Efficacité énergétique dans les transports

Pour être vraiment pertinent, le ratio consommation/distance devrait intégrer l'énergie grise, consommée tout au long du cycle de vie du véhicule, depuis sa fabrication jusqu'à son recyclage, sans oublier les infrastructures de transport, qu'elles soient routières ou ferroviaires. Mais la grande variété des modèles de véhicules et de leurs modes d'utilisation rend rédhibitoire cette exigence théorique. Pourtant, plus que tout autre, le transport (suivi d'assez loin par l'alimentation) est le secteur où la part d'énergie grise est la plus grande, à tel point qu'on y dépense davantage d'énergie grise que d'énergie directe.

L'efficacité énergétique d'un mode de transport peut être améliorée par une amélioration du rendement du véhicule.

La notion de rendement appelle quelques précisions : le véhicule en mouvement doit fournir une portance égale à son poids ; cette portance entraîne une traînée inévitable : résistance au roulement pour les véhicules terrestres, traînée induite (par la portance) pour les avions et les navires à foils, traînée de vague pour les navires. L'installation motrice doit fournir une poussée égale à la traînée totale, somme des traînées liées à la portance et des autres traînées : frottement, pression (liée à la forme), parasites. Dans la traînée totale, la part de traînée affectée à la portance est très faible dans le cas des véhicules terrestres, et notamment des trains. Elle peut être faible aussi dans le cas des navires dont la vitesse rapportée à la longueur (nombre de Froude) est faible (péniches, porte-conteneurs).

Mise à jour 2004 du diagramme de Gabrielli-von Karman.

Le diagramme de Gabrielli – von Kármán (1951), établi à partir des données de puissance motrice maximale, de la masse totale et de la vitesse maximale des véhicules, fournit une vue d'ensemble des divers modes de transport. Les ordonnées de ce diagramme représentent le quotient de la traînée maximale du moyen de transport (ou, en valeur absolue, sa poussée motrice maximale) sur le poids total du véhicule (ce quotient étant, pour un aéronef, l'inverse de la finesse à vitesse maximale). Dans son ouvrage Aerodynamics (1953), Theodore von Kármán indique que les différentes courbes ont été tracées non pas comme une moyenne des différents véhicules dans chaque catégorie, mais plutôt comme la représentation des meilleurs véhicules (énergétiquement parlant) de chaque catégorie[2]. Le diagramme montre que la vitesse a un effet prépondérant sur l'efficacité énergétique maximale d'un véhicule.

Un cycliste à Paris.

Le rendement énergétique global de la contraction musculaire est d'environ 24 %[6].

La bicyclette est le moyen de transport le plus efficace sur un plan énergétique. Elle est jusqu'à cinq fois plus efficace que la marche[7].

La consommation d'énergie d'un marcheur ou d'un cycliste dépend du poids de la personne[8]. Une personne de 68 kg qui roule à vélo à la vitesse de 16 km/h dépense 3,2 kWh/100 km[alpha 1]. La même personne de 68 kg qui marche à la vitesse de 4 km/h dépense 6,1 kWh/100 km.

NB : seule l'énergie musculaire est prise en compte dans ce tableau ; pour le vélo, l'énergie grise (dépensée pour fabriquer, acheminer et vendre le vélo) n'est pas incluse.

La consommation énergétique des voitures dépend de plusieurs facteurs : motorisation, aérodynamique, pneumatiques, etc. La résistance aérodynamique croît avec le carré de la vitesse et les pneus sont à l'origine d'une résistance à l'avancement importante à cause de l'hystérésis de déformation à chaque tour de roue.

Jusqu'à présent, les consommations annoncées par les constructeurs ne reflétaient pas la réalité des consommations dans les conditions réelles d'utilisation. Le groupe PSA, l'association européenne Transport et Environnement, l'association française de protection de l'environnement France Nature Environnement ainsi que le bureau Veritas se sont entendus sur un protocole de mesure beaucoup plus proche de la réalité, car il corrèle avec les résultats fournis par le site allemand Spritmonitor à ±0,2 litre aux cent kilomètres[9].

En Allemagne, le groupement Allianz pro Schiene (all. Alliance pour le rail) annonce, dans le contexte allemand, les chiffres suivants[10] :

Efficacité énergétique des voitures thermiques en ville et sur autoroute[11].

Dans la pratique, le rendement à faible charge est très réduit. Compte tenu des pertes liées à la transmission et du fait que l’on fonctionne souvent à une puissance de l’ordre de 10 à 20 % de la puissance maximale, des périodes d’arrêt, de l’alimentation des accessoires et des périodes de mise en chauffe, le rendement moyen aux roues est compris entre 14 et 26 %[12] (voir schéma ci-contre). Il existe donc une importante marge de progression.

