Friday, May 24, 2019

Au Québec les véhicules électriques émettent 3 à 5 fois moins de CO2 que les véhicules conventionnels

2019-05-24: Publication initiale
2019-05-26: Dernière mise à jour

Sur l'ensemble de leur cycle de vie, de l'extraction des minerais jusqu'à leur recyclage en fin de vie, les véhicules électriques roulant au Québec émettent trois fois moins de CO2 que les véhicules conventionnels à essence pour une distance parcourue de 150 000 km. Si nous doublons cette distance parcourue à 300 000 km, alors les véhicules électriques au Québec émettent jusqu'à cinq fois moins de CO2 que les véhicules à essence sur l'ensemble du cycle de vie. L'achat d'un véhicule électrique au Québec constitue donc bel et bien un outil efficace dans notre lutte collective pour limiter l'ampleur du réchauffement climatique mondial.

Sur Internet et sur les médias sociaux, vous pourrez cependant lire des manchettes disant qu'un véhicule électrique en Pologne ou encore en Virginie Occidentale (États-Unis) émet davantage de CO2 qu'un véhicule conventionnel à essence sur l'ensemble du cycle de vie. C'est vrai pour ces deux endroits où l'électricité est produite à partir de centrales thermiques au charbon, mais ce serait faux au Québec où l'électricité est générée à plus de 99% à partir de formes d'énergie renouvelables. En effet, comme je le démontre dans un autre article comparant l'empreinte carbone de quatre types de véhicules aux États-Unis, le facteur le plus important du bilan CO2 des véhicules électriques réside dans les sources d'énergie qui servent à générer l'électricité selon l'endroit où on habite.

Intensité carbone liée à la génération d'électricité au Canada 


Dans la version intégrale du Rapport d'inventaire national remis à la Convention-Cadre des Nations Unies sur le Changement Climatique (CCNUCC) en avril 2019, on retrouve à l'Annexe 13 de la Partie 3 l'intensité d'émissions de CO2 pour la génération locale et pour la consommation locale d'électricité dans chacune des 10 provinces et chacun des 3 territoires du Canada.



En Colombie-Britannique, au Manitoba, au Québec, à Terre-Neuve-et-Labrador ainsi qu'au Yukon, l'hydroélectricité qui émet très très très peu de CO2 domine largement le bouquet d'énergie électrique. En Ontario, l'hydroélectricité joue également un grand rôle dans le bouquet d'énergie électrique, de même que l'énergie nucléaire dont l'empreinte carbone est quasi nulle elle aussi. La fermeture de grandes centrales thermiques au charbon en Ontario s'est complétée en 2014, permettant ainsi à cette province de rejoindre le peloton de tête des électricités parmi les plus propres au Canada et au monde. Bravo à l'Ontario!👍

Émissions CO2 des véhicules électriques et des véhicules conventionnels


Sur les marchés où près de 100% de l'électricité est produite à partir d'énergies renouvelables ou d'énergie nucléaire, les émissions de CO2 associées à la recharge des batteries de véhicules électriques sont essentiellement égales à zéro. Par conséquent, l'empreinte carbone des véhicules entièrement électriques (VEÉ) après 150 000 km d'utilisation de la route est presque identique à l'empreinte carbone au moment où ces véhicules sortent de l'usine de production (0 km). C'est essentiellement le cas dans des pays comme la Norvège et la Suède, ainsi qu'au Yukon et dans les provinces canadiennes de la Colombie-Britannique, Ontario, Québec, Manitoba, Terre-Neuve-et-Labrador ou dans l'État du Vermont (États-Unis).

La situation est totalement différente pour les véhicules avec moteur à combustion interne (VMCI), qui commencent à la sortie de l'usine (0 km) avec une empreinte carbone inférieure aux VEÉ, mais qui ont ensuite besoin de brûler de l'essence ou du diesel pendant toute leur existence.

Le parc canadien de voitures, de VUS et de camionnettes affiche le taux de consommation d'essence moyen le plus élevé au monde, à 8,9 L / 100 km (IEA, 2019). En utilisant ce taux de consommation d'essence, j'ai calculé que parcourir 150 000 km nécessite le nombre impressionnant de 84 barils de 159 litres d'essence chacun, ce qui donne un grand total de 13356 litres d'essence. Le faible avantage initial (à 0 km) du VMCI sur le VEÉ au niveau de l'empreinte carbone dure ainsi très peu longtemps, puisque lorsque que nous atteignons une distance parcourue de 150 000 km, l'empreinte carbone d'un seul VMCI est alors équivalente à celles de trois VEÉ additionnées ensemble. Comment savons-nous cela? Nous le savons grâce à ce que les spécialistes du domaine appellent des analyses de cycle de vie (ACV).


