Emissions indirectes de CO2 d’une voiture électrique alimentée par une Pile à Combustible à l’Hydrogéne

Les voitures électriques alimentées, via une batterie électrique de tension élevée (plusieurs centaines de Volts) et un convertisseur de tension, par une Pile à Combustible embarquée (PAC) basse tension fonctionnant sur la production d’eau  à partir de l’oxydation de l’hydrogène comprimé et de la réduction de l’oxygène de l’air vont faire leur apparition nous annoncent certains constructeurs d’automobiles Japonais, Coréens ou Allemands. Ces développements de pointe vont être handicapés par le prix du véhicule sophistiqué (certains parlent de cent mille dollars la bête ou plus) et surtout par la mise en place lente et onéreuse sur le territoire d’un réseau de stations distribuant l’hydrogène.

Ces véhicules de  haut de gamme, onéreux ne vont pas immédiatement envahir le marché et vont être au départ chichement réservés à une clientèle institutionnelle bobo qui disposera des moyens financiers collectifs pour afficher devant le peuple ébahi sa foi et son militantisme écologiques.  Bien sûr ce caractère confidentiel de ces nouveaux produits a immédiatement mobilisé nos élus et mis en transe leur phobie carbonique, ce qui les conduira dans leur manie régulatrice,  à probablement n’accepter que de l’Hydrogène garanti sans carbone, produit chèrement par électrolyse, à partir de courant éolien, nom d’un chien.

Il me semble urgent de calmer les angoisses de nos élus devant  cet enfer climatique annoncé, qui les poussent à croire que la France qui n’émet pourtant que 1,1 % des effluves de CO2 mondiales (370 millons de tonnes en 2012 pour un total mondial de 34,5 milliards de tonnes selon le PBL néerlandais), va enflammer la planète et qui les persuadent que rien n’est trop cher pour en réduire l’impact dévastateur. Comme si notre pauvre pays, peu industrieux, avait les moyens de s’offrir ce genre de fantaisies (ou foutaises, au choix) décarbonées.

Dans le cadre de cette mission urgente ,  j’ai essayé d’estimer un ordre de grandeur des quantités de CO2 qui seraient produites lors d’une opération de réforming catalytique de gaz naturel, en vue de la production d’hydrogène en quantité nécessaire pour alimenter un véhicule électrique à PAC pendant un an.

Le réforming catalytique:

C’est une opération de pétrochimie de routine, parfaitement maîtrisée qui permet à partir de produits hydrocarbonés gazeux ou liquides de produire de l’hydrogène, largement utilisé dans les opérations de raffinage  (valorisation,  désulfurisation) et de production d’engrais azotés comme l’urée ou le nitrate d’ammonium.

L’équation chimique classique (FIG., équation 1) synthétise deux réactions chimiques successives qui permettent d’obtenir 4 moles d’Hydrogène pour une mole de CO2.

Cette réaction étant endothermique, il est nécessaire d’apporter de l’énergie par la combustion partielle du gaz (FIG. équation 2) qui conduit industriellement à un bilan proche de l’équation 4 qui produit une mole de CO2 pour 3 moles d’hydrogène produites.

La PAC:

J’ai réalisé un calcul à partir d’une PAC, évacuant de la vapeur d’eau qui permettrait de délivrer 16 kW d’électricité, sous une tension unitaire de cellule de 0,9V, avec un rendement électrique proche de 72%. Cette puissance permet de faire rouler le véhicule routier à grande autonomie, à cent km à l’heure. J’exclus toute utilisation urbaine intempestive réservée aux véhicules électriques urbains classiques.

Ce calcul est résumé dans le Tableau ci-après (les valeurs surlignées concernent les paramètres indépendants que j’ai choisis) :

Avec ces hypothèses et pour un trajet annuel de 14000 kilomètres, il est possible d’estimer la consommation d’hydrogène annuelle à 93 kilogrammes et les émissions de CO2 par reforming aux environs de 700 kilogrammes par an et par véhicule. Ceci correspond aux émissions d’un véhicule émettant 50 grammes de CO2 au kilomètre, ce n’est pas si mal..

