Efficacité énergétique dans les transports

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L'efficacité énergétique dans les transports est le rapport entre le résultat (déplacement) et l'énergie dépensée pour l'obtenir ; elle se mesure généralement par l'énergie consommée pour 100 kilomètres parcourus. Comme elle correspond à une énergie divisée par une distance: elle est formellement équivalente à une force, plus précisément une force de frottement, qui s'oppose à l'avancement. Il s'agit là de l'idée qui préside à l'établissement des diagrammes de Gabrielli – von Kármán, qui permettent d'effectuer une comparaison entre modes de transport.

Définition[modifier | modifier le code]

Une directive européenne de 2006, reprise par la Directive 2010/31/UE[1] définit l'efficacité énergétique comme « le rapport entre les résultats, le service, la marchandise ou l'énergie que l'on obtient et l'énergie consacrée à cet effet ».

Il est d'usage de mesurer l'efficacité énergétique sous la forme de son inverse : la consommation d'énergie par unité de distance parcourue ; l'efficacité énergétique est d'autant plus grande que cette consommation unitaire est plus faible.

Jusqu'à présent, les tests 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[2].

Pour être vraiment pertinente, cette consommation 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 (voir Énergie grise#Énergie grise dans les transports).

La notion de rendement appelle quelques précisions. Pour avancer, le véhicule doit vaincre les forces de frottement (résistance au roulement), les forces aérodynamiques (ou hydrodynamiques), ainsi que les forces de freinage. Ce sont paradoxalement des forces de frottement « utiles », car il n'est pas possible de les supprimer (bien sûr, rien n'empêche de vouloir diminuer ces forces de frottement « utiles »). Le rendement sera le rapport entre l'énergie nécessaire pour vaincre les forces de frottement irréductibles, et l'énergie totale mobilisée.

Objectifs[modifier | modifier le code]

L'efficacité énergétique n'est pas un objectif en soi, elle est subordonnée à la poursuite d'objectifs plus fondamentaux, en particulier écologiques. La présentation de la « directive efficacité énergétique » par le ministère de l'environnement définit bien ces objectifs : « Ce texte contribue à l'atteinte des objectifs écologiques : moins de gaz à effet de serre, moins de polluants atmosphériques, moindre pression sur les ressources non renouvelables, tout en stimulant l’économie : moindre dépendance énergétique, allègement de la facture, et surcroît d’activité lié aux investissements de maîtrise de l’énergie[3] ». L'efficacité énergétique ne doit donc jamais être recherchée indépendamment de ces objectifs plus fondamentaux.

La Fondation Nicolas-Hulot pour la nature et l'homme et l'association négaWatt, quant à elles, ne se bornent pas à la seule efficacité énergétique, et appellent à davantage de sobriété. En effet, selon elles, les énergies renouvelables ne sauraient s'ajouter à la production actuelle d'énergie, mais au contraire, doivent s'y substituer[4].

Une amélioration de l'efficacité énergétique peut se traduire par une augmentation de la demande pour le bien produit plus efficacement. On parle d'effet rebond ou de paradoxe de Jevons (ou postulat de Khazzoom-Brookes)[5],[6], et il peut concerner également ls moyens de transport.

Unités[modifier | modifier le code]

Les unités communément employées sont les litres d'essence par 100 kilomètres, ainsi que les kWh/100 km (un rapport de 10 environ existe entre ces deux unités). Mais pour tenir compte du taux d'occupation des moyens de transport, les statisticiens préfèrent recourir aux kWh/100 voyageur-kilomètre ou aux kWh/100 tonne-kilomètre. Ainsi, en 2008, en France, le taux d’occupation moyen des voitures par déplacement était de 1,4 personne[7].

Il est également possible d'utiliser les kg équivalent pétrole avec l'équivalence suivante 1 kg(ep) = 11,628 kWh

Modes de transport[modifier | modifier le code]

Propulsion humaine[modifier | modifier le code]

Cycliste à Paris.

La biologie nous apprend qu'en fonction de la quantité d'air ingérée, on peut estimer l'énergie dépensée pour la marche, la course et le vélo[8] quand bien même le rendement musculaire ne serait que d'environ 20 %.