Analyses de cycle de vie


Je présente d'abord les principales conclusions de deux analyses de cycle de vie (ACV) comparatives de VEÉ et VMCI. La première ACV a été réalisée au Québec tandis que la seconde a été réalisée en Europe. Je présente ensuite les résultats d'une publication qui met en relief l'importance de tenir compte des émissions de CO2 très différentes pour l'ensemble du cycle de vie d'un pays à l'autre au sein même de l'Europe. La Norvège avec son hydroélectricité se distingue fortement de l'Allemagne ou de la Pologne qui dépendent encore beaucoup du charbon pour produire leur électricité.

ACV prenant en compte la faible intensité carbone de l'électricité produite par Hydro-Québec


Au Québec, l'analyse la plus exhaustive sur le cycle de vie complet des véhicules personnels a été publiée en avril 2016 par le Centre international de référence sur le cycle de vie des produits, procédés et services (CIRAIG), pour le compte d'Hydro-Québec qui en était le commanditaire (CIRAIG, 2016).

Cette analyse comparative entre les VEÉ et les VMCI, pour une distance parcourue totale de 150 000 km et pour le bouquet d'énergie électrique du Québec (99% d'énergie renouvelable) menait aux cinq principales conclusions suivantes.

1) Pour la santé humaine, les impacts nocifs du VEÉ sont inférieurs de 29 % à ceux du VMCI.
Source: CIRAIG (2016, Figure S-1)

2) Pour la qualité des écosystèmes, les impacts négatifs du VEÉ sont inférieurs de 58 % à ceux du VMCI.
Source: CIRAIG (2016, Figure S-1)

3) Le VEÉ permet une réduction de 65 % des émissions de gaz à effet de serre (GES) par rapport au VMCI, contribuant ainsi de façon importante à la lutte au réchauffement climatique. Au moment de sa sortie de l'usine, la fabrication du VEÉ a causé deux fois plus d'émissions de GES que la fabrication du VMCI. En revanche, dans le contexte du Québec où le bouquet d'énergie électrique possède l'une des plus faibles intensité en carbone au monde, l'utilisation du VEÉ sur 150 000 km entraîne des émissions de GES quasi nulles tandis que l'utilisation du VMCI (pleins d'essence à répétition) est son véritable talon d'Achille du point de vue des émissions de GES. Si on allonge la distance parcourue à 300 000 km, l'ACV du CIRAIG (2016) montre une réduction de 80% des émissions de CO2 du VEÉ comparativement au VMCI. Le VEÉ émettrait ainsi cinq fois moins de CO2 que le VMCI sur 300 000 km en tenant compte de l'ensemble du cycle de vie.
Source: CIRAIG (2016, Figure S-2)


4) Pour l'épuisement des ressources fossiles (surtout pétrole), le VEÉ étant beaucoup plus sobre en carbone contribue à cet épuisement dans une proportion moindre (65%) que le VMCI. 
Source: CIRAIG (2016, Figure S-2)


5) Pour l'épuisement des ressources minérales, le VEÉ nécessite 25% plus de minéraux que le VMCI. On fait ici référence à l'exploitation minière qui sert à extraire l'aluminium pour alléger le poids du VEÉ, au cuivre qui entre dans la fabrication du moteur électrique, ainsi qu'au lithium, cobalt, nickel, graphite et manganèse qui entrent dans la composition des batteries. Sur le plan environnemental, il s'agirait là du seul point faible du VEÉ comparativement au VMCI dans le contexte Québecois selon CIRAIG (2016).
Source: CIRAIG (2016, Figure S-2)

ACV prenant en compte une intensité carbone moyenne pour l'ensemble de l'Europe


Le 22 novembre 2018, l'Agence européenne pour l'environnement (AEE) publiait une étude du cycle de vie complet des véhicules électriques adaptée au contexte Européen.

Afin de comparer des pommes avec des pommes lorsqu'on transpose une étude Européenne au contexte Québécois, il importe de tenir compte de la plus grande importance des énergies renouvelables dans le bouquet d'énergie Québécois.

