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Info ou infox: “l’avion est-il un moyen de transport efficace?”

Info ou infox: “l’avion est-il un moyen de transport efficace?”

By on Fév 16, 2021

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Dans le débat train vs avion il est souvent mis en avant l’efficacité exceptionnelle du transport ferroviaire face au gâchis énergétique que serait le transport aérien. Certains plaident l’évidence car « le train n’a pas besoin de dépenser de l’énergie pour voler ». C’est un peu comme si vous disiez que les oiseaux sont peu performants face aux animaux terrestres car il doivent se maintenir en l’air (que ça soit en distance ou en vitesse, les oiseaux n’ont pas d’équivalents en performance dans le règne animal). 

Quelle énergie doit-on fournir pour faire avancer un train, une voiture ou un avion?

Afin de maintenir une vitesse constante, il faut que le moyen de transport fournisse une force égale à la totalité des forces qui s’opposent à son mouvement. Pour les engins roulants tels que la voiture où le train, il existe 2 résistances principales:

  • La résistance au roulement
  • La résistance aérodynamique (que l’on appelle aussi trainée aérodynamique)

Pour l’avion, il n’y a évidemment plus de résistance due au roulement, mais parmi les résistances aérodynamiques on peut distinguer une résistance particulière, la trainée induite par la portance. En effet, cette trainée est induite par la force de portance (égale au poids) qui permet à l’avion de maintenir en l’air.

Pour les évaluations suivantes, le but n’est pas de réaliser une étude exhaustive mais d’observer des ordres de grandeurs avec quelques cas particuliers. Les estimations seront faites en régime de croisière, phase la plus prépondérante dans le cas de la mobilité longue distance:

1- Le cas du TGV

Cette courbe représente la résistance du TGV Duplex en fonction de la vitesse. L’intérêt de ce graphique porte dans la distinction des différentes sources de résistances associées au train. On remarque 3 sources principales: 

  • Une source constante, indépendante de la vitesse (A)
  • Une source proportionnelle à la vitesse (Bv)
  • Une source proportionnelle au carré de la vitesse (Cv2)

Les composantes A et Bv sont liés aux frottements roue/rail (résistance au roulement) et aux frictions internes tandis que la composante Cv2 est principalement due à la trainée aérodynamique.

Jusqu’à environ 110 km/h, la résistance aérodynamique est à peu près équivalente aux autres résistances. Après 110 km/h, elle devient de plus en plus prépondérante (à 260 km/h, A+Bv sont équivalent à 23% de la trainée totale, puis à 300 km/h, A+Bv ne représentent plus que 19% de la trainée totale).

Les graphiques suivants montrent qu’un TGV DASYE (Duplex, 510 places, 430 tonnes) offre une résistance totale de 6,6 tonnes (66595N) à 320 km/h et une énergie « utile » par passager de 0,036 kWh/Pax.km:

Courbes extrapolées:

La demande énergétique d’un train rapide est donc majoritairement liée à la vitesse, à cause de la prépondérance des forces aérodynamiques.

On remarquera qu’en extrapolant les courbes jusqu’à la vitesse d’un avion (830 km/h), l’énergie requise serait multipliée par presque 6 pour atteindre  0,210 kWh/Pax.km.

2- Le cas de la voiture

Les efforts de résistance s’opposant au mouvement d’une voiture sont très similaires à ceux du train. La différence principale étant le coefficient de roulement pneu/route plus important que le roue/rail du train. 

Des essais ont été réalisés en 2012 afin de déterminer l’énergie utile de différents types de voiture en fonction de la vitesse. Voici une synthèse sur 4 types de voitures permettant de rouler sur de longues distances:

Au taux de remplissage optimal (4 pax), l’énergie requise pour déplacer une personne à 120 km/h sur 1 km est de 0,048 kWh.Pax.km pour la voiture la plus performante.