Transport sur 100 km
kWh
Marche 7,3
Course 8,6
Vélo 2,5

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.

Une estimation plus précise peut être effectuée en fonction du poids de la personne[9]. Selon cette source, une personne de 68 kg qui roule à vélo à la vitesse de 16 km/h dépense 3,2 kWh/100 km[a]. La même personne de 68 kg qui marche à la vitesse de 4 km/h dépense 6,1 kWh/100 km[b].

Transport routier[modifier | modifier le code]

Voiture[modifier | modifier le code]

Efficacité énergétique des voitures thermiques en ville et sur autoroute (Document du département de l'Énergie des États-Unis).
Voiture thermique[modifier | modifier le code]

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

Énergie finale pour 100 voyageurs-kilomètres
l équivalent essence kWh
Voiture 6,1 61

En 2008, en France, le taux d’occupation moyen des voitures par déplacement était de 1,4 personne[7]. L'utilisation de l'écocomparateur[11] permet de remplir le tableau en énergie finale consommée et émissions de CO2 comme suit :

Énergie finale pour 100 voyageurs-kilomètres
- kWh kgep kg CO2
Voiture 62,8 5,4 17,1

Le véhicule thermique présente en moyenne un mauvais rendement, expliqué par le graphique ci-contre du département de l'Énergie des États-Unis. Il est possible de faire beaucoup mieux avec de petits véhicules. En effet, la résistance au roulement diminue avec la masse, ainsi que l'énergie cinétique (freinage sur le graphique). La résistance aérodynamique, qui croît plus que proportionnellement avec la vitesse et diminue avec la taille, s'en voit améliorée également, car un petit véhicule va en général moins vite. 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[12].

Voiture électrique[modifier | modifier le code]

Pour les voitures électriques, la consommation s'élèverait de 10 à 20 kWh/100 km[13]. Le chauffage, « gratuit » dans le cas des véhicules thermiques, peut consommer une puissance de 1 à 2 kW dans le cas des véhicules électriques. Il est à noter que Volkswagen annonce 12,7 kWh/100 km pour la e-Golf, alors que l'ADAC (automobile-club allemand) constate plutôt 18,2 kWh à la prise de courant pour 100 km[14]. Cette consommation sert d'hypothèse haute, l'hypothèse basse étant de 10,0 kWh.

Les données estimées sur les véhicules électriques permettent de remplir le tableau en énergie finale consommée et émissions de CO2 comme suit, compte tenu du taux d'occupation de 1,4 personnes[7]:

Énergie finale pour 100 voyageurs-kilomètres[c]
kWh kgep kg CO2
Voiture électrique (hypothèse haute) 13 1,1 0,6
Voiture électrique (hypothèse basse) 7 0,9 0,4

Bus et autocar[modifier | modifier le code]

L'utilisation de l'écocomparateur[11] permet de remplir le tableau en énergie finale consommée et émissions de CO2 comme suit :

Énergie finale pour 100 voyageurs-kilomètres[c]
- kWh kgep kg CO2
Autocar 20,9 1,8 5,9
Bus 47,7 4,1 13

Moto[modifier | modifier le code]

L'utilisation de l'écocomparateur[11] permet de remplir le tableau en énergie finale consommée et émissions de CO2 comme suit :

Énergie finale pour 100 voyageurs-kilomètres[c]
- kWh kgep kg CO2
Moto 51,2 4,4 13,6

Poids-lourds[modifier | modifier le code]

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

Énergie primaire pour 100 tonnes-kilomètres
l équivalent essence kWh
Poids-lourd 3,9 38,9

Transport aérien[modifier | modifier le code]

Le transport aérien, dont une partie du tourisme moderne dépend[15],[16], présente un bilan énergétique médiocre[17].

Les soutes internationales ne rentrent pas dans les statistiques énergétiques des pays.

L'utilisation de l'écocomparateur[11] permet de remplir le tableau en énergie finale consommée et émissions de CO2 comme suit :

Énergie finale pour 100 voyageurs-kilomètres[c]
- kWh kgep kg CO2
Avion 52,3 4,5 14,2

Transport ferroviaire[modifier | modifier le code]

Un train de passagers en Croatie.

