Electrique > Différence de rendement entre électrique et thermique 16/12/2021

Rendement de la voiture électrique comparé à la voiture thermique ?


 

Souvent mise de côté et peu prise en considération, la comparaison du rendement entre voiture électrique et voiture thermique n'est pas aussi caricaturale qu'on pourrait le penser ... En effet, les choses sont généralement exposées de manières grossières et simplistes, avec d'un côté 90% pour le moteur électrique et 40% pour le moteur thermique.
Si on s'arrête là, alors le moteur thermique paraît archaïque et dépassé (ce qui est en partie vrai ne nous mentons pas). Nous allons toutefois voir que ce niveau de comparaison est totalement faux et biaisé. Et pour mettre les choses sur un pied d'égalité, nous allons partir la comparaison depuis le baril de pétrole, ou plutôt juste après qu'il ait été raffiné (qu'on ait extrait l'essence et le fioul (= diesel).


Rendement du moteur thermique (20 à 42%) ?


Il y a hélas tout un tas de technologies différentes qui influent sur les chiffres du rendement. Nous allons cependant nous limiter aux principaux : essence (36%) et diesel (42%).
Le rendement est ici un terme incomplet, car pour être précis on va parler de rendement mécanique ... En réalité le rendement de tout carburant est de 100% ! En effet, rien n'apparaît ou ne disparaît, tout se transforme. Les 36% qui nous restent sur un moteur essence consistent à dire que sur les 100% d'énergie contenue dans le carburant, 36% vont induire le mouvement de mes roues, le reste sera perdu en chaleur (50% dans la matière du moteur et 50% à l'échappement), dans les frottements divers et l'inertie des pièces (moteur et transmission).


Précisons aussi qu'il s'agit du rendement maximal, à savoir quand le moteur est sur sa plage de régime optimale : là où il offre le maximum de couple à un régime le plus faible possible, car plus on monte dans les tours plus la fréquence d'injections (nombre d'injections de carburant par période) est importante = consommation supérieure et baisse du rendement.
Ce rendement maximal n'est atteint que rarement, et il faut alors plutôt tabler à un rendement moyen de 20% en utilisation réelle. Notez que les transmissions CVT favorisent un peu plus le rendement du moteur car ce n'est pas le moteur qui varie de régime à chaque changement de rapport, mais c'est plutôt la transmission qui varie (le moteur restant sur son régime optimal en pleine charge).
Le rendement réel en utilisation serait alors plutôt proche des 20% (Wikipedia parle de 15%, mais cela concerne la conduite dans les milieux les moins favorables, à savoir la ville), sachant que cela variera selon le conducteur et
Le rendement maximal du moteur thermique est alors ici rogné d'environ de moitié si on se réfère aux 36 et 42% des rendements précisés plus haut.
Quand il fait froid le rendement est un peu meilleur (sauf moteur froid qui vient de démarrer) car l'air est plus dense (air plus dense = + de comburant = meilleur remplissage des cylindres). En revanche la pénétration dans l'air est plus difficile, forcément.


Dans cet exemple nous allons prendre 100 kWh de gazole, à savoir 9.3 litres.

Le rendement maximal sera de 100 X 0.42 = 42 kWh (42%)
Le rendement réel à l'utilisation (varie beaucoup, c'est donc un peu bancal et imprécis) sera de 100 X 0.2 = 20 kWh (20%)

Quoi qu'il en soit, si mon auto consomme 5 litres aux 100 km, ce qui est assez raisonnable avec un moteur diesel de calibre standard et moyen (150 ch), je pourrai rouler 186 km avec 9.3 litres de gazole (100 kWh).
Si je pousse à 7.5 litres alors ce sera plutôt 124 km.
En conduite sportive à 9.5 litres (il faut vraiment y aller) alors 98 km.

Rendement voiture électrique (27% ?)

Ici le rendement ne se limite pas au moteur, comme c'est le cas avec la voiture thermique.


Considérons ici que ma centrale va être alimentée par 9.3 litres de gazole, à savoir 100 kWh (pour comparer avec les 100 kWh de carburant de ma voiture thermique). Je préfère rester réaliste et ne pas imaginer que mon auto soit alimentée par du renouvelable, encore trop anecdotique aujourd'hui (ce qui devrait changer d'ici 2050 si bien entendu le mode de vie occidental n'a pas disparu, ce qui n'est pas aussi absurde que vous ne le pensez en lisant ces lignes ... L'histoire a été pleine de surprises et les plus grosses semblent être juste devant nous. Mais passons ..).