3- Le cas de l’avion

La résistance à l’avancement de l’avion est majoritairement composée de la trainée induite par la portance, et de trainées « parasites ». La trainée induite décroît avec la vitesse tandis que les trainées parasites (à l’instar du train et de la voiture) augmentent avec la vitesse. Cela fait de l’avion un cas particulier car sa résistance totale en forme de « cuvette » passe par un point optimal. A la différence des transports terrestres et maritimes classiques, le fait de réduire sa vitesse en avion ne le rendra pas nécessairement plus efficace d’un point de vue énergétique.

La trainée induite par la portance dépend de paramètres géométriques (dont allongement de l’aile) mais surtout de la portance générée par l’avion, donc de son poids. A vitesse constante, plus l’avion s’allège en vol, plus la trainée induite diminue.  

La part de trainée induite dépend également de la vitesse de l’avion. Selon la courbe ci-dessus, un avion volant à sa vitesse de trainée minimale aura une trainée induite égale aux trainées parasites (point correspondant au bas de la cuvette). Mais les avions commerciaux volent en général à une vitesse supérieure à la vitesse de trainée minimale afin d’augmenter leur distance franchissable (la vitesse de Longue Range Cruise équivaut à environ 1,32 fois la vitesse de trainée minimale). Selon les configurations, la part de trainée induite d’un avion commercial en croisière vaut environ 25% à 40%:

L’exemple ci-dessus du 737 Max 8 (64 tonnes, en croisière à Mach .78 au FL370, finesse de 18,4), donne une force de trainée induite de 13150N qui correspond à 37% d’une force de trainée totale de 35830N. En faisant l’hypothèse d’une configuration à 189 Pax, la force qui permet la sustentation de l’avion correspond à 7 kg par passager

Et l’énergie utile correspond à 0,053 kWh/Pax.km.

On notera que cette énergie correspondrait à un TGV roulant à 395 km/h, là où l’avion offre 830 km/h (car à 37000ft, la densité de l’air est plus faible, et l’avion ne « ressent » que 440 km/h)

4- Synthèse:

Avec un remplissage optimal, une voiture familiale requiert 0,048 kWh/Pax.km pour rouler à 120 km/h, un TGV requiert 0,036 kWh/Pax.km pour rouler à 320 km/h et un avion de type B737-Max 8 requiert 0,053 kWh/Pax.km pour voler à 830 km/h

Avec leur taux de remplissage moyen, la voiture aura besoin de 0,122 kWh/Pax.km, le TGV aura besoin de 0,054 kWh/Pax.km et l’avion 0,062 kWh/Pax.km:

L’énergie utile permettant de mouvoir 1 passager sur 1 km est du même ordre de grandeur pour la voiture familiale, le TGV ou l’avion (avec un remplissage optimal). Si ce dernier est un peu plus consommateur, l’écart reste faible au regard du gain de vitesse permis. 

En tenant compte du remplissage moyen, l’écart se resserre entre le TGV et le B737. La voiture devient nettement plus consommatrice car elle est particulièrement sous-remplie dans son utilisation standard.

A noter qu’une réduction de vitesse réduira l’énergie utile de la voiture et du train, tandis que l’avion est limité à une plage de fonctionnement aérodynamique beaucoup plus restreinte.

Quel est le rendement énergétique de ces moyens de transports?

Nous avons vu l’énergie utile requise pour contrer la résistance à l’avancement de ces moyens de transport à leurs vitesses respectives. Maintenant, il faut trouver une énergie adaptée à la propulsion de ces machines. Et comme des roues motrices ou bien des dispositifs accélérant de l’air ça ne se trouve pas dans la nature, il faut transformer l’énergie « contenue » dans une ressource naturelle (pétrole, gaz, combustible nucléaire, biomasse, vent, rayonnement solaire…) pour l’adapter à ces engins. Mais si on a la capacité à passer d’un type d’énergie à un autre, il y a encore beaucoup de pertes en route:

1- Le TGV

On peut estimer les pertes suivantes:

Pour un TGV récent, le rendement entre énergie primaire et énergie au pantographe est estimée à 30% (Mix Français en 2012), puis le rendement entre l’énergie électrique au pantographe et l’énergie à la jante est estimée à 75%. Le rendement global d’un TGV entre l’énergie primaire et l’énergie à la jante peut donc être estimé à 22,5%