Depuis 2011, la consommation des trains à travers le monde est inférieure à 150 kJ/voyageur-kilomètre et 150 kJ/tonne-kilomètre (environ 4 kWh/100 voyageurs-kilomètres et 4 kWh/100 tonnes-kilomètres) en énergie finale. Le transport de voyageurs par rail nécessite moins d'un dixième de l'énergie requise pour déplacer une personne en voiture ou par avion. C'est ce qui explique pourquoi, bien que représentant 9 % de l'activité mondiale de transport de passagers (exprimée en voyageur-kilomètre) en 2015, les services ferroviaires de voyageurs ne représentent que 1 % de la demande finale d'énergie dans le transport de voyageurs[18].

L'efficacité énergétique des transports sur rail est encore plus affirmée en matière de transports de marchandises[19],[18] : alors que la masse des voyageurs représente à peine 15 % de la masse d'un train, celle des marchandises peut en représenter les 2/3 voire plus. La faible résistance au roulement du contact rail-roue métallique, et partant, l'excellente efficacité énergétique qu'il permet est la raison principale pour laquelle des réseaux ferrés existent encore au XXIe siècle en Amérique du Nord, terre de l'automobile et de l'aviation commerciale.

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

Énergie finale pour 100 voyageurs-kilomètres
litre équivalent essence kWh
Train[d] 1,1 11
Énergie finale pour 100 tonnes-kilomètres
litre équivalent essence kWh
Train 0,83 8,3

L'écocomparateur de l'ADEME[11] permet de remplir le tableau synoptique suivant :

Énergie finale pour 100 voyageurs-kilomètres
- kWh kgep kg CO2
TER 13,4 1,2 2,9
Train 7,9 0,68 1,2
TGV 3,1 0,27 0,32
Tramway 7,0 0,6 0,3

La résistance au roulement sur rail est beaucoup plus faible qu'avec un contact pneu-route. Par ailleurs, pour peu que la liaison entre wagons soit soignée, le premier wagon sera 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[11] en constitue une démonstration.

Comparaison[modifier | modifier le code]

L'écocomparateur de l'Agence de l'environnement et de la maîtrise de l'énergie[11], fondé sur les statistiques d'utilisation des modes de transports, permet de comparer les différents modes de transport entre eux, tant du point de vue de l'énergie finale consommée que du point de vue des émissions de gaz à effet de serre (en équivalent CO2). Cet écocomparateur ne prend pas en compte les voitures électriques et ne tient pas compte de l'énergie grise des véhicules. Il n'est valable que pour la France.

Cet outil informatique montre l'intérêt écologique des transports en commun, du point de vue de la consommation d'énergie et des émissions de gaz à effet de serre. L'utilisation de l'écocomparateur permet de remplir le tableau en énergie finale consommée et émissions de CO2 comme suit :

Énergie finale pour 100 voyageurs-kilomètres[c]
- kWh kep kg CO2
Voiture 62,8 5,4 17,06
Avion (vol moyen-courrier) 51,8 4,45 14,2
Moto 50,7 4,36 13,62
Bus 47,7 4,1 13
Autocar 21,3 1,83 5,85
Transilien 14,0 1,2 0,6
TER 13,4 1,15 2,92
Train grande ligne 7,9 0,68 1,18
Métro 8,1 0,7 0,3
Tramway 7,0 0,6 0,3
TGV 3,1 0,27 0,32
Vélo 0 0 0

NB : les résultats ci-dessus sont calculés sur la base de statistiques françaises ; ils seraient très différents dans d'autres pays, en particulier pour les émissions de CO2. Les hypothèses de l'ADEME tiennent compte du taux d'occupation de 1,4 personne par voiture[7]. Par défaut, la distance choisie pour réaliser la comparaison est 100 km, sauf pour les déplacements en avion (1 000 km), en transilien, métro, tramway et bus et à vélo (10 km). Pour certains modes de transport comme le TER et la voiture particulière, la consommation d'énergie moyenne serait supérieure pour des trajets plus courts. Au contraire, la consommation moyenne d'énergie à moto est supérieure pour des trajets longs selon le comparateur.

