Cette année, il est proposé aux élèves de première de travailler sur un TPE. Nous avons choisi de créer un blog sur le thème des énergies alternatives au pétrole dans l'automobile. A travers ce blog, nous vous présenterons les différents moyens qu'il existe pour faire face à la hausse du prix du pétrole. Ce blog a été réalisé par Jean-Baptiste Mascary et Romain Distefano, élèves de première S au lycée Eugène Ionesco d' Issy-les-Moulineaux.

Le pétrole est une énergie qui se forme sous la Terre, c'est une énergie fossile qui se forme en plusieurs millions d'années. Les activités humaines, en un peu plus d'un siècle, sont à l'origine de plus de la moitié de la consommation des réserves connues. L'énergie pétrolière n'est donc pas une énergie renouvelable. Même si les réserves de pétrole ne sont pas épuisées, cela se produira bientôt. Il faut donc trouver d’autres solutions au pétrole qui devient excessivement cher et rare. Aussi, l'exploitation du pétrole est de plus en plus dangereux pour la planète et l'environnement. En effet, la combustion du pétrole produit une émission de CO2, gaz à effet de serre. Le pétrole est donc un facteur du réchauffement climatique, qui peut aller jusqu'à provoquer la fonte des glaces. Il faut donc trouver de nouvelles technologies et trouver des solutions à la disparition du pétrole.
L'automobile est l'un des domaines les plus concernés par le manque de pétrole et une question se pose :
La voiture a-t-elle un avenir sans pétrole ?

Dans ce TPE, nous allons vous présenter les différents projets envisagés pour remplacer le pétrole dans l'automobile. Nous avons choisi de traiter dans une première partie Les Biocarburants . Dans une seconde partie, nous verrons L'avènement Électrique . Nous finirons par présenter D'Autres Solutions Envisageables , mais qui nécessitent encore des recherches et visent plus loin dans le futur.

Huiles végétales, gaz, déchets agricoles, micro algues... La recherche explore toutes les pistes pour faire face à la fin annoncée des énergies fossiles. Les biocarburants sont des carburants liquides issus de la transformation des matières végétales produites par l'agriculture (betterave, blé, maïs, colza, tournesol, pomme de terre…). Les biocarburants sont assimilés à une source d’énergie renouvelable. Parmi les biocarburants les plus utilisés, on distingue le bio éthanol et le bio diesel, qui sont les seuls biocarburants qui sont actuellement commercialisés en France. Mais, ils sont tout de même des carburants peu utilisés.


Schéma représentant la division des biocarburants

Schéma de la création du bio éthanol à partir des végétaux


Le bioéthanol est un carburant présenté comme étant une alternative écologique aux carburants actuels.
Le bioéthanol n'est ni plus ni moins que la concentration et la déshydratation d’un alcool obtenu principalement à partir de céréales, de betteraves ou de canne à sucre.

Il peut être actuellement utilisé de 3 manières :

- tel quel en étant mélangé à l’essence classique dans une proportion de 10% sans modification du véhicule.

- transformé en ETBE (Ethyl Tertio Butyl Ether) qui est un dérivé pouvant être mélangé à l’essence classique dans une proportion de 15%, ce dérivé utilise actuellement la plus grande partie de production de bioéthanol mais est aussi le plus polluant à produire.

- comme carburant à part entière grâce à l’E85 constitué de 85% de bioéthanol et de 15% de Sans plomb 95. C’est actuellement une solution écologique dans sa consommation puisqu’il produit beaucoup moins d’effet de serre que les carburants classiques. Ce carburant nécessite des véhicules spéciaux, les véhicules flex fuel.

- comme E100 (100% Éthanol), qui est la solution la plus écologique, car le CO2 rejeté par la combustion de l'éthanol, contribue très peu à l'effet de serre : en effet, lors de sa croissance, la plante a absorbé une certaine quantité de dioxyde de carbone.

Si à première vue ce carburant semble parfaitement écologique, beaucoup soulèvent les problèmes dus à sa fabrication.



Création du bio éthanol

Les végétaux contenant du saccharose (betterave, canne à sucre…) ou de l’amidon (blé, maïs…) peuvent être transformés pour donner du bioéthanol, obtenu par fermentation du sucre extrait de la plante sucrière ou par distillation de l’amidon du froment ou du maïs.