Le bouquet d'énergie électrique Européen pris en compte dans l'étude de l'AEE (TERM 2018) possédait une intensité carbone (353 g éq. CO2/kWh, Ellingsen & Hung 2018; a baissé depuis) qui est seize (16) fois plus grande que celle du bouquet d'énergie électrique du Québec qui avait été prise en compte dans l'étude 2016 du CIRAIG (22 g éq. CO2/kWh selon CIRAIG 2014; a baissé depuis). Ceci s'explique par le rôle important que jouent encore les centrales thermiques au charbon et au gaz naturel pour la génération d'électricité dans plusieurs pays Européens.

La différence d'un facteur 16 entre les bouquets d'énergie électrique Québécois et Européen m'a permis d'ajouter une cinquième colonne aux trois graphiques synthèse qui paraissent à la toute fin de l'analyse de cycle de vie Européenne (TERM 2018). J'ai donc modifié les trois graphiques ici-bas en procédant ainsi: 1) j'ai copié-collé la colonne "BEV - European electricity mix" pour créer la colonne "BEV - Québec electricity mix"; 2) j'ai ensuite réduit d'un facteur 16 la hauteur de la partie de colonne reliée au combustible/électricité (fuel/electricity) pour la phase d'utilisation du véhicule, en raison de la très faible empreinte carbone du bouquet énergétique Québécois.


Source: TERM (2018, Figure 6.1) adapté de Hawkins et coll. (2013), BEV = VEÉ, ICEV = VMCI

Tout comme pour l'étude d'ACV commanditée par Hydro-Québec, on note que le VEÉ aide à atténuer le changement climatique dans une proportion d'environ 65% par rapport au VMCI lorsqu'on utilise le bouquet énergétique Québécois au lieu du bouquet énergétique Européen. Ceci confère un caractère robuste à la conclusion selon laquelle les VEÉ représentent un moyen efficace de lutter contre le réchauffement climatique en permettant de réduire des deux tiers les émissions de gaz à effet de serre lorsqu'on les compare avec les VMCI au Québec.

Source: TERM (2018, Figure 6.2) adapté de Hawkins et coll. (2013), BEV = VEÉ, ICEV = VMCI

L'indicateur "toxicité humaine " de l'ACV européenne est plus favorable au VMCI dont l'impact est environ la moitié de celui du VEÉ. En majeure partie, ce sont les régions situées à proximité des zones d'extraction de minerais (en Chine et ailleurs) qui sont les plus exposées à ce danger.

Source: TERM (2018, Figure 6.3) adapté de Hawkins et coll. (2013), BEV = VEÉ, ICEV = VMCI

Selon cet indicateur, c'est lors de la phase d'extraction des ressources minérales puis de la production de la batterie que le VEÉ est le plus néfaste pour les écosystèmes d'eaux douces. L'ACV suggère un impact écotoxique en eaux douces supérieur d'environ 33% pour le VEÉ comparé au VMCI. Les procédés industriels de fabrication des batteries et de la carrosserie du VEÉ devront devenir eux-mêmes plus sobres en carbone afin d'améliorer cet aspect du bilan environnemental du VEÉ.

ACV prenant en compte les intensités carbone individuelles de plusieurs pays Européens


    Hall et Lutsey (2018) ont produit une étude qui compare les empreintes CO2 liées aux véhicules électriques dans divers pays Européens. J'en reproduis ici la Figure 1, mais en y ajoutant une colonne supplémentaire pour un véhicule électrique au Québec, dont le bouquet d'énergie électrique est identique à celui de la Norvège. J'ai également ajouté une colonne supplémentaire pour un véhicule conventionnel à essence pour le Canada.

    Selon l'Agence Internationale de l'Énergie (Tableau 1, IEA 2019), la consommation moyenne d'essence de 8,9 L/100 km au Canada est 59% plus élevée que la moyenne des quatre plus grands pays de l'Union Européenne (Allemagne, France, Italie, Royaume-Uni) qui est de 5,6 L/100 km. Cette plus grande consommation d'essence au Canada s'explique en grande partie par le poids d'un véhicule moyen au Canada (1717 kg) qui est 24% plus élevé que pour ces quatre pays Européens (1388 kg). Conformément à ces statistiques, j'ai calculé l'empreinte CO2 du véhicule conventionnel Canadien à partir de l'empreinte CO2 du véhicule conventionnel Européen en augmentant de 59% les émissions CO2 issues du tuyau d'échappement, en augmentant aussi de 59% les émissions de CO2 liées au cycle de vie du carburant (essence), et en augmentant de 24% les émissions de CO2 nécessaires à la fabrication d'un véhicule qui est 24% plus lourd au Canada qu'en Europe. 
    Émissions de CO2 du cycle de vie pour une distance parcourue de 150 000 km pour des véhicules conventionnels et électriques dans divers pays d'Europe, au Québec et au Canada. Modifié à partir de Hall & Lutsey (2018).