700 tonnes de CO2, indirectement émis annuellement pour 1000 véhicules électriques à PAC, il reste encore un long chemin à parcourir  pour atteindre les émissions de CO2 chinoises.

Mesdames et Messieurs les parlementaires hâtez-vous lentement avant de légiférer et de subventionner l’électrolyse de l’eau et de nombreuses éoliennes inutiles qui auraient en charge d’alimenter ces électrolyseurs « écologiques ». Il reste encore pas mal de gaz sous-terre, et peut-être même  dans notre sous-sol inexploré, pour produire économiquement et efficacement de l’hydrogène.

Soyez persuadés d’une vérité scientifique  simple:  même si vous arriviez à conduire la France vers des émissions anthropiques de CO2 quasi nulles, l’effet de cette prouesse spectaculaire ne réduirait pas d’un dixième de degré la température de l’air à Tombouctou ou à Palavas.

Demandez gentiment aux trois ou quatre grands émetteurs de CO2  dans le monde de se réunir simplement entre eux et de se concerter loin des kermesses climatiques pour tenter de limiter le flux annuel des  émissions mondiales de ce gaz à 40 milliards de tonnes. Ceci serait beaucoup plus efficace que les grand-messes  sur le climat ou chacun y va de sa promesse de faux-cul, persuadé que, comme les autres, il ne la tiendra pas.

Voir le papier précédent sur le sujet.

Le 25 Janvier 2014

 

 

 

Commentaires

18 réponses à “Emissions indirectes de CO2 d’une voiture électrique alimentée par une Pile à Combustible à l’Hydrogéne”

  1. Avatar de Tonton
    Tonton

    Les constructeurs automobiles ont un vrai problème pour attirer les jeunes générations vers leurs modèles, ils misent sur la technologie et l’environnement (pas vraiment compatible quand on connait l’intensité en métaux et énergie pour fabriquer les composants électroniques mais bref).

    Il faut aussi se rappeler que les voitures à hydrogène sont très gourmandes en énergie. David MacKay le montre brièvement.

    http://www.withouthotair.com/c20/page_129.shtml (ça commence en bas)

  2. Avatar de Raymond Bonnaterre
    Raymond Bonnaterre

    Tonton, tout à fait d’accord avec vous sur l’attrait des véhicules écolos, remplis de gadgets communicants, sur les nouvelles générations.
    Mais les faibles émissions indirectes de CO2, ici estimées, montrent que le rendement énergétique global n’est pas aussi nul que ça, malgré un rendement de PAC pas terrible et dont on utilise une partie de la chaleur pour évaporer l’eau produite. Les progrès dans la chaine de traction électrique qui verra apparaître la technologie des moteurs « dans la roue », l’allègement des véhicules, leur meilleure pénétration dans l’air, amélioreront le bilan énergétique et surtout leur autonomie.
    Les gens de Toyota misent sur ce créneau. Ils vivent dans le riche cluster japonais favorable aux innovations et ont toujours 10 ou 20 ans d’avance sur les autres.
    J’ai connu un temps, pas si lointain, où tous les constructeurs occidentaux maintenaient que l’hybridation façon Prius était de la foutaise. Et pourtant…les voila convertis et même licenciés pour certains.

  3. Avatar de BMD
    BMD

    Un rendement électrique de 75 %, où avez-vous trouvé çà?
    Si l’hydrogène est fabriqué par réformage du gaz naturel pour être utilisé dans une voiture à PEMFC, le rendement énergétique du puits à la roue est le même que celui d’une voiture utilisant directement le gaz naturel lui-même, donc aucun avantage CO2 si c’est cela que l’on recherche. Par contre la voiture à gaz existe, sera toujours énormément moins chère, et les infrastructures existent déjà dans beaucoup de pays.
    Si l’hydrogène est fabriqué par électrolyse à partir d’une électricité « décarbonée », le rendement énergétique du puits à la roue est 3 fois plus faible que celui d’une voiture électrique!
    Conclusion: la voiture à pile à combustible sera le fruit très coûteux de la civilisation du moulin à vent électrique, qui est en marche !

