Efficacité énergétique des transports

Denis CHEYNET, 01 mars 2013

Introduction[Retour sommaire]

Cet article a pour objectif de poser les fondements de l'efficacité énergétique dans les transports. Pour comparer l'efficacité énergétique des différents modes de transports, il est en effet nécessaire de disposer de moyens de comparaisons objectifs, c'est-à-dire d'une unité commune et de remonter à la source de la production d'énergie. L'objectif est de déterminer, pour chaque personne transportée, quelle quantité totale d'énergie primaire aura été mobilisée tout au long de la chaîne.

Les unités[Retour sommaire]

La tonne équivalent pétrole (tep) est souvent utilisée dans les rapports officiels internationaux – issus par exemple de l’Agence Internationale de l’Energie – ou nationaux – issus par exemple de l’ADEME ou du Ministère du Développement Durable – comme unité pour les quantités d’énergie. Elle se décline parfois en kep (kilo équivalent pétrole) et gep (gramme équivalent pétrole).

La tonne équivalent pétrole est une unité qui pose problème car son intitulé introduit une notion de masse dans une unité énergétique. Or, la masse volumique du pétrole est variable en fonction des différents champs pétroliers. La tonne équivalent pétrole ayant été fixée arbitrairement à 41,868 GJ, soit 11,63 MWh[1], une tonne de pétrole (en masse) fait en moyenne 1,05 tep (en énergie).

L’unité officielle du système international pour l’énergie est le joule. Cette unité est toutefois mal adaptée pour traduire des quantités d’énergie importantes. La consommation française d’énergie primaire était par exemple de 5,07 EJ (Exa Joules) = 5,07.1018 J en 2009, nombre qui peut devenir rapidement difficile à appréhender et à manipuler[2].

Afin de suivre les recommandations de David MacKay, professeur du Département de Physiques à l’Université de Cambridge[3], l’unité préconisée ici est le Wh. Même si ce n’est pas l’unité officielle, cette unité a l’avantage d’être une vraie unité énergétique. Elle est aussi bien adaptée pour traduire des consommations d’énergie électrique que des consommations d’énergies fossiles. Le kWh est par exemple utilisé dans le cadre des normes Euro pour exprimer les émissions en g/kWh pour les poids-lourds. La correspondance du Wh avec le Joule (1 Wh = 3600 J) le wattheure est mieux adapté pour exprimer des nombres importants.

Remarque : L'unité énergétique préconisée est le Wh (Wattheure).

Données d’entrée[Retour sommaire]


Le recueil des données d’entrée est un élément primordial dans les bilans énergétiques. Cette phase est déterminante pour obtenir des résultats valides. Elle s’appuie sur l’inventaire :

  • des données de circulation ;
  • des données des véhicules (caractéristiques techniques, consommation, capacité, etc.) ;
  • les données de remplissage des véhicules.

La modélisation de la demande doit permettre d’obtenir des données sur l’évolution de l’ensemble de ces paramètres. Ainsi, il est nécessaire non seulement de modéliser l’évolution de la demande et de l’affectation des usagers sur les différents modes, mais aussi de modéliser l’évolution du matériel roulant. Si l’évolution du parc routier a été modélisée par l’IFSTTAR, ces données sont par exemple beaucoup plus difficiles à obtenir pour les transports urbains et le mode ferroviaire. Il y a donc une nécessité de sensibiliser les autorités organisatrices et les différents opérateurs le plus en amont possible pour qu’ils puissent fournir les données nécessaire à cet inventaire.

Pour les transports urbains, l’Union des Transports Publics et Ferroviaires (UTP) fournit des taux d’occupation en voyages par kilomètre pour les réseaux français[4], mais ceux-ci ne sont pas utilisables tels quels. En effet, le nombre de voyages/km dépend de la longueur moyenne de voyages et ne reflète pas le taux d’occupation moyen en termes de passagers par véhicule. Ces données doivent donc être obtenues auprès des différents opérateurs de réseaux urbains.