2- La Voiture

Il existe de nombreuses pertes liées au moteur, à la transmission, au fonctionnement des systèmes auxiliaires. Voici un exemple (USA de 2006) concernant une voiture moyenne sur autoroute:

De nos jours, un moteur à essence a un rendement d’environ 20% sur un cycle route « standard » et jusqu’à environ 30% sur autoroute. Mais pour connaître le rendement global d’un véhicule fonctionnant aux énergies fossiles, il suffit de faire le ratio entre l’énergie utile (énergie requise au déplacement) et l’énergie consommée (les litres d’essence partis en fumée et un peu en traction).

Dans l’essai discuté précédemment, la voiture D (voiture de type familiale de 2012, moteur essence de 155 CV max) avait l’énergie utile la plus faible à 120 km/h. Ses émissions de CO2 ont été mesurées à 179,7 gCO2/km sur un cycle NDEC (Vehicle 6 « TNO Report – Road load determination of passenger cars ») donc en prenant le facteur d’émission de l’essence à 2,24 kgCO2/litre (ADEME) on en déduit que la consommation moyenne de la voiture était de 8l/100km. 

En faisant l’hypothèse d’une consommation à 8L/100km à 120 km/h constants, l’énergie brûlée est d’environ 0,73 kW/h/km (Densité énergétique essence: 33MJ/Litre), ce qui nous donne un rendement énergétique de 26% pour une voiture roulant sur autoroute (ce rendement augmenterait à 30% en prenant l’hypothèse d’une consommation à 7L/100km)

3- L’avion

Le rendement d’un moteur d’avion est particulièrement performant pour une machine thermique grâce aux faibles températures qui règnent en altitude. Le rendement total (thermique + propulsif) d’un moteur double flux moderne est proche de 40% selon P&W:

Comme pour la voiture, le meilleur moyen d’obtenir le rendement énergétique global est d’utiliser le ratio de l’énergie utile et de l’énergie consommée. La consommation horaire moyenne de kérosène d’un B737 Max8 s’établit à 2100 kg/heure (hypothèses de vol mach .78, 37000ft, 64t), ce qui représente 3,16 Litres/km. La densité énergétique  du kérosène étant de  35,8MJ/Litre, cela nous donne une énergie consommée de 31,42 kWh/km pour une énergie utile de 9,953 kWh/km. Le rendement énergétique d’un B737 Max 8 est donc de 32% en régime de croisière.

4- Synthèse

En analysant l’ensemble du cycle énergétique, on s’aperçoit que le besoin en énergie primaire rapporté au pax.km est très proche pour la voiture, le TGV et le B737 Max 8 en régime de croisière sur un trajet longue distance.L’avantage du TGV n’est donc pas une sobriété énergétique exceptionnelle, mais bien la possibilité d’utiliser une source primaire décarbonnée et renouvelable (électricité nucléaire incluse). La voiture est en cours de transition vers ce type d’énergie tandis que l’avion ne s’est pas encore adapté.

Note: Cette étude est limitée à des exemples en phase de croisière. Elle ne prend pas en compte certains paramètres comme les pertes liées aux opérations sols et montée de l’avion (les pertes liées à la montée sont en grande partie récupérées lors de la phase de descente), les pertes liées à l’augmentation des distances par des routes non directes, aux phases de freinage/accélération des transports terrestres, au relief de la trajectoire, à la courbure des voies terrestres…. La prise en compte de ces pertes défavoriserait l’avion sur de courtes distances et l’avantagerait sur de longues distances. 

Quelle est l’influence du temps de transport sur la masse à transporter?