Plusieurs solutions sont possibles pour améliorer le rendement global des véhicules automobiles :

• les véhicules à motorisation hybride du type série, où un groupe électrogène de puissance généralement fixe, donc fonctionnant à son meilleur point de rendement, fournit en électricité une batterie d'accumulateur qui délivre une puissance variable à un moteur électrique[13] ;
• les automobiles à motorisation hybride du type parallèle, où un moteur thermique de puissance modérée entraînant les roues est complété par un moteur/alternateur électrique qui apporte de la puissance quand nécessaire ou au contraire recharge la batterie quand la demande est faible ; le moteur, étant plus proche de sa charge maximale, a alors un meilleur rendement global ;
  • la solution Toyota, de type série-parallèle (HSD), où un train épicycloïdal avec une entrée de puissance pour le moteur thermique à cycle d'Atkinson et deux autres pour des moteurs électriques (un pour la traction, un autre pour la gestion de la transmission et les fonctions annexes ), permet d'utiliser le moteur thermique au plus près de son rendement maximal la plus grande partie de son temps de fonctionnement;
  • la solution PSA, où le moteur/générateur électrique actionne l’essieu arrière, le moteur thermique traditionnel entraînant l'essieu avant.

Le véhicule thermique présente en moyenne un mauvais rendement, expliqué par le graphique ci-contre du département de l'Énergie des États-Unis. Il s'élève à 17 % selon The Shift Project[14].

À ces consommations, il faut ajouter celles de la climatisation, en croissance depuis les années 2000, au point d'éventuellement « compenser l'ensemble des efforts réalisés pour baisser la consommation unitaire des véhicules ». La surconsommation serait ainsi de 0,6 à 1,8 l/100 km selon le type de cycle, pour une motorisation essence, une température de consigne de 20 °C et une température extérieure de 30 °C (0,9 à 2,5 l/100 km pour un Diesel)[15].

Le site Spritmonitor[16] et l'ADAC[17] allemande proposent un classement des voitures électriques les plus économes, à partir de consommations constatées ou mesurées. La consommation du véhicule n'est pas tout, car les pertes lors de la charge sont à prendre en compte : « avec un moteur à essence, cela reviendrait à renverser quelques litres au moment de faire le plein »[17]. Cette perte lors de la recharge irait de 9,9 à 24,9 %[18].

Voiture électrique Tesla.

Le tableau suivant compare les classements officiels d'économie de carburant pour les véhicules tout électriques évalués par l'Environmental Protection Agency (EPA) en novembre 2016[19]^,[20] par rapport aux véhicules hybrides rechargeables à longue distance les plus énergétiquement efficaces (Chevrolet Volt deuxième génération), aux véhicules hybrides essence-électricité (Toyota Prius Eco, quatrième génération)[21]^,[22]^,[23] et aux véhicules neufs moyens 2016 de l'EPA, dont la consommation de carburant est de 9,4 L/100 km[19]^,[21].

La consommation minimale d'une voiture électrique, d'après le département de l'Énergie des États-Unis, est de 16,8 kWh/100 km dans le cas de la BMW i3[24]. Dans une étude de l'université technique de Dresde, la consommation moyenne des véhicules électriques est estimée à 15 kWh/100 km[25]. Enfin, l'Association nucléaire mondiale estime que les consommations des véhicules électriques vont de 13 à 20, la moyenne s'établissant autour de 15 kWh/100 km, sans chauffage ni climatisation[26]. La consommation de la Renault Zoe est estimée par heise autos à 14,8−15,7 kWh/100 km[27]. Selon Florian Kobloch et al., cette valeur est actuellement de 19 kWh/100 km[28]. Enedis indique que les valeurs retenues selon le type de véhicule vont de 16 à 23 kWh/100 km[29]. Pour The Shift Project, la valeur moyenne est de 16 kWh/100 km[30].

Les données estimées sur les véhicules électriques permettent de remplir le tableau en énergie finale consommée comme suit, sur la base d'un taux d'occupation de 1,58 personne[31] :

L'utilisation de l'écocomparateur[32] permet de remplir le tableau en énergie finale consommée comme suit :

Le rendement d'un autocar et d'un poids lourd est de 35 %, selon The Shift Project[14].

L'utilisation de l'écocomparateur[32] permet de remplir le tableau en énergie finale consommée comme suit :

En Allemagne, le groupement Allianz pro Schiene (all. Alliance pour le rail) annonce, dans le contexte allemand, les chiffres suivants[10] :

L'Airbus A350.

Le transport aérien, dont une partie du tourisme moderne dépend[33]^,[34], présente un bilan énergétique médiocre[35].

L'utilisation de l'écocomparateur[32] permet de remplir le tableau en énergie finale consommée comme suit :

Un train de passagers en Croatie.