La réaction de fermentation

C6H12O6 → 2 C2H5OH + 2 CO2
sucre → éthanol + dioxyde de carbone

On peut remarquer que la transformation du sucre en bio éthanol libère du CO2. Le CO2 libéré est en fait capté durant la croissance du végétal. Il n'y a donc pas création de CO2, mais en quelque sorte rejet du CO2 absorbé par la plante. La création de l'éthanol ne pollue pas en elle-même.


Combustion de l'éthanol

La combustion de l'éthanol est une réaction chimique caractérisée par une équation bilan :
C2H6O + 3 O2 → 3 H2O + 2 CO2
éthanol + dioxygène → eau + dioxyde de carbone

La combustion de l'éthanol crée du CO2, mais moins que la combustion de l'essence.
On peut donc trouver un avantage à l'utilisation de l'éthanol. Pourtant, nous verrons plus tard que l'utilisation de bio éthanol dans l'automobile et des biocarburants en général présente de lourds inconvénients.

Schéma de la création du bio diesel à partir de l'huile végétale


Le bio diesel est un carburant non toxique et biodégradable. Cette huile végétale brute provient du pressurage de la graine de l’espèce oléagineuse qui après filtration peut être utilisée directement comme carburant dans un moteur diesel adapté (à cause essentiellement de sa viscosité assez élevée).

En France, il n'y a qu'une seule façon d'utiliser le bio diesel :

- L'huile végétale subit une transestérification qui donne de l'EMHV (ester méthylique d'huile végétale).
On utilise rarement L'EMHV pur. On l'utilise en général en le mélangeant au diesel dans des proportions de 5 à 30%, pour donner ce que l'on appelle du diester.

Création du bio diesel

La transestérification est une transformation chimique qui a pour équation bilan :



R3C6O6H5 + 3 COH4 → 3 RC2O2H3 + H8C3O3
huile + alcool (méthanol) → EMHV + Glycérol

On peut remarquer que la création d' EMHV ne pollue pas. C'est une solution écologique.


Combustion du bio diesel

La combustion du bio diesel est une réaction chimique qui pollue, mais l'EMHV en lui-même ne pollue pas.
En effet, si on brûle un biodiesel composé de 80% de gazole et de 20% d'EMHV, la pollution sera diminué de 20%.
L'EMHV est écologique aussi bien dans sa création que dans sa combustion.
Pourtant, on peut voir que l'exploitation d'une telle énergie à de lourds inconvénients.

Cliquer pour agrandir


Malgré une " pseudo-étiquette verte", la filière des biocarburants, de la culture jusqu'à la combustion, soulève des problèmes fondamentaux :

- Le détournement de millions d'hectares de terres arables sensées nourrir la population seraient mis au profil des biocarburants. Ceci entrainerait la flambée des prix des denrées alimentaires de base telles que le maïs, le blé...

- Une déforestation au Brésil et en Asie du Sud, qui sont les principaux producteurs de biocarburants

- Les cultures céréalières, qui sont à l'origine des biocarburants, sont gourmandes en eau et risquent par ailleurs d'épuiser des réserves déjà comptées pour une partie de la planète

Mais l'un des problèmes les plus importants reste le bilan des gaz à effet de serre. En effet, l'utilisation de biocarburants jouerait un rôle indirect dans une émission très importante de gaz à effet de serre :
La culture des denrées alimentaires à très grande échelle comme la betterave ou le maïs nécessiterait de nombreux engrais chimiques, dégageants des gaz à effet de serre comme le protoxyde d'azote, 296 fois plus polluant que le CO2.

Les biocarburants sont donc une solution nouvelle, mais l'idéal serait de développer une énergie à la fois renouvelable et non-polluante.

Cependant, une nouvelle sorte de biocarburants, les biocarburants de seconde génération, sont une solution envisageable car leur synthèse est issue de matériaux ligno-cellulosiques, comme les tiges, les feuilles ou la paille.
Ces biocarburants de seconde génération ne concurrenceraient pas la production alimentaire, mais ce procédé est toujours en cours de développement.

Le Mondial de l'Automobile 2008 l'a confirmé, la voiture électrique est de retour. Alors qu'au début du XXème siècle, beaucoup avaient abandonné l'idée de commercialiser ce type de voiture, aujourd'hui, la voiture électrique revient "à la mode". Qu'elle marche avec une pile à combustible ou à l'énergie solaire, l'idée d'une voiture roulant à l'électricité est aujourd'hui de plus en plus envisagée.

La pile à combustible est un moyen de créer un courant électrique par intermédiaire d'une oxydoréduction. Le fonctionnement d'une pile à combustible ne rejette pas de polluants, son seul produit étant l'eau. C'est ce principe que nous allons présenter.