Données de sortie[Retour sommaire]

En sortie, les caractéristiques techniques de chaque véhicule associées aux nombre de kilomètres parcourus permettent de calculer la consommation énergétique de chaque véhicule en Wh/km. Il est alors possible d’en déduire la consommation énergétique moyenne en Wh/km•véhicule pour un périmètre donné.

En fonction de la capacité de chaque véhicule, cette consommation énergétique peut alors être traduite en Wh/km•siège (ou Wh/km place si l’on prend en compte les places debout). Puis, en fonction du taux d’occupation de chaque véhicule, on obtient la consommation énergétique en Wh/km•passager.

Équation 1 : Données de sortie du bilan énergétique

Données de sortie du bilan énergétique

Consommation d’énergie primaire[Retour sommaire]


Afin de comparer l’efficacité de différents modes de transports, il convient de rapporter la consommation énergétique de chacun en énergie primaire. En effet, il serait trompeur de ne prendre en compte que l’énergie finale en oubliant les phases de production, de transformation et de transport de cette énergie.

A ce jour (2011), les deux sources principales d’énergies finales pour les transports restent les carburants liquides dérivés du pétrole et l’électricité. Les autres carburants en cours de développement tels que l’hydrogène ou l’air comprimé doivent être convertis en fonction de la quantité d’énergie primaire qui a été nécessaire pour les produire. L’hydrogène est par exemple produit à plus de 95% à partir d’énergies fossiles dans le monde [5] [6] [7].

Energies fossiles


Les carburants issus d’énergies fossiles, tels que le gazole et l’essence, sont à la fois des énergies primaires et des énergies finales. Pour être juste, il convient toutefois de prendre en compte les pertes issues du raffinage et du transport.

En France et en 2009, la consommation primaire de pétrole (énergie et autres usages) était de 987 TWh. Sur cette quantité, 29 TWh ont été consommé pendant le transport maritime et 42 TWh ont soit été perdus, soit été utilisés pour les usages internes[8]. La quantité d’énergie primaire disponible était donc de 987–(42+29) soit 916 TWh. Le ratio entre la quantité de pétrole produite (dont la quasi-totalité est importée) et les disponibilités est donc de 916/987 soit 93%. Ce rendement ne prend pas en compte la phase d’extraction sur les champs pétroliers et constitue donc la limite haute.

La consommation d’énergie finale de pétrole (hors consommation finale non énergétique telle que production de produits pétrochimiques) en 2009 et en France était quant à elle de 767 TWh tandis que la consommation d’énergie primaire hors production d’électricité était de 816 TWh[8]. Cela permet de calculer le rendement entre consommation d’énergie finale et consommation d’énergie primaire sous forme de pétrole hors pertes et transport maritime : 767/816 soit 94%.

Le rendement final est obtenu en multipliant ces deux coefficients et est pour la France de 0,93•0,94 soit 87%. Cela signifie que, pour obtenir la limite basse de la consommation d’énergie primaire à partir de la consommation d’énergie finale de pétrole, il faut multiplier cette dernière par 1,15.

Electricité


En 2009, la consommation d’énergie primaire destinée à la production d’électricité était en France de 1,41 PWh, auxquels il faut retirer 45 TWh d’énergie primaire destinée à la production d’électricité pour les exportations et ajouter 20 TWh pour les importations, soit un total de 1,38 PWh[8].

La consommation finale d’électricité était quant à elle de 430 TWh[8].

Cette différence s’explique par :

  • le rendement des centrales (33% pour le nucléaire, autour de 40% pour les centrales à charbon, 10% pour la géothermie) – les énergies renouvelables ont un rendement théorique de 100%, mais ne représentent que 5% de la production en France ;
  • les besoins propres à la branche énergie ;
  • les pertes en ligne.

Cela signifie que pour chaque Wh d’énergie électrique consommée, il a fallu mobiliser 3,2 Wh d’énergie primaire et que 3,2-1 soit 2,2 Wh de cette énergie primaire s’est dissipée sous forme de chaleur.