Si l’on compare les différentes possibilités de se déplacer de manière autonome du point de vue de la consommation énergétique directe, les alternatives électriques, voiture et scooter, peuvent présenter un bilan de 5 à 12 fois meilleur que leurs homologues à essence ou diesel. Le vélo à assistance électrique, quant à lui, consomme 40 à 60 fois moins d’énergie que les modes de transport individuel thermiques[20].

Énergie finale pour 100 km
- kWh kep
Voiture thermique récente 60 5,2
Voiture électrique 10-16 0,9-1,4
Scooter thermique 47 4,0
Scooter électrique 4-8 0,3-0,7
Vélo électrique 1 0,1

Résultats[modifier | modifier le code]

Le diagramme de Gabrielli – von Kármán permet d'avoir une vue d'ensemble des modes de transport[21]. Ce diagramme confirme que les trains et les navires de commerce sont bien placés par rapport aux avions et aux voitures, en matière de consommation. Il montre aussi que la vitesse (dans le cas d'un coefficient de traînée élevé) et la masse sont les ennemis de l'efficacité énergétique. Aussi l'abaissement de la vitesse de 90 à 80 km/h sur route départementale[22] devrait-il apporter des économies en matière de consommation d'énergie[23],[24],[25],[26].

Les transports en commun sur rail apparaissent beaucoup plus économes que les déplacements individuels[27], dès lors qu'ils sont utilisés dans leur domaine de pertinence, c'est-à-dire avec un taux de remplissage élevé ; les transports en commun routiers (autocar, bus, etc.) sont plus performants que les véhicules individuels, mais du point de vue des émissions de gaz à effet de serre, les transports ferroviaires leur sont supérieurs de très loin[e] ; la voiture électrique est plus économe que le TER, et surtout moins émettrice de CO2 que le train de grandes lignes, mais moins que le TGV ou le tramway. Ceci montre bien que l'efficacité énergétique n'est pas un critère en soi.

L'écomobilité passe par le développement de l'intermodalité pour constituer des flux de transport suffisamment importants pour remplir un train ou un tramway[28]. Par ailleurs, les performances du véhicule électrique en termes d'émissions de CO2 en font un complément écologique au rail, du moins dans les pays où la part des énergies fossiles dans la production d'électricité est faible. C'est pourquoi les scénarios ADEME[29], GrDF[30], Greenpeace[31], et négaWatt tablent sur un transfert de la route vers la voie ferrée pour les grands trajets (à partir de 100 km[32]). L'avion, utilisé pour parcourir de très grandes distances avec un rendement médiocre, est très énergivore et très émetteur de gaz à effet de serre[33].

Notes et références[modifier | modifier le code]

Notes[modifier | modifier le code]

  1. Puisque 1 kWh/100 km équivaut à 10 W/(km/h), 3,2 kWh/100 km équivalent à 32 W/(km/h). Pour 16 km/h, cette valeur est à multiplier par 16 pour obtenir la puissance, et nous aboutissons à 512 W
  2. Remarquons qu'une Calorie (avec un grand C) vaut 4 184 J et qu'un Wh vaut 3 600 J. Ainsi, à titre d'exemple, une personne de 68 kg qui marche à la vitesse de 4 km/h dépense 210 Calories en une heure (avec un grand C) d'après le calculateur en ligne. Nous aboutissons à 244,1 Wh pour une heure. Rapporté à la vitesse de 4 km/h, nous trouvons 244,1 / 4 = 61 Wh/km ou encore 6,1 kWh/100 km. Cela correspond en outre à une puissance de 244 W.
  3. a b c d et e Consommation issue de statistiques moyennes de taux d'occupation.
  4. Les trains en Allemagne sont majoritairement mus par l'électricité (voir Énergie grise énergétique).
  5. Essentiellement pour les trains à traction électrique et à condition que l'électricité soit produite à partir d'énergies renouvelables ou de nucléaire.