  4. Avatar de Raymond Bonnaterre
    Raymond Bonnaterre

    Et vous, où avez-vous trouvé ces 75% accusateurs? Dans « l’os à moelle »?

  5. Avatar de BMD
    BMD

    Vous avez raison, vous indiquez prendre un rendement électrique de 72% pour votre raisonnement, pas 75 %.

  6. Avatar de Tonton
    Tonton

    Je n’ai pas de doute que les voitures vont s’alléger, l’hybridation se généraliser, l’aide à la conduite optimiser les consommations et l’automatisation les renforcer. Toutefois ces progrès technologiques vont aider autant les véhicules thermiques que les voitures électriques ou équipées de PAC et il reste des progrès substantiels dans les motorisations classiques. Reste que si la production et la distribution d’électricité sont déjà réalisées (et bas carbone en plus en France) pour l’hydrogène elle sont en l’état inexistantes.

    Ensuite il est vrai qu’il faut s’intéresser non aux applications mais aux technologies. En l’occurrence la voiture à hydrogène utilise des bonbonnes en fibre de carbone (qui vont prendre du poids partout ailleurs dont on voit son utilisation dans l’aéronautique et désormais l’automobile), des piles à combustible (dans le résidentiel pour la production de chaleur et d’électricité comme on le voit au Japon avec des chiffres impressionnants de déploiement) et des batteries (dont l’usage ne peut qu’exploser) trois secteurs parmi lesquels les Japonais excellent. D’habitude confinés dans des sous-ensembles peu visibles, la démarche de Toyota (premier constructeur mondial) reflète non seulement la mise en avant de ses capacités mais celles de tout un pays, comme c’est le cas traditionnellement au Japon avec une fusion des intérêts public et privé. Les Coréens se sont d’ailleurs lancés dans le même créneau de démonstrateur technologique.

    On peut tout de même imaginer que dans l’ère du GNL qui s’annonce avec la création d’un véritable marché mondial du gaz naturel qui va faire de ce combustible la clé énergétique du XXIème siècle, des petits réformeurs convertissant localement du gaz, à partir d’un réseau en place, en hydrogène. (La question du réseau pose problème car le Japon étant très exposé aux tremblements de terre, les conduites enterrées sont défavorisées, le réseau électrique est d’ailleurs presque exclusivement aérien pour favoriser son remplacement rapide).

    Toutefois, effectivement, une voiture hybride électrique équipée d’un moteur diesel extrêmement efficace et de deux moteurs-roues sur le train arrière présente une solution plus économique pour atteindre les objectifs de un à deux litres aux cent kilomètres. Des batteries à grande densité alimentée en électricité… produite à partir de gaz naturel ce qui rend l’utilisation du gaz inévitable mais aussi plus intéressante en passant par le vecteur électrique. Mais même dans ce cas c’est Toyota qui montre la voie, avec un démonstrateur assez proche d’une version finale.

    http://www.technologicvehicles.com/fr/actualite-mobilite-verte/2559/video-iaa-2013-plus-de-details-sur-la-yaris-h

    Evidemment les Européens sont à côté de la plaque puisque si l’hydrogène est justifié uniquement pour les besoins de servir de tampon aux productions renouvelables cela revient boucher un gouffre financier en y jetant encore plus d’argent. Ce qui ne va pas manquer d’ajouter de nouveaux problèmes puisque en cas de manque d’hydrogène pour alimenter un parc conséquent de voitures à PAC, il faudra prévoir des moyens de « back-up » en production d’H2 ! Exactement comme les EnR et les nécessaires doublement de capacités de production électrique pour survenir aux faiblesses des renouvelables. Le problème du stockage se pose encore une nouvelle fois, le gaz ayant l’avantage de se stocker très facilement. C’est la question fondamentale. On se félicite des rendements des panneaux photovoltaïques en les comparant aux rendements des végétaux dans la nature sans prendre en compte le stockage chimique qu’il faut assurer avec le solaire en utilisant des batteries.