    On note plusieurs points intéressants sur ce graphique.

    1. D'abord, il y a l'absence totale d'émissions de CO2 via le tuyau d'échappement pour les VEÉ. C'est d'ailleurs de ce fait que provient l'expression "véhicule zéro émission" qui ignore les émissions autres que celles issues du tuyau d'échappement.
    2. Ensuite, on note à quel point la partie "Cycle de vie du carburant" varie d'un pays à l'autre pour les véhicules électriques. L'Allemagne emploie beaucoup de charbon pour produire son électricité, tandis que la France dépend surtout de l'énergie nucléaire qui n'émet pas de CO2. 
    3. La Norvège n'a aucune émission CO2 liée au cycle du carburant, car elle génère plus de 99% de son électricité à partir d'énergies renouvelables, comme le Québec.
    4. Le véhicule conventionnel canadien moyen émet environ 50% plus de CO2 que le véhicule conventionnel Européen moyen. En conséquence, lorsqu'on compare les émissions de CO2 des VEÉ avec celles des VMCI, il est plus difficile pour les VEÉ de faire mieux que les VMCI en Europe qu'au Canada.
    5. Dans le cas du VEÉ au Québec et en Norvège, c'est exclusivement à l'étape de la fabrication du véhicule et de sa batterie que surviennent les émissions de CO2. Dans ces deux cas, l'appellation "véhicule zéro émission" prend un double sens, puisqu'en plus des émissions de CO2 qui sont nulles au niveau du tuyau d'échappement, elles sont également nulles pour le cycle de vie du carburant (électricité dans ce cas-ci).


    Conclusion


    Nous pouvons conclure en toute confiance qu'au Québec, les VEÉ constituent une façon efficace pour les citoyens de réduire l'empreinte carbone liée à leurs déplacements en automobile. À sa sortie de l'usine, l'empreinte carbone (CO2) d'un VEÉ est supérieure à celle d'un VMCI. Cependant, après avoir parcouru une distance de 150 000 km, il faudrait additionner l'empreinte carbone de trois VEÉ pour qu'elle devienne équivalente à celle d'un seul VMCI. Et sur 300 000 km, il faudrait additionner l'empreinte carbone de cinq VEÉ pour qu'elle soit équivalente à celle d'un seul VMCI. 

    Par ailleurs, étant donné que la Chine et plusieurs autres pays à travers le monde travaillent ardemment à réduire l'intensité carbone de leur électricité, le bilan CO2 des VEÉ ne peut que s'améliorer dans le futur.

    D'autres facettes du bilan environnemental des véhicules électriques sont toutefois moins enviables, notamment en ce qui a trait à l'épuisement des ressources minérales comme le lithium, le cuivre, le manganèse, le graphite et le cobalt. L'exploitation du travail des enfants dans des mines de cobalt en République Démocratique du Congo doit continuer d'être dénoncée. Les fabricants de VEÉ travaillent à la conception de batteries qui emploient beaucoup moins de cobalt.

    Le bilan environnemental des VEÉ n'est pas parfait, mais attendre la perfection mène à l'inaction.

    L'urgence climatique ne nous donne pas le luxe d'attendre une solution parfaite pour remplacer les véhicules conventionnels (VMCI).

    Les VEÉ font légitimement partie d'un éventail de solutions possibles à la crise climatique.


    Pistes de réflexion pour de futures analyses de cycle de vie


    Les deux analyses de cycle de vie (ACV) présentées ici (CIRAIG 2016 et TERM 2018) dépendaient en grande partie des travaux détaillés de Hawkins et coll. (2013) portant sur un seul modèle de VEÉ (Nissan Leaf avec batterie de 24 kWh) et un seul modèle de VMCI (Mercedes Benz A). Énormément de choses ont changé depuis 2013 quant à la taille des batteries (60 kWh et plus) et à leur composition chimique qui emploie de moins en moins de cobalt par exemple. Les bouquets d'énergie électrique ont également changé au fil du temps, avec une intensité carbone généralement à la baisse dans la plupart des pays en vertu de l'Accord de Paris sur le climat.