La première chose à faire va être de convertir de carburant fossile en électricité. Je vais alors disposer d'un moteur thermique au rendement de 45% (le maxi est à 50% avec le fioul lourd mais faisons une moyenne générale, avec un chiffre plutôt optimiste de 45% de rendement moteur. Sachez aussi que le rendement des centrales à charbon modernes est bien meilleur qu'avant, approchant presque les centrales à fioul). Ce moteur au rendement de 45% va faire tourner une génératrice électrique au rendement de 90%, et donc au global la transformation de mon carburant en électricité va prendre environ 60% de mon énergie initiale contenue dans le carburant.
Mes 100 kWh sont alors réduits à 40 kWh.

Ces 40 kWh vont être distribués par des lignes électriques sur lesquelles il y a des transformateurs. La perte s'élève alors à environ 10%, pas moins ...
Mes 40 kWh sont alors réduits à 36 kW quand ils arrivent chez moi.


De la prise à ma voiture, la perte va être de 5 à 15% (certains ont parfois constaté un peu plus), avec une moyenne qui me paraît plutôt se situer aux alentours de 12%.
Mes 36 kWh sont alors réduits à 31.7 kWh quand ils passent de ma prise à ma batterie lithium.
Mon rendement est alors de 31.7% sachant qu'il n'y a pas de différence entre rendement maximal et rendement réel contrairement au thermique (sauf sur autoroute ! L'électrique voit son rendement chuter en raison du surrégime couplé aux pertes du retour de force électromotrice: back EMF).


Reste maintenant à alimenter mon moteur électrique dont le rendement se situe clairement vers les 93% (ce chiffre me paraît raisonnable si on prend en compte que la majorité des moteurs électriques sont synchrones à aimant permanent), sachant que cela chute drastiquement à partir d'une certaine vitesse ( comme je l'ai déjà dit : retour de force électromagnétique [back EMF] lié au rotor à aimant permanent qui génère à son tour du courant dans le stator, ce qui produit une contre force qui freine le mouvement ... Un moteur électrique ne va donc pas plus vite en descente contrairement à une thermique, une fois la vitesse maximale atteinte on est bridé et même freiné si on nous pousse).
A cela s'ajoute les pertes à la batterie, à la fois avec l'effet Joule mais aussi la perte côté chimie (toute transformation de l'énergie induit des pertes). Sachez que le rendement énergétique de la batterie dépend aussi de sa vitesse de charge ... Une batterie qui a été chargée rapidement avec une puissance élevée en kW offrira un peu moins d'énergie en sortie.

On a alors au bas mot 15% de perte, ce qui mène alors à une énergie réduite à 27 kWh, à savoir un rendement mécanique de 27%

A lire : Combien de perte lors des recharges ?

Si j'ai une voiture qui consomme 15 kWh aux 100 km (ce qui représente une éco conduite très appliquée à des vitesses inférieures à 90 km/h), alors j'aurai 180 km d'autonomie.
Si je consomme 20 kWh aux 100 km (une conduite qui reste sans excès et en évitant les 130 km/h sur autoroute) je serai à 135 km.
Si je consomme 25 kWh aux 100 km (conduite sur autoroute à 130 km/h chargé avec une température entre deux) je serai à 108 km.
Pour ma part je suis à 21 kWh de moyenne sur une Model 3 Performance utilisée majoritairement sous des températures favorables, et cela inclut la récupération d'énergie ! Le rendement est donc encore inférieur sans ce paramètre ...
Enfin, en conduite sportive on pourra tabler facilement et raisonnablement sur 50 kWh/100 km, à savoir 54 km. Remorquer consiste aussi à réduire l'autonomie par deux (et ce malgré une conduite éco) ... La variation de consommation sur une électrique peut être gigantesque, croyez-moi sur parole.
Bien entendu, vous pouvez ajouter environ 20% de consommation en plus en hiver, sauf en conduite sportive puisqu'elle induit un échauffement de la batterie rapide (vecteur de meilleure autonomie).

Conclusion ?