  7. Avatar de Raymond Bonnaterre
    Raymond Bonnaterre

    Tonton, Siemens vend des éoliennes offshore en Europe où il est leader. Son objectif est d’en vendre toujours plus dans un marché qui se sature (seule la France fait encore de gros appels d’offres dans cette technologie, l’usine Areva de Bremerhaven par exemple est en grave sous-charge http://www.windpoweroffshore.com/article/1228362/areva-confirms-bremerhaven-job-cuts). Alors pour ouvrir plus ce marché des éoliennes il faut trouver des astuces pour utiliser les excédents de productions inhérents à la variabilité de ces procédés au gré du vent.
    L’utilisation de l’électrolyse de l’eau pour absorber ces excès de production qui sont vendus aujourd’hui à des prix négatifs, est une option que se prépare à proposer Siemens qui travaille sur ce sujet avec E-On.
    Il ne faut pas y voir d’autres motivations, ce que nos parlementaires imaginent à tort dans leur phobie carbonique.
    Après s’être plantés dans la production des modules photovoltaïques, les industriels allemands vont se planter dans la production des éoliennes…ainsi va le greenbusiness subventionné.

  8. Avatar de Raymond Bonnaterre
    Raymond Bonnaterre

    à BMD, dans le tableau publié ici, le paramètre important est le choix de la tension de fonctionnement de la PAC que j’ai fixé raisonnablement à 0,9 Volt. C’est cette tension divisée par le potentiel de chaleur nulle, forme électrochimique de l’enthalpie de formation de l’eau sous forme de vapeur, qui détermine la part de chaleur et celle d’électricité et donc le rendement. Il apparait dans ce cas élevé parce la PAC est refroidie par la chaleur latente d’évaporation de l’eau. Si j’avais pris une formation d’eau liquide, l’enthalpie aurait été plus élevée, le rendement plus faible mais la valeur absolue de la puissance électrique aurait été la même et la suite du calcul aurait été inchangée. C’est la tension de fonctionnement de la PAC qui détermine le rendement global du système.

  9. Avatar de Tonton
    Tonton

    C’est certain qu’il y a des énormes intérêts industriels. Mais l’Energiewende est une croyance très forte en Allemagne qui a l’engagement de la majorité de la population. Romantisme allemand sûrement…

  10. Avatar de wawa

    Je ne peut que plusser le commentaire de bmd :

    l’utilisation de gaz naturel dans des véhicules thermique est plus rationelle que de vouloir le réformer en hydrogène et le passer dans une PAC. la seule innovation est de prévoir des reservoirs de plusieurs centaines de litre pour une autonomie suffisante ( à 200bar il faut a peut près 5l de bouteille pour egaler 1l d’essence). il en faut beaucoup plus pour l’hydrogène.

    quand à investir dans des electrolyseur pour faire de l’hydrogène, fut-ce a partir d’electricité eolienne fatale, là encore il y a plus rationnel.