    Il serait intéressant de rafraîchir l'étude du CIRAIG 2016 en employant des modèles de véhicules plus récents, compte tenu de la vitesse à laquelle évoluent les VEÉ. Un match comparatif entre la Hyundai Kona à essence et la Hyundai Kona électrique avec une batterie de 60 kWh permettrait de comparer deux modèles très proches parents l'un de l'autre. Un autre modèle récent et très populaire qu'il serait intéressant d'évaluer est la Tesla Model 3 dont la batterie est fabriquée au Nevada où l'intensité carbone de l'électricité est beaucoup plus faible qu'en Chine.

    Références


    CIRAIG 2014 Comparaison des filières de production d’électricité et desbouquets d’énergie électrique. Rapport technique produit pour Hydro-Québec, 102p.

    CIRAIG 2016. Analyse du cycle de vie comparative des impactsenvironnementaux potentiels du véhicule électrique et du véhicule conventionneldans un contexte d’utilisation québécois. Rapport technique produit pour Hydro-Québec, 249p.

    Ellingsen, L. and Hung, C., 2018, Research for TRAN Committee - Battery-powered electric vehicles: market development and lifecycle emissions. Policy Department for Structural and Cohesion Policies, European Parliament, Brussels, 62p.

    Hall, D. & Lutsey, N. 2018. Effects of battery manufacturing on electric vehicle life-cycle greenhouse gas emissions. International Council on Clean Transportation (ICCT) briefing. 12p.

    Hawkins, T. R., Singh, B. , Majeau‐Bettez, G. and Strømman, A. H., 2013. Comparative environmental life cycle assessment of conventional and electric vehicles. Journal of Industrial Ecology, 17, pp. 53-64.

    International Energy Agency (IEA), 2019. Fuel Economy in Major Car Markets: Technology and Policy Drivers 2005-2017. Working paper 19, 97p.

    TERM 2018. Electric vehicles from life cycle and circular economy perspectives. Transport and Environment Reporting Mechanism (TERM) report. EEA report no. 13/2018, 80p.

    Monday, May 20, 2019

    CO2 emissions from all-electric, plug-in hybrid, hybrid and conventional vehicles in the USA

    2019-05-20 Initial posting
    2019-06-02 Last update

    One of the main reasons explaining the rise in popularity of electric vehicles (EVs) is that they do not directly require the burning of fossil fuels in order to take us from point A to point B. In other words, EVs have the potential of helping us reduce CO2 emissions that are responsible for human-caused global heating.

    However, if the power grid from which we charge EVs requires the burning of fossil fuels (coal, natural gas, oil) in order to generate electricity, are we better off in terms of CO2 emissions to the atmosphere? It depends.

    Online tool to estimate annual CO2 emissions


    Using grid electricity is not always the only choice for EVs; a growing number of people install solar panels on their house's roof and store excess energy in home battery storage systems. This enables them to recharge their electric cars with 100% renewable energy regardless of which state they live in. But for those who must rely on grid electricity, the U.S. Department of Energy's Alternative Fuels Data Center has set up a website that compares an electric car's CO2 emissions relative to hybrid and conventional cars, using each state's average electricity mix.

    https://afdc.energy.gov/vehicles/electric_emissions.html

    On this web page, the first thing we see are the national averages of annual CO2 emissions for four categories of vehicles:
    1. All-electric, also known as Battery Electric Vehicles (BEV)
    2. Plug-in hybrid electric vehicles (PHEV) that can be plugged for recharging at home or elsewhere but that can also extend their travel range by burning gasoline after the battery runs out of energy.
    3. Hybrid electric vehicles (HEV) that cannot be charged from the power grid, but have an electric motor and a battery that recharges itself when we slow down, break or go downhill.
    4. Conventional cars with internal combustion engines burning Gasoline.


    On average across the USA, it turns out All-electric vehicles (BEV) emit the smallest amount of CO2 to the atmosphere. PHEV and HEV are very close to each other with only a small advantage in favor of the PHEV. And the conventional gasoline burning vehicle emits almost twice as much CO2 to the atmosphere compared to the PHEV and HEV, and close to three (2.62) times as much as an all-electric vehicle.

    But that's a national average, and this does not tell us much about California, New Hampshire or Illinois for example. All we need to do is click the "Choose a State" button, and this allows us to quickly visualize if we live in a state where a BEV or PHEV emits less CO2 than an HEV or conventional vehicle. For brevity, the only two states whose results are presented here are those with the lowest and highest levels of CO2 emissions from electricity sources.



