicolaporro.it/atlanticoquotidiano/quotidiano/aq-economia/e-proprio-vero-che-le-auto-elettriche-rendono-di-piu-di-quelle-a-benzina/ le Tue, 18 Jun 2024 03:57:00 +0000.