Principe de fonctionnement

L'hydrogène s'associe au dioxygène et forme l'eau. Beaucoup d'énergie est formée lors de la réaction, qui est ensuite transformée en courant électrique pour que la voiture fonctionne. Le produit de la réaction est l’eau, qui n'est pas un polluant.



Le procédé par étape :

- A L'anode a lieu une première réaction, les molécules de H2 se divisent en 2 ions H+ :
H2 → 2 e- + 2 H+
C'est l'oxydation. Le réducteur H donne un oxydant H+ et libère son électron e.

- Seuls les ions H+ passent dans l'électrolyte, tandis que les électrons passent dans le circuit électrique et permettent au moteur de fonctionner.

- Dans la cathode a lieu une deuxième réaction, les ions H+, les électrons et les molécules de dioxygènes qui sont présentent dans l'air forment des molécules d'eau. Il y a une réduction :
02 + 4H+ + 4e- → 2 H2O
Le réducteur H+ forme avec l'oxygène l'oxydant H2O.

La pile à combustible crée donc une énergie propre, car elle n'émet pas de produit polluant.
C'est une solution envisageable mais qui comporte quelques inconvénients.

Principe de fonctionnement d'un accumulateur au lithium ( cliquer sur le schéma pour agrandir )



Dans toute batterie, quelque soit son type, l'électricité est stockée par une réaction électrochimique réversible. Cette réaction à lieu entre 2 éléments (matériaux variables) qui échangent des électrons. Un élément perd un ou plusieurs électrons, c'est le réducteur, tandis que l'autre en gagne, l'oxydant. Dans le cas de la voiture électrique, il est préférable d'opter pour des matériaux tels que le lithium qui a un fort potentiel électrochimique, donc qui peut stocker plus d'électricité qu'une batterie dite "normale" ( en plomb).


Fonctionnement d'une batterie au lithium

Voir schéma ci-dessus

1) Lorsqu'un accumulateur est débranché, il ne se passe rien.
2) Lorsqu'on branche l'accumulateur au circuit électrique, les ions Li+ passent dans l'électrolyte tandis que les électrons passent dans le circuit externe.

Il y a courant électrique jusqu'à ce que l'accumulateur soit déchargé, donc qu'il n'y est plus de Lithium dans l'électrode négative.
On recharge l'accumulateur en faisant le procédé inverse.

La batterie est donc un procédé qui ne pollue pas, mais l'énergie est seulement stockée, l'énergie créée vient des centrales électriques ou nucléaires.

L'électricité est un moyen efficace pour contrer la flambée du prix du pétrole. C'est une ressource renouvelable. Mais, il reste tout de même des points négatifs à son utilisation.


Conséquences et problèmes liés à l'utilisation de pile à combustible

La pile à combustible nécessite du dihydrogène. Le dihydrogène est rarement présent dans l'environnement. Il existe 3 voies de formations à l'hydrogène :

- par vaporeformage, qui a peut d'avenir car il produit beaucoup de CO2 et utilise une énergie fossile,

- par électrolyse de l'eau, ce qui consiste à décomposer l'eau en H2 + O mais cette solution est chère, malgré 0 émission de pollution

- par la biomasse, l'hydrogène est produit de la gazéification des végétaux, et le bilan final d'émission de gaz à effet de serre est nul.

On peut donc trouver des points positifs, mais aussi des points négatifs à l'utilisation de piles à combustibles. Si l'on arrive à régler les questions de production d'hydrogène sans polluer, les obstacles posés par l'adaptation de la pile à combustible dans les voitures devrait être suffisamment surmonter.




Conséquences et problèmes liés à l'utilisation de batterie

L'utilisation de la batterie dans les voitures électriques comporte des inconvénients :

- l'autonomie d'une batterie à lithium reste tout de même limitée en énergie (150 à 200 km)

- Elle nécessite un temps de recharge important ( 2h à 4h )

- Malgré une pollution locale nulle, l'énergie stockée dans la batterie provient souvent de centrales électriques qui rejettent du CO2, même si le rejet est minime comparé à la combustion du pétrole.

L'utilisation de batteries dans les voitures est une solution envisageable, mais ce projet nécessite encore des recherches pour augmenter l'autonomie de la batterie.
On peut remarquer que l'électricité est une énergie qui mérite d'être exploitée dans l'automobile puisqu'elle n'émet pas de CO2 localement et que sont coût est inférieur au pétrole.

C'est une solution renouvelable et peu-polluante, c'est l'une des meilleures solutions d'avenir.