Si mes voitures thermiques et électriques tournent avec du carburant fossile (qui est encore majoritairement le cas), il semble encore préférable de l'injecter directement dans la voiture thermique plutôt que d'alimenter une centrale qui va ensuite acheminer l'électricité avec des pertes très importantes entre cette dernière et la finalité : à savoir le moteur électrique de votre voiture. Il faut aussi bien assimiler que face à l'effort (ou dans le froid), l'électrique perd beaucoup de plumes ... Le bilan va donc d'autant plus en faveur du thermique si vos besoins s'orientent vers de la prise de poids régulière (enfants, bagages) ou si les vitesses moyennes sont élevées (autoroute).
De plus, le moteur diesel reste le meilleur si on considère le CO2, l'essence étant nettement moins favorable (mis à part à l'éthanol) il faut l'avouer (la suralimentation couplée à l'injection directe haute pression réduit un peu la casse mais de peu).
Le bilan peut toutefois largement être inversé si l'énergie provient d'une autre source comme le solaire par exemple, mais il faudra alors déduire l'énergie qu'il a fallu pour produire et distribuer les panneaux solaires. Et sans en faire la démonstration, et d'après ce que j'en sais, le bilan serait alors nettement plus positif pour la voiture électrique. En attendant cela ne reste qu' à l'état de théorie, car il faudrait un volume colossal (et même vertigineux !) de panneaux pour remplacer les énergies fossiles.







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Dernier commentaire posté :


Par anonyme971 (Date : 2021-12-30 14:34:49)

Bonjour,

Le sujet est très intéressant et l'article très bien écrit de votre part.
Je vous félicite.
Il serait intéressant de pousser la réflexion en considérant que l'électricité serait produite par des centrales nucléaires.
Même si ça induit d'autres difficultés notamment gestion des déchets radioactif etc...

Il y a 1 réaction(s) sur ce commentaire :

  • Par Admin ADMINISTRATEUR DU SITE (2022-01-02 09:47:52) : Merci beaucoup.
    Il faudrait surtout que le bilan intègre les 20% d'énergie non carbonée. Car ici je fais comme si l'électrique s'abreuvait à 100% par des centrales à énergie fossile.
    Et du coup pour la France, et le nucléaire (pour revenir à votre propos), c'est encore plus bas ...

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Suite des 3 commentaires :

Par (Date : 2021-12-15 22:41:05)


Bonjour,
Bravo pour la qualité de cette approche. De par ma formation c'est un domaine sur lequel je suis plutôt apte à me prononcer or les chausses-trappes sur un tel sujet sont nombreuses ; il n'y a à mon sens rien à redire au déroulé de votre démonstration.
De plus, exposée de façon parfaitement didactique et avec une qualité d'écriture remarquable. Ce sont d'ailleurs deux constantes des articles de ce site qui font que je le consulte de plus en plus régulièrement.
Sans rien retirer à ce qui a été développé, je fais juste part d'un point qui à mon avis mériterait d'être évoqué, car : pourquoi 40% de rendement, pour une voiture (45 pour une centrale électrique) et pas plus ? (n'est ce pas après tout ? car on aime croire à la marche irrésistible du progrès). Dire qu'il y a là un "plafond de verre", une loi définitive de la nature, une loi physique, permettrait de pointer le fait que si tant est qu'on puisse encore espérer une échappatoire, ça ne sera pas de ce côté que viendra la solution.
Et puis peut-être cet autre élément de comparaison thermique/électrique (en restant dans le cas d'une électricité "fossile") : à égalité il me semble avec la question de l'efficacité énergétique il y a celle de la santé-publique. Or il est infiniment plus facile et efficace de dépolluer une centrale que la multitude de petits émetteurs que sont nos moteurs divers, voitures, tondeuses, tronçonneuses etc etc.
Deux remarques donc, mais surtout et encore, bravo (et merci)


Il y a 1 réaction(s) sur ce commentaire :

  • Par Admin ADMINISTRATEUR DU SITE (2021-12-16 11:08:32) : Merci c'est très gentil.
    Je sens que certains sont emballés par certains de mes articles car ils y retrouvent leurs propres idées, pas forcément relayées sur d'autres médias.
    En revanche je ne suis pas aussi emballé que vous concernant ma maitrise du Français, mais encore une fois c'est très gentil à vous ;-)

    Les centrales sont plus pointues et ont des machines qui n'ont pas besoin d'être mobiles (elles peuvent donc être alourdies et optimisées pour le rendement). Le niveau de technicité n'est aussi pas le même entre un moteur de central et celui d'une voiture destiné à être vendu à des prix moindres.
    Le rendement des 50% n'est pas vraiment dépassable, car cela reviendrait à pouvoir générer des combustion sans chaleur ... Et même en s'appelant David Coperfield, il me semble impossible d'arriver à ce résultat (la combustion induit irrémédiablement de la chaleur, contrairement aux voitures électriques qui pourraient, EN THEORIE, ne plus avoir de résistance avec la supraconductivité : plus aucun effet Joule. Je vous invite à écouter Bobroff, un spécialiste que j'ai regardé des heures et des heures ces dernières années).