    In Vermont, renewable forms of energy (hydro, biomass, wind, solar) are responsible for more than 99% of electricity generation. Consequently, well-to-wheel CO2 emissions (see definition at end of this post) for an all-electric car are essentially zero in Vermont. Plug-in hybrids emit the second least amount of CO2. An HEV in Vermont emits about twice as much CO2 as a PHEV, and a conventional car emits about twice as much CO2 as an HEV.



    In West Virginia where 92% of electricity sources come from coal, the vehicle type with the lowest carbon footprint is the HEV, because it is never connected to the power grid. One would need reasons other than reducing CO2 emissions, such as enjoying a silent drive or the exhilarating acceleration and low center of gravity of a BEV, in order to justify purchasing one.

    Maps of CO2 emissions rank by vehicle type


    For each of the 50 states, we can find out what vehicle type emits the least amount of CO2 to the atmosphere, and determine what vehicle type finishes second, third and fourth in increasing order of CO2 emissions. The results are displayed in the four maps below.



    It is interesting to find that all-electric vehicles (BEVs) emit the least amount of CO2 in 40 states. Hybrid vehicles (HEVs) are the most ecological choice in the remaining 10 states that are heavily dependant on coal as an electricity source.




    PHEVs take the second rank in 33 states. BEVs come in second for 9 of the 10 states for which they did not occupy first rank. Finally, HEVs take the second rank in 8 states.


    HEVs are the dominant vehicle type occupying third rank, with 33 states. PHEVs come in third place in 16 states, and all-electric vehicles occupy third rank in only one state: West Virginia.


    The map displaying fourth and last rank is boring but nevertheless revealing. All 50 states have conventional cars as their most intense CO2 emitters.


    Methods of calculation


    Readers interested to learn more can visit this other USDE webpage, which provides technical and methodological details about electricity sources and annual vehicle CO2 emissions that were assumed in the calculations. The USDE online tool presents average values for sales-weighted model year vehicles. Of course, not all PHEVs have the same electric range. Some PHEVs have as little as 15 miles of electric range whereas others have 50 or more miles of electric range. For example, a Chevy Volt or Honda Clarity PHEV may have CO2 emissions that are very close to those of a BEV. In order to better understand and interpret the mapped results presented above, it is important that you read the section on direct (tailpipe) and well-to-wheel emissions from the USDE web page, copied verbatim below for completeness.

    Direct and Well-to-Wheel Emissions (copied from USDE)


    Vehicle emissions can be divided into two general categories: air pollutants, which contribute to smog, haze, and health problems; and greenhouse gases (GHGs), such as carbon dioxide and methane. Both categories of emissions can be evaluated on a direct basis and a well-to-wheel basis.

    Conventional vehicles with an internal combustion engine (ICE) produce direct emissions through the tailpipe, as well as through evaporation from the vehicle's fuel system and during the fueling process. Conversely, EVs produce zero direct emissions. PHEVs produce zero tailpipe emissions when they are in all-electric mode, but they can produce evaporative emissions. When using the ICE, PHEVs also produce tailpipe emissions. However, their direct emissions are typically lower than those of comparable conventional vehicles.

    Well-to-wheel emissions include all emissions related to fuel production, processing, distribution, and use. In the case of gasoline, emissions are produced while extracting petroleum from the earth, refining it, distributing the fuel to stations, and burning it in vehicles. In the case of electricity, most electric power plants produce emissions, and there are additional emissions associated with the extraction, processing, and distribution of the primary energy sources they use for electricity production.


    Sunday, February 10, 2019

    Points de Lagrange - places de "stationnement" spatiales

    2019-02-10 Date de publication initiale

    Les points de Lagrange1 du système Soleil-Terre, au nombre de cinq, sont des endroits où l'effet combiné de la force de gravité exercée par la Terre et par le Soleil est tel que si on y plaçait un corps de très faible masse, ce corps pourrait constamment se maintenir à la même position relativement à la Terre et au Soleil. Cette situation est illustrée dans le graphique ci-bas où les cercles verts identifiés par les chiffres 1 à 5 montrent la position des points de l'espace qui ont la même vitesse de rotation angulaire que la Terre (en bleu) autour du Soleil (en jaune).