Comme on l’a vu précédemment, la vitesse coûte cher en énergie si l’on a pas de solution pour réduire les forces aérodynamiques (en évoluant dans un air moins dense, comme l’avion, l’hyperloop ou la sonde spatiale voyager 2). Une plus grande sobriété énergétique peut donc être atteinte en réduisant la vitesse de déplacement. Si cela ajoute l’inconvénient d’augmenter le temps de transport, il y a également une conséquence énergétique parfois oubliée dans les comparaisons: plus le temps de voyage est long, plus la masse associée au confort du passager est importante. Voici quelques exemple de masse totale rapportée au passager (voir sources en encadré):

* Le train intercités corail et le train de nuit Lunéa sont composés d’une rame fictive de 498 places incluant 5 voiture de 2nde classe, 1 voiture de 1ère classe et une voiture service tractée par une locomotive de type BB22200. Cette composition « fictive » permet d’avoir une capacité proche de celle d’un TGV Duplex permettant une meilleure comparaison.

** Le ferry condor libération est un ferry rapide transportant voyageurs + fret (voitures/camions). La masse par passager est donc légèrement surestimée. 

Lorsqu’un moyen de transport est destiné à accueillir des passagers sur des trajets de longue durée, alors la masse à transporter par passager augmente avec les équipements de confort installés. Au taux de remplissage maximum, un paquebot de luxe comme le Queen Mary 2 à une masse par passager 88 fois supérieure à un avion de type B737-800NG. Si la vitesse à un coût énergétique en terme de résistance aérodynamique, la lenteur à un coût énergétique en terme de masse à transporter.

En corollaire, cela signifie que la comparaison brute de plusieurs moyens de transport en transposant les charges utiles à un nombre de passagers n’a pas beaucoup de sens. On ne peut pas dire qu’un porte conteneur emportant 100 000 tonnes de fret soit équivalent à un bateau transportant 1 170 000 passagers de 85kg… De même, un poids lourd transportant 40 tonnes de marchandises n’offrira pas le confort suffisant pour transporter 471 passagers de 85 kg. 

Un petit mot sur les bateaux

Pour transporter des masses élevées (fret), les bateaux (et les trains) ont un avantage énergétique significatif. En effet, ces moyens de transport bénéficient à la fois du meilleur rendement lié à une taille élevée (avec l’augmentation de la taille, la résistance à l’avancement augmente moins vite que la capacité en charge utile), et de peu de contraintes physiques favorisant leur agrandissement (les transports rapides sont limités en taille par l’infrastructure et les matériaux). 

Le diagramme suivant permet de visualiser cet avantage:

Attention néanmoins, ce diagramme est peu représentatif des moyens de transport de voyageurs. En effet, il tient compte de la trainée maximale et surtout de la masse totale du moyen de transport (sans distinction entre charge utile et masse à vide). Or comme on l’a vu précédemment, pour 1 kg de voyageur transporté en TGV, il faut transporter 8,7 kg de train tandis que pour 1 kg de voyageur transporté en B737-800, il faut transporter « seulement » 3 kg d’avion. Les moyens de transports légers (faible ratio masse à vide / charge utile) sont donc désavantagés face aux aux moyens de transport plus lourds.

Ce n’est donc pas une surprise si en 2015,  70% du fret (en tonnes.km) a été transporté par la mer, 18% par la route, 9% par voies ferrées et seulement 0,25% par voie aérienne. L’avion n’est pas adapté pour transporter des charges lourdes, mais il est indispensable lorsque qu’il faut transporter des marchandises rapidement et/ou sur des territoires enclavés.

Si le bateau permet de transporter du fret si efficacement, alors pourquoi parle-t-on de leur pollution très importante? 

Il faut distinguer la pollution (Emissions de gaz et particules nocifs pour la santé des personnes et des écosystèmes) des émissions de gaz à effet de serre (qui provoquent un réchauffement climatique).

 Les bateaux émettent beaucoup de NOX, de SOX et de particules à cause de la teneur en souffre et de la mauvaise qualité de leur carburant. Une étude produite par Transport and Environnement, (Organisation Européenne qui regroupe une 50aine d’ONG environnementales), indique que les 47 paquebots de croisière détenus par Carnival corporation émettent plus de SOX que l’ensemble des voitures individuelles européennes (cf ci-contre)

Les émissions de CO2 des bateaux de voyageurs varient beaucoup selon la masse des équipements de confort associés aux passagers et à leur taux de remplissage:

Les bateaux de croisière (à fort taux de remplissage) de type OASIS auraient une consommation de 3,7 L/Pax.100km seulement pour la propulsion et selon une étude norvégienne (P.18 de Simonsen et Al.), le Norwegian Star consomme 329,1 kg/nm ce qui représente 8 L/Pax.100km (dont 48% pour la fonction propulsion et 52% pour la fonction hôtel, avec un taux de remplissage maximal).

