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La dépense énergétique dans les transports

Dossier - L'énergie sous toutes ses formes
DossierClassé sous :énergie , physique , énergie humaine

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L’énergie baigne notre monde, omniprésente dans notre quotidien et dans le débat public. Sans elle, pas un mouvement, pas de vie. Quelles énergies pour demain ? Quel impact sur le climat ? Quels défis techniques, quels risques ? Voici quelques éléments de réponse.

  
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Les déplacements sont un poste important de notre facture énergétique. En France, la part des transports dans la consommation énergétique finale s'élève à 32 %, bien au-dessus de celle de l'industrie (21 %). Sur les 25 km de déplacements quotidiens locaux d'un Français moyen, 16 km sont parcourus en voiture, 2 km en transports en commun, 0,7 km à vélo et 5,6 km à pied.

L'énergie sur les routes. © Athena24, Pixabay, DP

La voiture

Il faut fournir de l'énergie pour accélérer une voiture. L'énergie nécessaire pour atteindre une vitesse donnée est proportionnelle à la masse de la voiture et à sa vitesse au carré. Ainsi, il faut quatre fois plus d'énergie pour atteindre 100 km/h que pour atteindre 50 km/h. Accélérer de 0 à 100 km/h demande autant de carburant que de parcourir 1 km sur autoroute, ou que 15 km en train ! Un train est en effet comparativement lourd mais relativement économe une fois en mouvement.

Lancée à vitesse constante, une voiture doit combattre une certaine résistance. Le rôle du moteur est de fournir à la voiture exactement la force qu'il faut pour vaincre cette résistance. C'est donc précisément cette résistance qui détermine la consommation de carburant. Elle est liée à deux phénomènes : la résistance au roulement, presque entièrement causée par la déformation des pneus sur la route, et la résistance de l’air, ou traînée, qui dépend de l'aérodynamisme du véhicule.

La résistance ressentie par une voiture augmente énormément à grande vitesse, à cause de l’augmentation rapide de la résistance de l’air (courbe de droite). C’est ce qui explique l’augmentation de la consommation à grande vitesse. © EDP Sciences

La figure ci-dessus compare ces deux effets dans le cas d'une voiture de taille moyenne. À basse vitesse, la résistance au roulement domine. Dans ce cas, il vaut clairement mieux avoir une voiture légère qui consommera moins d'énergie pendant les nombreux cycles d'arrêt-redémarrage. Sur autoroute, la résistance de l'air prédomine. On préférera une voiture basse et étroite, à faible surface frontale. L'aérodynamisme est alors essentiel. Et comme la résistance de l'air augmente avec le carré de la vitesse, conduire vite augmente sensiblement la consommation.

La voiture hybride utilise deux moteurs pour augmenter le rendement -- un moteur thermique ordinaire et un moteur électrique. L'énergie provient exclusivement d'essence ou de diesel : tout ce que fait la technologie hybride, c'est d'utiliser cette énergie plus efficacement que dans une voiture ordinaire. C'est une bonne solution pour les trajets urbains.

La Toyota Prius est un exemple d'automobile hybride essence-électricité. © Chris73, CC by-sa 3.0

La voiture tout électrique n'est aujourd'hui envisageable que pour les courtes distances, puisque les performances des batteries actuelles ne permettent pas d'embarquer assez d'énergie. Leur autonomie suffit toutefois à la plupart des trajets domicile-bureau. Si la technologie des batteries progresse, on peut penser que les voitures électriques finiront par parcourir des distances comparables à celles couvertes par les voitures thermiques actuelles.

Le bus et le train

Pour les trajets longs, un bus plein est trois fois plus efficace qu'une voiture. En ville, lorsque de nombreux arrêts s'imposent, bus et voitures sont relativement comparables.

Pourvu qu'il soit équipé d'un moteur, un bus plein est trois fois plus efficace qu'une voiture. © Pierre Manil, DR

Les trains subissent une résistance de l'air supérieure à celle des voitures, mais ils transportent bien plus de passagers. Du fait de leurs roues métalliques et des rails en acier, les trains ont aussi un coefficient de résistance au roulement bien plus petit et sont donc particulièrement compétitifs.

À grande vitesse toutefois, les trains sont condamnés à être inefficaces énergétiquement : la résistance de l'air augmente avec le carré de la vitesse. Rouler deux fois plus vite demande donc quatre fois plus d'énergie. La résistance au roulement devient négligeable à partir de vitesses autour de 300 km/h. En pratique, un TGV consomme à peu près cinq fois plus d'énergie qu'un train grande ligne ordinaire. Heureusement, le taux d'occupation élevé des TGV améliore leur efficacité par passager. N'oublions pas qu'un TGV fonctionne avec de l'électricité et pas du carburant fossile.

L'avion

L'avion est à peu près aussi efficace qu'une voiture à moitié pleine. Cependant, certains facteurs comme le fret compliquent la comparaison. Beaucoup d'avions transportent bien plus de fret que les simples bagages des passagers. Leur efficacité totale est donc difficile à évaluer avec précision.

Efficacité énergétique en nombre de passagers-kilomètre par litre de carburant, pour un taux de remplissage de 100 % sur une longue distance. Pour les véhicules électriques, on suppose que l’électricité est produite dans une centrale au pétrole. Dans le cas du vélo, c’est l’équivalent énergétique en litres de pétrole de la nourriture qui est indiqué. © EDP Sciences

Le vélo

Le vélo est le grand gagnant quand on regarde la quantité d'énergie dépensée par kilogramme de masse transportée et par unité de distance. Contrairement à la marche, le centre de gravité du cycliste reste fixe. Le coefficient de résistance au roulement est très semblable à celui d'une voiture. Le coefficient de résistance de l'air varie beaucoup d'un cas à l'autre, suivant la position du cycliste. L'aérodynamisme est donc essentiel pour atteindre une vitesse élevée.