  11. Avatar de Raymond Bonnaterre
    Raymond Bonnaterre

    Quelques données simples pour la compréhension du débat:
    tension d’électrolyse industrielle de l’eau: entre 1,6 et 1,8 Volt.
    tension d’une PAC utilisant l’hydrogène formé pour produire de l’électricité: entre 0,8 et 0,9Volt.
    Le rapport entre les deux n’est pas loin des 50% et cohérent avec des rendements de 70% à l’aller et 70% au retour.
    Formidable boucle à la mode dite « power to gas » à gaspiller de l’énergie et donc de l’argent public pour la subventionner.
    Le domaine du possible ou celui de notre imagination ne se calque pas toujours à celui du faisable, à moins de convaincre (voila l’idéologie) ses contemporains de ne pas compter et de subventionner tout ce qui bouge….mais l’expérience nous apprend que cela ne dure qu’un temps.
    La fin des tarifs préférentiels, payés in-fine par le consommateur ou le contribuable, annoncerait la fin rapide et la mise au placard de bien des nombreux mirages « possibles » dans ce domaine de l’énergie.
    Sur le papier, il est possible d’alimenter un réseau électrique par les seules énergies renouvelables intermittentes grâce à divers dispositifs de stockage plus ou moins complexes, mais aujourd’hui ou dans un avenir prévisible ce n’est pas faisable dans des conditions économiques acceptables. Par contre il est faisable, grâce aux aides publiques ou aux majorations de tarifs, de générer 20% de l’énergie électrique à l’aide du vent et du soleil.

  12. Avatar de BMD
    BMD

    Sur le site de la Fondation Ecologie d’Avenir de Claude Allègre se trouve une intéressante vidéo du Directeur Scientifique de GDF/Suez sur le Power-to-Gas. Intéressante sur le plan technique, mais aussi parce qu’il y est dit qu’il s’agit d »exploiter les bas prix de l’électricité, parfois négatifs, qui résultent sur le marché de gros de l’écoulement de la surproduction d’électricité éolienne, à coût marginal nul, par vent fort.
    En somme, le Power-to-Gas, c’est la moisissure sur le fromage!
    C’est aussi, étant donné le mauvais rendement global du système, si l’on prend en compte toutes ses composantes (voilà un bon sujet de post pour RB) la multiplication des moulins à vent électriques un peu partout si se maintient le système actuel de subventions de l’éolien, payé in fine par les consommateurs, surtout Allemands et Danois pour l’instant, un peu moins par les Espagnols depuis que le grand ménage a commencé chez eux.

  13. Avatar de plasma

    Soyez persuadés d’une vérité scientifique simple: même si vous arriviez à conduire la France vers des émissions anthropiques de CO2 quasi nulles, l’effet de cette prouesse spectaculaire ne réduirait pas d’un dixième de degré la température de l’air à Tombouctou ou à Palavas.

  14. Avatar de Ray
    Ray

    Voir un exemple de prototype avec le système Helion d’AREVA qui vient de faire l’objet d’un accord avec Schneider.
    Les subventions étatiques, à ne pas manquer, doivent chauffer
    http://www.areva.com/EN/operations-4501/the-greenergy-box.html

  15. Avatar de Raymond Bonnaterre
    Raymond Bonnaterre

    Voir les applications possibles du procédé « power to gas » sur le site de Mac Phy Energy.
    http://www.mcphy.com/fr/marches/power-to-gas/

  16. Avatar de Tonton
    Tonton

    McPhy est une très belle entreprise qui a un avenir florissant.

    Pour un bon point de vue d’ensemble, voir la présentation de Jean-Marie Tarascon sur l’hydrogène.

    http://www.college-de-france.fr/site/jean-marie-tarascon/course-2011-02-23-17h00.htm

    http://www.college-de-france.fr/media/jean-marie-tarascon/UPL58650_hydrogenecollege.pdf (64 – tableau résumé récapitulatif)

  17. Avatar de Raymond Bonnaterre
    Raymond Bonnaterre

    Tonton, choisir la molécule la plus stable de notre monde pour en extraire l’hydrogène ne me semble pas être un optimum énergétique même si la ressource qu’est l’eau est abondante et les éoliennes parfois folles.
    L’abondance actuelle des ressources de gaz naturel rend le procédé électrolytique économiquement hors jeu.
    A réserver aux civilisations riches et précautionneuses atteintes de phobie carbonique collective grave et dont les dirigeants sont prolifiques en subventions généreuses.

  18. Avatar de Raymond Bonnaterre
    Raymond Bonnaterre

    Je vois que les dirigeants chinois et Obama lisent le blog énergie. Ils ont décidé de discuter en tête-à-tête de leurs émissions de CO2.
    C’est un premier pas d’une longue marche.

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