Les ferries sont très émetteurs car leur taux de remplissage est plutôt faible. Selon un rapport de l’ADEME de 2009, on peut atteindre 900 gCO2/Pax.km pour un ferry de jour en profil moyen d’utilisation:

Le transport de Fret est beaucoup plus efficace avec des émissions inférieures à 10 gCO2/tonne.km pour les gros bateaux (vraquiers, pétroliers, porte-conteneurs), là où l’avion aura du mal à descendre en dessous de 500 gCO2/tonne.km et un camion poids lourd en dessous des 30 gCO2/tonne.km (conso. de 39,2 L/100km à pleine charge de 40t):

Le transport maritime de voyageurs est relativement émetteur de CO2 (par Pax.km) car la plupart des bateaux longues distances associent des fonctions hôtels, coûteuses en masse et en énergie, et les ferries ont un faible taux d’occupation. Cependant, le transport de voyageur reste une activité marginale comparé au transport de fret qui lui est très efficace et peu émetteur de CO2 (en Europe en 2018, Il y a eu 410 millions de passagers transporté plutôt sur des petites distances – dont 3,5% de croisière – vs 3600 millions de tonnes de fret plutôt sur de longues distances).

L’impact principal des bateaux sur l’environnement n’est pas tellement leurs émissions de GES (équivalent à environ 2% des émissions mondiales) mais plutôt leurs émissions de polluants (SOX,NOX, particules…).

Bilan

D’un point de vue énergétique, il n’existe pas aujourd’hui de transport de voyageurs longues distances « magiques ». La vitesse permet aux personnes de voyager « léger » au prix d’une importante résistance aérodynamique tandis qu’un transport lent demandera plus de confort et donc de la masse « inutile » à transporter. Dans tous les cas il subsiste une perte importante entre l’énergie primaire et l’énergie utile au transport.

L’avion a pour particularité de pouvoir voler en altitude dans un air peu dense et de réduire ainsi sa résistance aérodynamique. Cela en fait un moyen de transport à grande vitesse inégalé et très efficace par rapport aux machines terrestres. La « contre-partie »  c’est que l’avion ne peut pas réduire sa consommation énergétique en volant plus lentement car cela augmenterait également sa résistance aérodynamique. 

Les transports terrestres ont aujourd’hui l’avantage de pouvoir utiliser l’électricité comme vecteur d’énergie ce qui peut réduire significativement leurs émissions de CO2 selon le mode production de l’électricité. 

Le transport de marchandise, qui est en général moins contraint par le confort ou la vitesse, permet d’utiliser le bateau ou le train à de très bons rendements énergétiques. 

Cependant ils ne sont pas adaptés au transport rapide ou sur des maillages fins. Cette demande particulière ne pourra se passer du transport routier et aérien.

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    1 Comment

  1. Fort bon!
    où l’on voit que le kérosène et le fioul sont à la fois source et vecteur d’énergie, alors que le train utilise un vecteur et reporte donc “ailleurs” la question de la source; laquelle pourrait être non seulement “durable” mais aussi “verte”, à condition d’investir dans les bonnes techniques. Il reste à l’aérien à réaliser le même chemin, passer à un vecteur issu d’une source verte. Vous montrez bien que la réduction de vitesse fait grossir l’aéronef, ce qui est inévitable avec le dihydrogène. Donc ce n’est pas la panacée.
    Aucune source n’étant parfaite il faudra toujours “payer” quelque chose à la nature pour satisfaire notre demande de mobilité, reste à sélectionner au cas par cas un mode acceptable.
    En tout cas merci pour ces articles solide. Où avez-vous appris à faire si bien?
    Dubernie

    0
    dubernie

    2 mars 2021

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