    Source: Anynobody CC BY-SA 3.0, Wikimedia Commons  

    L'oeuvre de deux hommes: Euler et Lagrange

    Les trois premiers points (1, 2, 3), tous situés sur la ligne joignant la Terre au Soleil, furent découverts par le mathématicien et physicien suisse du XVIIIème siècle Leonhard Euler (1707-1783). Les deux derniers points (4 et 5) furent quant à eux découverts par le mathématicien et physicien Joseph-Louis Lagrange (1736-1813), d'origine italienne et plus tard naturalisé français. Euler et Lagrange ont entretenu une correspondance par lettres qui s'est échelonnée sur de nombreuses années et qui a mené à des travaux conjoints de grande importance en physique et en mathématiques. La tradition en physique veut néanmoins que nous référions à l'ensemble des cinq points en utilisant l'expression raccourcie "points de Lagrange". Par conséquent, la lettre 'L' précède chacun des points 1 à 5 dans le graphique suivant.

    Points de Lagrange L1 à L5 (en rouge) du système Soleil-Terre. La flèche indique le sens de rotation de la Terre autour du Soleil, de sorte que L4 précède la Terre dans son orbite tandis que L5 la suit. Adapté de Wikimedia Commons.

    Stables ou instables?

    Les points L1, L2 et L3 sont instables2, ce qui signifie qu'une infime perturbation de leur trajectoire est appelée à s'amplifier avec le temps. Ainsi, dès qu'un corps situé à L1, L2 ou L3 est légèrement déplacé, il aura tendance à s'éloigner de plus en plus de ces points. Par conséquent, on ne trouve ni accumulation de poussière ni astéroïde aux points L1 à L3 des systèmes Terre-Soleil, Terre-Lune ou Jupiter-Soleil par exemple.

    Contours du potentiel généralisé tel que défini par Cornish2 pour effectuer des analyses de stabilité au voisinage des cinq points de Lagrange. Crédit: Neil J. Cornish2


    En revanche, il est possible de démontrer mathématiquement que lorsque la masse d'un des deux corps massifs (exemple: Soleil) est plus de 25 fois supérieure à la masse du deuxième corps massif (exemple: Jupiter), les points L4 et L5 sont stables2. On peut donc y trouver des accumulations de poussière et des astéroïdes qui tournent autour de L4 et L5. Ici la plus grosse planète du système solaire vole la vedette avec plusieurs milliers d'astéroïdes dits "troyens" observés en orbite autour des points L4 et L5 du système Jupiter-Soleil. Quant au système Terre-Soleil, on ne lui connait à ce jour qu'un seul astéroïde troyen, poétiquement nommé 2010 TK7, dont l'orbite autour de L4 a une période de 395 ans3.


    Satellites artificiels en orbite autour du point L1

    Le point de Lagrange L1 se trouve entre la Terre et le Soleil, à 1.5 million de kilomètres de la Terre. Pour mettre les choses en perspective, le point L1 se trouve ainsi 4 fois plus éloigné de la Terre que la Lune (384 000 km), mais 100 fois moins éloigné de la Terre que le Soleil (150 millions de km).

    Le point de Lagrange L1 est un endroit idéal pour faire l'observation du soleil et du vent solaire. Même si ce point de Lagrange est instable, il suffit de faire de très légères corrections de trajectoire aux satellites artificiels que nous y plaçons, à intervalles d'environ 3 à 4 semaines, pour arriver à les maintenir en orbite autour de L1 en utilisant très peu de carburant. Voici quelques exemples de satellites actuellement en orbite autour de L1.

    • Le satellite WIND, lancé en 1994 et toujours en fonction, est doté de 7 instruments lui permettant de mesurer les ondes radio et le plasma du vent solaire. 
    • Le satellite SoHO (Solar and Heliosheric Observatory), lancé en 1995 et toujours en fonction, est doté de 12 instruments et nous fournit des informations sur le vent solaire et la météorologie spatiale.
    • Le satellite ACE (Advanced Composition Explorer), lancé en 1997 et toujours en fonction, est doté de 9 instruments permettant d'analyser la composition des particules faisant partie du vent solaire ou des rayons cosmiques.
    • DSCOVR (Deep Space Climate Observatory), lancé en 2015, mesure lui aussi le vent solaire. Mais l'un de ses 5 instruments, nommé EPIC (Earth Polychromatic Imaging Camera), est tourné vers la Terre. Cette caméra prend de splendides photos à chaque 2 heures de la moitié de la surface de la Terre qui est éclairée par le soleil. Les photos les plus récentes sont mises à jour quotidiennement ici et valent vraiment la peine que l'on y jette un coup d’œil. À titre d'exemple, le 5 juillet 2016, EPIC a capturé un premier événement de transit lunaire (la Lune qui passe devant la Terre) qui met en vedette la face cachée de la Lune que nous ne pouvons jamais voir à partir de la Terre!


