Terminologie et choses à savoir
Définitions :
GES : Gaz à effet de serre
VTH : Véhicule thermique
VEB : Véhicule électrique à batterie (BEV en anglais)
VEH : Véhicule électrique à hydrogène (FCEV en anglais)
PAC : Pile à combustible (explication plus bas)
Le Watt heure (Wh) est une unité représentant une quantité d'énergie.
Le Hertz (Hz) est une unité représentant une fréquence.
Le CO₂e : Cette unité est utilisé pour comparer les GES entre eux, elle correspond à la quantité émise de CO₂ qui provoquerait le même forçage radiatif, pour un horizon temporel donné.
Hydrogène : L'hydrogène est le plus petit et le plus léger élément chimique, son numéro atomique est 1 et son symbole H. Les PAC utilisent du dihydrogène de symbole H₂ pour fonctionner mais par abus de langage, dans ce document, comme dans beaucoup d'autres endroits, nous utiliserons le terme hydrogène pour le qualifier.
Décarbonation : désigne l’ensemble des mesures et techniques mises en place en vue de limiter l’empreinte carbone d’une entreprise, d’un secteur d’activité, d’un pays ou d’une économie, d'un procédé, etc...
Rendement : Rapport de l'énergie utile d'un système par l'énergie qui lui a été fourni.
Vecteur énergétique : moyen permettant de transporter de l'énergie d'un endroit à un autre.
Concept :
L'équilibre du réseau électrique : Le réseau électrique est constamment sous surveillance car il est nécessaire que la production d'électricité soit en tout temps égale à la consommation de celle-ci. C'est une contrainte technique qui doit absolument être respectée sous peine d'un crash généralisé du réseau. Cet équilibre est représenté par la vitesse de rotation des générateurs électriques et ne doit pas dépasser les 50 Hz.
Chiffres et Ordres de grandeur :
Pour produire 1 kg d'hydrogène par électrolyse et ainsi pouvoir rouler environ 100 km en Hyundai Nexo (1 873 kg), il vous faut 9 L d'eau et 52 kWh d'électricité. Cette énergie peut être produite en
1 heure par 250 m² de panneaux solaires en plein soleil, par 170 de vos amis bien motivés à pédaler pour vous, ou bien en vidant complètement une batterie de Renault ZOE (1 468 kg) qui a une autonomie de 390 km. (détail des calculs disponible plus bas)
Comment produire de l'hydrogène ?
Un électrolyseur permet de convertir de l'énergie électrique en énergie chimique, on change de vecteur énergétique. En faisant passer un courant électrique entre une anode et une cathode dans l'eau, cela a pour effet de casser les molécules d'eau H₂O pour récupérer du dihydrogène H₂ et du dioxygène 0₂. Il faut 9 litre d'eau et 52 kWh d'électricité pour produire 1 kg de dihydrogène. Avec de l'électricité bas carbone (éolienne / nucléaire)
1 kg H₂ équivaut à 1 à 2 kg de CO₂e émis.
Équation bilan : 2 H₂O (liquide) → 2 H₂ (gaz) + O₂ (gaz)
Cette méthode ce fait en deux temps, le premier mélange du méthane et de l'eau à haute température (800° C), une partie du méthane est brulé dans la réaction, pour produit un gaz de synthèse. Pour récupérer de l'hydrogène pur il faut une seconde étape pour faire réagir le monoxyde de carbone de ce gaz avec de l'eau. Le CO₂ alors produit est relâché dans l'atmosphère. Avec technique, produire 1 kg d'H₂ émet 13 ± 2 kg de CO₂e.
Équation bilan : CH₄ + 2 H₂0 → CO₂ + 4 H₂
Comme la méthode précédente, cette réaction à lieu à haute température, une partie du charbon sert à obtenir la chaleur, pour produire un gaz contenant du monoxyde de carbone. Puis celui-ci réagit avec de l'eau comme sur le schéma précédent pour produire du CO₂ qui est relâché et de l'H₂ pur. Ce procédé est moins efficace que le précédent comme le montre l'équation bilan, 1 kg d'H₂ émet 22,5 ± 7,5 kg de CO₂e.
Équation bilan : C + 2 H₂O → CO₂ + 2 H₂
Comment produire de l'électricité à partir d'hydrogène ?