    Il ne faut donc pas confondre progrès et limites de la physique. Dépasser la vitesse de la lumière est par exemple impossible, cela reviendrait à voyager dans le passé. Oui il y a des plafonds de verre, et si il n'y en avait pas il serait impossible qu'il y ait des lois de la physique, qui justement légifèrent et mettent des bornes sur ce qui est possible et impossible.

    Maintenant je suis d'accord, mieux vaut une centrale bien optimisée et surveillée que des millions de moteurs mal entretenus et dispersés ...

    Encore merci à vous.

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Par Saxophone TOP CONTRIBUTEUR (Date : 2021-12-14 16:25:51)


M l'administrateur (webmaster):Vous avez parfaitement compris et expliqué l'aberration de la promotion des véhicules électriques utilisés dans les pays où l'électricité produite est "carbonnée". Et sans même parler de la surproduction de CO2 générée par la fabrication du véhicule électrique et son transport sur 1/2 périmètre de la terre ! Les valeurs données m'apparaissent tout à fait fiables.

Par analogie c'est comme utiliser une tronçonneuse ou un taille haie électrique par exemple,alimentés par un groupe électrogène à essence avec une rallonge électrique de 10m, alors que l'on est à moins de 50m d'une prise secteur 230v. Ou on pourrait mettre cette rallonge de 50m de bonne section). Très mauvais rendement énergétique.
Autant avoir des outils de jardinage thermiques.(je ne prends pas en considération le poids de l'appareil dans l'usage /fatigue de l'utilisateur, ni la gène du fil.)

Je le fais pour faire tourner de temps en temps mon groupe électrogène 3kw, sinon il ne tournerait qu'en moyenne 2 à 3 heures par hiver seulement en raison de coupures secteur pour alimenter congélateur, réfrigérateur, portail électrique et brûleur de chaudière Fioul.

Et 3h de fonctionnement et faire une vidange d'huile tous les 2 ans!... c'est trop peu d'usage pour moi. Donc, je le fais tourner 8h/an avec de l'essence fraîche (faible quantité dans le réservoir) des outils électriques branchés dessus en fonctionnement et je fais la vidange d'huile tous les 2 ans.
Pas très écologique tout ça de ma part, je vous l'avoue...


Il y a 3 réaction(s) sur ce commentaire :

  • Par Ray Kourgarou TOP CONTRIBUTEUR (2021-12-15 12:43:47) : Excellente comparaison/analogie !
  • Par Admin ADMINISTRATEUR DU SITE (2021-12-15 14:50:59) : J'ai bêtement oublié de mentionner l'excès d'énergie nécessaire à la fabrication en conclusion ... Je vais le faire.

    Votre analogie est très bonne. Mais j'aurais plutôt comparé l'utilisation d'une tronçonneuse thermique à celle d'une tronçonneuse électrique que je ferais marcher avec un groupe électrogène ;-) Mieux vaut directement mettre le carburant dans la thermique plutôt que de passer par un dispositif intermédiaire (groupe élec.) qui vient prendre de l'énergie en plus (transformation du carburant en mouvement, transformation du mouvement en électricité et injection de l'électricité dans la tronçonneuse.

    En revanche je ne veux pas tomber dans le piège de l'anti-électrique, car on ne peut pas non plus dire que c'est une totale aberration ... Alimenter ma voiture électrique au solaire est bien plus aisé qu'avec ma thermique (bien que la betterave [éthanol] soit du solaire finalement, et donc du renouvelable .. Mais ça émet plus de CO2 que des panneaux solaires a priori).
  • Par Saxophone TOP CONTRIBUTEUR (2021-12-15 16:55:33) : Ma tronçonneuse thermique (écho moteur 2 temps stratifié) ne sert que pour de l'abattage d'arbres dans un bois ou pour couper de grosses section à la maison.

    Bien plus bruyante que le groupe électrogène 4 temps Honda GHV 200 avec un gros silencieux, et une tronçonneuse Bosch électrique, j'évite de m'en servir à domicile pour ne pas trop déranger les voisins.

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