Selon un rapport de l'Agence internationale de l'énergie de 2019, alors que le rail réalise 8 % du transport mondial de personnes en termes de passagers-kilomètres et 7 % du transport de marchandises, la consommation d'énergie correspondante représente seulement 2 % de la demande totale d'énergie du secteur des transports[36].

En Allemagne, le groupement Allianz pro Schiene (« Alliance pour le rail ») annonce, dans le contexte allemand, les chiffres suivants[10] :

L'écocomparateur de l'ADEME[32] permet de remplir le tableau synoptique suivant :

La résistance au roulement sur rail est beaucoup plus faible qu'avec un contact pneu-route. L'écart est de l'ordre de 1 à 7, soit des coefficients de résistance de 0,2 % pour le train et 1,5 % pour une voiture à 110 km/h[37]^{[réf. non conforme]}. Par ailleurs, pour peu que la liaison entre wagons soit soignée, le premier wagon est à l'origine d'une traînée aérodynamique plus élevée que celle des wagons suivants, ce qui a un effet positif sur la traînée moyenne par passager transporté ; la faible consommation du pourtant véloce TGV[32] en constitue une démonstration.

La très faible résistance au roulement fer-fer, ainsi que la plus faible résistance aérodynamique des convois constitués de wagons qui « « s'abritent » derrière la motrice, dans son sillage » expliquent la très bonne efficacité du train[38].

L'écomobilité passe par le développement de l'intermodalité. Cela nécessite de prévoir le rabattement des passagers vers les moyens de transport plus efficaces sur le plan énergétique, comme les trains ou tramways.

Les scénarios ADEME[41], GrDF[42] et Greenpeace[43] tablent sur un transfert de la route vers la voie ferrée.

L'avion, par sa vitesse élevée, permet de parcourir des distances élevées. Son rendement énergétique reste toutefois médiocre : il est très énergivore[44].

L'efficacité énergétique du transport dépend largement du taux d'occupation (passagers) ou de remplissage (cargaison) des véhicules. Ainsi, des disparités très fortes sont observées en matière d'efficacité énergétique pour le transport ferroviaire selon les pays, essentiellement en raison de différences dans les taux d'occupation ou de remplissage des trains[45]. Cette logique a aussi conduit à encourager le covoiturage.

On parle d'effet rebond quand l'amélioration de l'efficacité d'une technologie (plus grande rapidité, moindre consommation d'énergie, etc.) conduit à l'augmentation de la demande.

Le développement de modes de transport plus rapides (automobile, autoroutes et voies rapides, TGV, navires à grande vitesse, avions) peut conduire à une augmentation de l'énergie consommée pour les transports à travers l'allongement des distances parcourues[46].

Dans le domaine des transports ferroviaires, le TGV permet de se déplacer plus rapidement. Les utilisateurs peuvent donc aller plus loin dans un temps donné, que ce soit pour un trajet domicile-travail ou pour voyager[47]. Cet effet permet de passer d'un mode de transport peu efficace (la voiture) à un autre qui l'est davantage, mais l'accroissement des déplacements induit peut réduire les gains permis par l'efficacité énergétique plus élevée du train par rapport à la voiture. De la même façon, l'existence de compagnies aériennes offrant des voyages à prix abordables a augmenté en contrecoup le nombre des déplacements lointains. Si ces déplacements lointains ne devaient se faire qu'à pied, à cheval ou en bateau (comme au temps de Marco Polo), ils seraient évidemment beaucoup moins nombreux.

En 2015, une baisse de la demande des déplacements longs a toutefois été observée en France[48].

Une amélioration de l'efficacité énergétique des transports, en réduisant son cout, pourrait se traduire par une augmentation de la demande de transport. Cet effet a été observé dans le domaine du transport de marchandises en Chine[49].

• (en) Leslie Daryl Danny Harvey, Energy and the New Reality 1 : Energy Efficiency and the Demand for Energy Services, earthscan, 2010, 672 p. (ISBN 978-1849710725, lire en ligne), p. 252 : Table 5.1 Energy intensity of different methods of transportation in cities.
• (de) Joanneum Research (en), Geschätzte Treibhausgasemissionen und Primärenergieverbrauch in der Lebenszyklusanalyse von Pkw-basierten Verkehrssystemen [« Estimation des émissions de gaz à effet de serre et de la consommation d'énergie primaire dans l'analyse du cycle de vie des systèmes de transport reposant sur les voitures particulières »], ADAC, 12 septembre 2019, 171 p. (lire en ligne [PDF]).
• Laura Foglia et Alessia Clausse, Guide pour une mobilité quotidienne bas carbone, The Shift Project, février 2020, 111 p. (lire en ligne [PDF]), Figure 4 : « Consommation d'énergie par passager pour différents modes de déplacement ».
• Étude comparative de l'impact carbone de l'offre de véhicules, The Shift Project, février 2020 (lire en ligne [PDF]), fiches page 39 et suivantes.

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