La voiture de demain

voiture de demain

Dans un monde sans pétrole, l’un des plus gros problèmes à résoudre est celui du déplacement individuel. Si l’on ne veut pas changer nos habitudes, il faut trouver un moyen qui permette de se transporter de manière autonome en atteignant des vitesses pouvant aller jusqu’à 130 km/h et avec une autonomie de l’ordre de 1 000 km. Le dossier Mobilité individuelle (connectez-vous ici en tant qu’enseignant pour y accéder) du site Planète Énergies nous fournit les éléments clés de cette problématique.

La voiture électrique

La voiture électrique semble être une bonne solution. Mais à moins d’inventer des voitures sur rails qui permettent d’acheminer l’électricité dans le moteur en cours de déplacement (comme dans le cas du chemin de fer) il nous faut trouver un moyen de stocker l’énergie électrique (connectez-vous à l’espace enseignant pour consulter cette ressource). Comme pour nos joujoux électroniques, le stockage de l’électricité sous forme chimique dans les batteries paraît le plus adapté au transport individuel. Pourtant, quand on regarde de plus près les chiffres, un problème insurmontable apparaît : la densité massique d’énergie de l’essence est de l’ordre de 40 kJ/g (~10 kWh/kg) tandis que pour les batteries, la densité est de 400 J/g (~100 Wh/kg). Ainsi, un kilogramme de batterie contient 100 fois moins d’énergie qu’un kilogramme d’essence. Pour avoir l’énergie totale disponible après un plein d’essence de 50 kg, il faudrait 5 tonnes de batteries ! Cela change radicalement la physionomie de nos voitures. De plus, s’il faut 10 minutes pour faire un plein d’essence, il faut plusieurs heures pour faire le plein de 5 tonnes de batteries (voir les nouvelles motorisations électriques).

Ces simples considérations expliquent pourquoi la voiture électrique peine à se développer et que son utilisation est réservée à un usage urbain : court temps de trajet, long temps de charge. Même en augmentant la capacité de stockage d’énergie des batteries, la voiture électrique ne pourra jamais remplacer la voiture telle qu’on l’utilise actuellement : même si on envisage à l’avenir une amélioration de 50 à 100 % de la quantité d’énergie disponible par kilogramme de batterie, on est loin des 10 000 % nécessaires pour rivaliser avec l’essence.

Les véhicules hybrides

La piste du stockage de l’électricité dans les batteries n’étant pas des plus prometteuse, une autre solution consiste à produire l’électricité là où l’on en a besoin, c’est-à-dire au niveau de la voiture. Mais comme l’électricité est une énergie secondaire, il est nécessaire de faire appel à une autre forme d’énergie pour produire l’électricité. Comme la voiture hybride qui convertit l’énergie contenue dans l’essence ou l’énergie du mouvement en énergie électrique.

Mais attendez… À quoi cela sert-il de convertir l’énergie de l’essence en énergie électrique qui sera elle-même convertie en énergie mécanique ? C’est une question de rendement des conversions d’énergie. Le moteur thermique à explosion de nos voitures à essence qui permet de convertir l’énergie de l’essence en énergie mécanique a un rendement global de l’ordre de 20 %. Autrement dit pour 1 gramme d’essence brûlé qui contient 40 kJ, on ne récupère au mieux que 8 kJ d’énergie mécanique. Et ce rendement est difficile à faire augmenter car on demande beaucoup à nos moteurs qui doivent être capables aussi bien d’amener la tonne du véhicule à 90 km/h en partant de 0 que de maintenir cette tonne à 130 km/h en côte. Des régimes moteurs très différents pour lequel le moteur thermique n’est jamais et ne pourra jamais être complètement optimisé.