La pile à combustible (PAC), permet de convertir de l’énergie chimique en énergie électrique, en chaleur et en eau. Le cœur d’une PAC est constitué de trois éléments, dont deux électrodes : une anode oxydante (émettrice d’électrons) et une cathode réductrice (collectrice d’électrons) séparées par un électrolyte. L’électrolyte conduit d’une électrode à l’autre des molécules ionisées et fait barrage aux électrons ce qui les obligent à passer par le circuit extérieur de la pile où leur énergie est exploitée.
Détails de nos calculs
Cette parite contient le détail de quelques calculs que nous avons fait qui permettent de nous donner des ordres de grandeur.
Dans "Terminologie" :
"Pour produire 1 kg d'hydrogène par électrolyse et ainsi pouvoir rouler environ 100 km en Hyundai Nexo (1 873 kg), il vous faut 9 L d'eau et 52 kWh d'électricité. Cette énergie peut être produite en
1 heure par 250 m² de panneaux solaires en plein soleil, par 170 de vos amis bien motivés à pédaler pour vous, ou bien en vidant complètement une batterie de Renault ZOE (1 468 kg) qui a une autonomie de 390 km."
Données :
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Produire 1 kg d'H₂ par électrolyse nécessite 52 kWh d’électricité.
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1,8 m² de panneaux photovoltaïque a une puissance d'environ 375 Wc (watts-crête) ¹ ² ³
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Une personne normale avec un entraînement moyen peut délivrer jusqu’à 300 W sur un vélo, on considère qu'il peut maintenir cet effort pendant 1 heure.
375 W pendant 1 heure = 375 Wh
1,8 × 52 . 10³ / 375 = 249,6 ≃ 250 m²
300 W.pers pendant 1 heure = 300 Wh.pers
52 . 10³ / 300 = 173,33 ≃ 170 personnes
Dans "Arguments" :
"D'après nos calculs, qui permettent d'avoir un ordre de grandeur, pour faire rouler les 38,2 millions de voitures en France pendant 1 an, il faudrait 260 TWh d'électricité pour produire par électrolyse tout l'hydrogène nécessaire. Ce qui représente 52% de la production électrique française de 2020 ou alors 22 EPR en fonctionnement pendant 1 an. En considérant que les voitures électriques sont environ 3 fois plus efficaces énergétiquement, elles ne demanderaient "que" 8 EPR."
Hypothèses :
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L'hydrogène est produit sur son lieux de consommation, on ne prend pas en compte l'énergie nécessaire à son transport.
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On néglige l'énergie nécessaire à la compression de l'hydrogène dans les réservoirs.
Données :
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Produire 1 kg d'H₂ nécessite 52 kWh d’électricité.
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Il y a 38,2 . 10⁶ voitures en France.
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Une voiture parcoure en moyenne 13 117 km par an.
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Un réacteur nucléaire type nouveau EPR de Flamanville produit 12 TWh d'électricité par an.
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La France a produit 500 TWh d’électricité en 2020.
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Le rendement énergétique des VEB est de 70% contre 23% pour les VEH, on prendra 25% en considérant que celui-ci s'améliorera si le marché se développe.
13 117 × 38,2 . 10⁶ = 5 . 10¹¹ km.an⁻¹
5 . 10¹¹ / 100 = 5 . 10⁹ kgH₂.an⁻¹
5 . 10⁹ × 52 . 10³ = 2,6 . 10¹⁴ Wh.an⁻¹ = 260 TWh.an⁻¹
260 / 12 = 21,67 ≃ 22 EPR Il faut 22 EPR pour faire rouler toutes les voitures de France pendant 1 an si
elles étaient toutes à hydrogène...
( 260 / 500 ) × 100 = 52 % ...Cela représente 52 % de la production électrique française.
70 / 25 = 2,8 Les VEB sont 2,8 fois plus efficace énergétiquement que les VEH.
260 / 2,8 ≃ 93 TWh.an⁻¹ (ordre de grandeur confirmé par cette vidéo sortie quelques semaines après
la publication de notre site)
93 / 12 = 7,75 ≃ 8 EPR Il faut 8 EPR pour faire rouler toutes les voitures de France pendant 1 an si
elles étaient toutes à batteries...
( 93 / 500 ) × 100 = 18,6 % ...Cela représente 18,6 % de la production électrique française.