Références[modifier | modifier le code]

  1. Directive 2010/31/UE du 19 mai 2010, sur le site europa.eu.
  2. Un nouveau protocole de mesure de consommation de carburant en conditions réelles sur fne.asso.fr, site de France Nature Environnement.
  3. Directive efficacité énergétique, Ministère de l'Environnement, 12 novembre 2012.
  4. Sobriété sur negawatt.org, site de l'association négaWatt.
  5. (en) Could the rebound effect undermine climate efforts? sur theguardian.com
  6. (en) An empirical study of direct rebound effect for road freight transport in China sur sciencedirect.com
  7. a b c et d [PDF]La mobilité des Français, panorama issu de l’enquête nationale transports et déplacements 2008, sur developpement-durable.gouv.fr, décembre 2010 (voir page 13).
  8. Gourmandise énergétique des transports website Agoravox.
  9. (en) Energy expenditure sur brianmac.co.uk
  10. a b et c (de) Consommation d'énergie sur allianz-pro-schiene.de
    NB : Un litre d'essence correspond environ à 10 kWh (Cf.Consommation des véhicules électriques). Par ailleurs, 0,3 MJ/100 tonne-kilomètre = 30 MJ/100 tonne-kilomètre = 8,33 kWh/100 tonne-kilomètre et 1,4 MJ/100 tonne-kilomètre = 38,9 kWh/100 tonne-kilomètre.
  11. a b c d e f et g Ecocomparateur de l'ADEME, information sur les émissions de CO2 et sur l'énergie primaire consommée
  12. Pneus, sur Wikibooks.org
  13. Benjamin Dessus, « Quelles justifications pour un développement massif du véhicule électrique en France ? », sur Les cahiers de Global Chance, .
  14. (de) VW e-Golf - Fünftürige Schräghecklimousine der unteren Mittelklasse (85 KW / 115 PS)[PDF], sur ADAC.de p. 12.
  15. « Le tourisme fait s'envoler le réchauffement planétaire », Le Monde, .
  16. David Banister, « The tip of the iceberg: Leisure and air travel », Built Environment (1978-), vol. 6, no 3,‎ , p. 226-235 (lire en ligne).
  17. Doit-on encourager le transport aérien? sur decrypterlenergie.org, site de l'association négaWatt.
  18. a et b (en) [PDF] Railway handbook: Energy consumption and CO2 emissions sur uic.org, site de l'Union internationale des chemins de fer (UIC) ; voir figure 15 page 27. Ce document résulte d'un travail commun entre l'UIC et l'Agence internationale de l'énergie (AIE).
  19. (en)[PDF] transports de marchandises sur rail, voir page 6 sur illinois.edu.
  20. « Véhicules individuels, quelle consommation d'énergie ? », sur Services industriels de Delémont (consulté le 3 septembre 2018).
  21. Graphique (mis à jour en 2004): (en) The price of speed sur trainsnboatsnplanes.files.wordpress.com
  22. réduction de vitesse de 90 km/h à 80 km/h sur lepoint.fr
  23. la-reduction-de-la-vitesse-sur-route-est-elle-une-mesure-inefficace sur decrypterlenergie.org, site de l'association négaWatt.
  24. Pourquoi faut-il diminuer la vitesse sur les autoroutes? sur reporterre.net, site de Reporterre. Il s'agit d'un document audio.
  25. une-decision-pertinente-et-courageuse sur fnaut.fr, site de la FNAUT.
  26. « Le passage aux 80 km/h apporte aux automobilistes des bienfaits financiers et écologiques » sur lemonde.fr
  27. Le train, grand oublié de la transition énergétique ? sur theconversation.com
  28. Multimodalité site web transportdurable.com
  29. [PDF]Scénario ADEME voir page 25.
  30. [PDF]Scénario GrDF voir page 14.
  31. [PDF]Scénario Greenpeace voir page 15.
  32. la-mobilite-a-longue-distance-des-francais sur statistiques.developpement-durable.gouv.fr voir page 1
  33. décrypter l'énergie, site de l'association négaWatt.

Voir aussi[modifier | modifier le code]

Articles connexes[modifier | modifier le code]

Liens externes[modifier | modifier le code]