Un moteur électrique a par contre un rendement bien supérieur sur les phases de démarrage et d’accélération. C’est la raison pour laquelle les industriels ont inventé les voitures hybrides, exploitant les deux sources d’énergies : dans une voiture full hybrid, on utilise deux moteurs, l’un thermique et l’autre électrique, ce qui permet de les utiliser de manière optimale en permanence. Les gains en énergie peuvent être de 25 à 30 %. Mais on continue de brûler du pétrole… L’avantage dans une époque de transition énergétique comme la nôtre, c’est que l’on peut d’ores et déjà diminuer la production de dioxyde de carbone sans changer les infrastructures actuelles de distribution de l’énergie. L’inconvénient, c’est qu’on n’assure pas la pérennité de la solution puisqu’on continue de brûler une énergie fossile.

La voiture à hydrogène

La solution pourrait-elle venir de la voiture à hydrogène ? Ces dernières sont alimentées par une pile à combustible dans laquelle l’hydrogène réagit avec le dioxygène de l’air pour produire de l’eau et beaucoup d’énergie électrique. Voilà qui semble être la solution idéale : utilisation d’un moteur électrique dont le rendement global est au-delà des 70 %, production d’eau, non polluante pour l’environnement. Mais il reste quelques défis à relever pour parvenir à généraliser cette solution. Tout d’abord, bien que l’hydrogène soit l’élément le plus courant dans l’univers (au cœur des étoiles), il n’en existe quasiment pas à l’état naturel dans notre environnement proche (l’écosphère terrestre), il faut donc le produire. Tout comme l’électricité, l’hydrogène est simplement un vecteur d’énergie.

Il existe différents modes de production de l’hydrogène : à partir du gaz naturel, du charbon de bois ou encore par électrolyse de l’eau. Les deux premières méthodes ne sont pas très satisfaisantes en terme écologique puisqu’elles utilisent des énergies fossiles. L’électrolyse de l’eau (qui exploite la réaction inverse de celle ayant lieu au cœur de la pile à combustible) est le mode de production le plus écologique du moment que nous avons une source « verte » d’électricité. Mais hélas, c’est la méthode la moins économique à l’heure actuelle.

Supposons que nous ayons trouvé un moyen de produire de l’hydrogène en quantité industrielle de manière écologique. Nous sommes alors à la tête d’une quantité colossale d’énergie. En effet, si la quantité d’énergie par g de l’essence est de l’ordre de 40 kJ, celle de l’hydrogène est de 110 kJ/g soit quasiment 3 fois plus. Il faut donc à peine plus de 20 kg d’hydrogène pour avoir l’énergie équivalente à celle d’un plein d’essence de 50 kg. Seulement l’hydrogène est l’élément le plus léger de l’univers et donc le moins dense : sa densité est de 0,071 soit 71 g par Litre ! C’est dix fois moins que pour l’essence. Le réservoir d’une voiture à hydrogène devrait donc passer de 60 litres à 600 litres…

Comme le rendement du moteur à hydrogène est bien supérieur à celui du moteur thermique, nous n’aurons pas besoin d’autant d’énergie et les experts estiment qu’on s’en tire bien avec un volume d’hydrogène trois fois supérieur à celui de l’essence (un plein de 200 litres suffira). Mais les problèmes ne s’arrêtent pas là : étant très volatil il est nécessaire de comprimer l’hydrogène et de le confiner dans des réservoirs spéciaux. Très réactif avec l’oxygène (c’est là sa qualité par rapport à l’essence), il faut également inventer des façons de faire le plein sans risque pour l’usager et des réservoirs qui n’explosent pas au moindre carambolage… La révolution de l’hydrogène est en marche mais elle n’est pas pour demain du fait des différents problèmes évoqués.

Pour conclure

Nous le voyons, le prix écologique à payer pour notre liberté de déplacement individuel est assez élevé, en attendant, si nous ne voulons pas le faire payer à nos enfants, nous allons devoir nous résigner à développer les transports collectifs…

Ce dossier a été réalisé à l’aide des ressources du site Planète Énergies qui constitue une source fiable et exhaustive d’informations sur l’énergie pour préparer un cours de la séquence agir du programme de physique de Terminale S ou pour les séquences de recherche d’information pour les projets : TPE, MPS, etc.

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