Afin de ramener la consommation des modes de déplacements électriques en énergie primaire, il faut donc multiplier la consommation électrique finale par 3,2.

Le Ministère du développement durable propose pour sa part de s’appuyer sur le coefficient fourni par l’arrêté du 15 septembre 2006 relatif au diagnostic de performance énergétique pour les bâtiments[9]. L’annexe 3.2 « Conversion des énergies finales en énergie primaire » indique que « les facteurs de conversion de l'énergie finale (exprimée en PCI) en énergie primaire sont les suivants :

  • 2,58 pour l'électricité ;
  • 1 pour les autres énergies. »

Ce coefficient pose deux problèmes puisqu’il s’applique aux diagnostics énergétiques des bâtiments et non pas de manière explicite aux projets de transports et qu’il y a un écart important entre cette valeur théorique et le coefficient précédemment calculé. Cela s’explique par le fait que le coefficient proposé par le ministère ne prend pas en compte toute la chaîne de fourniture d’électricité (besoins internes, pertes en lignes etc.) mais uniquement le rendement de production des centrales.

En l’attente d’un coefficient officiel applicable aux projets de transports, la démarche la plus juste consiste à appliquer le coefficient énergie finale/énergie primaire calculé pour l’année la plus proche de l’année d’étude c’est-à-dire, dans le cas présent, le coefficient 3,2 correspondant aux dernières données disponibles fournies pour l’année 2009.

Remarque : Les coefficients proposés pour obtenir la quantité d’énergie primaire en fonction de la quantité d’énergie finale consommée en France sont :

  • 1,15 pour les carburants liquides issus du pétrole ;
  • 3,2 pour l’électricité.

Ces coefficients doivent être adaptés en fonction de chaque pays où l’étude est effectuée.

Application : calculs Enerdata[Retour sommaire]


En s’appuyant sur ces coefficients, il est possible de mettre en forme les résultats fournis par la société Enerdata en 2004[10], tout d’abord en les exprimant en Wh/km•passager puis en les rapportant à la quantité d’énergie primaire correspondante.

Figure 1 : Efficacité comparée des modes de trajets urbains

Source : Enerdata 2004

Figure 2 : Efficacité comparée des modes de trajets régionaux

Source : Enerdata 2004

Figure 3 : Efficacité comparée des modes de trajets interrégionaux

Source : Enerdata 2004


Les résultats ainsi obtenus peuvent paraître surprenants. Ils s’expliquent par le fait que l’énergie électrique se trouve extrêmement pénalisée par le taux de conversion entre énergie finale et énergie primaire, même en utilisant le coefficient préconisé par le Ministère du Développement Durable.

Ces résultats sont donnés à titre d’exemple, la méthodologie et la validité des résultats n’ayant pas pu être vérifiés dans le cadre de cette étude. De plus, ces résultats doivent être mis à jour avec des données récentes.

 

Notes et références[Retour sommaire]

1. Inernational Energy Agency, Unit Converter – consulté le 09/05/2011.

2. Service de l’observation des statistiques, Ministère du développement durable (2010), Chiffres clés de l’énergie, édition 2010.

3. David MacKay, Ch I Page 328: Sustainable Energy - without the hot air – consulté le 22/07/2011.

4. Union des Transports Publics et Ferroviaires (2010), Les chiffres clés du transport public urbain 2009.

5. Association Française de l’Hydrogène – consulté le 03/05/2011.

6. DOE Hydrogen Program Home Page – consulté le 19/05/2011.

7. Alphea - Pôle de compétences sur l’hydrogène et ses applications - ALPHEA – consulté le 19/05/2011.

8. a b c et d Service de l’observation des statistiques, Ministère du développement durable (2010), Chiffres clés de l’énergie, édition 2010.

9. Arrêté du 15 septembre 2006 relatif au diagnostic de performance énergétique pour les bâtiments existants proposés à la vente en France métropolitaine.

10. ENERDATA (2004), Efficacité énergétique des modes de transport, rapport n° 02MT27.