    La caméra EPIC possède un champ de vision de 0.62°, ce qui suffit amplement pour bien voir l'ensemble de la planète Terre dont la grandeur nominale est de 0.5° lorsque vue à partir du point de Lagrange L1.

    Satellites artificiels en orbite autour du point L2

      Le point de Lagrange L2 se trouve à la même distance de la Terre que le point L1 (1.5 million de kilomètres), mais il se situe du côté plus éloigné par rapport au soleil. Ce plus grand éloignement par rapport au soleil, combiné au fait que ni la Terre ni la Lune ne viennent jamais obstruer son champ de vision vers l'extérieur du système solaire, en font un endroit idéal pour y placer des télescopes spatiaux.

      • Le télescope spatial infrarouge Hershel, actif de 2009 à 2013, était spécialisé pour l'observation d'objets froids dans le système solaire, dans la Voie Lactée et même au-delà. 
      • Le téléscope spatial Planck, lui aussi actif de 2009 à 2013, fut conçu pour cartographier le fond de micro-ondes cosmique issu du Big Bang.
      • Le téléscope spatial Gaia, lancé en 2013 et toujours en fonction, mesure les positions, distances et mouvements des étoiles de la Voie Lactée avec une précision sans précédent.
      • Quant au télescope spatial James Webb, son lancement a déjà été reporté à quelques reprises et est maintenant prévu pour 2021. Il pourra mesurer les ondes électromagnétiques de la couleur orange (0.6 micron) jusqu'à l'infrarouge moyen (27 microns), ce qui permettra de détecter des objets encore plus lointains que ce que nous avons pu faire avec le télescope spatial Hubble qui se trouve quant à lui en basse orbite autour de la Terre.
      Télescope spatial James Webb. Crédit illustration: NASA [Public domain], via Wikimedia Commons

      Satellites ou stations spatiales autour des points L3, L4 et L5

      En date d'aujourd'hui, aucun satellite et aucune station spatiale n'ont été placés en orbite autour des points L3, L4 ou L5 du système Terre-Soleil.

      Puisque le point L3 est situé en tout temps du côté opposé du Soleil et est par conséquent toujours invisible à partir de la Terre, les auteurs de science-fiction y ont parfois imaginé la présence d'une station spatiale d'extra-terrestres ou autres choses exotiques dans ce genre. Cependant les sondes spatiales qui ont pu y jeter un coup d'oeil n'y ont rien détecté, ce qui décevra certaines personnes adeptes des théories du complot...

      Quant aux points L4 et L5, les auteurs de science fiction ont déjà imaginé des scénarios où l'espèce humaine établirait des stations spatiales qui serviraient de relais pour les astronautes entre la Terre et le reste du système solaire, voire du cosmos. Nous ne sommes pas encore rendus là du point de vue technologique, mais rien ne nous empêche d'y rêver!

      Conception artistique d'une station spatiale de forme toroïdale au point de Lagrange L5.
      Crédit: Donald Davis [Public domain], via Wikimedia Commons

      Notes

      1. Point de Lagrange. Wikipedia, article consulté le 10 février 2019.
      2. Cornish, N.J., 1998. The Lagrange points. NASA WMAP Education and Outreach.
      3. Connors, M., P. Wiegert and C. Veillet, 2011. Earth’s Trojan asteroid. Nature volume475pages481483.
      4. Gilbert, D. 2019. Points de Lagrange - places de stationnement spatiales (fichier PowerPoint)

      Sunday, September 30, 2018

      Les émissions humaines de CO2 seraient responsables de la tendance au réchauffement et à la désoxygénation des eaux profondes qui pénètrent dans le golfe du Saint-Laurent

      2018-09-30 Date de publication initiale
      2019-03-10 Dernière mise à jour

      Le 17 septembre 2018, j'ai cosigné avec six de mes collègues un article dans la revue scientifique Nature Climate Change1. Avec la publication de cet article, nous avons franchi une étape importante dans notre compréhension des mécanismes impliqués dans la forte tendance à la hausse de la température de l'eau et la forte tendance à la baisse de la teneur en oxygène dissous observées dans les eaux profondes qui pénètrent dans le golfe du Saint-Laurent2.

      Conclusion principale de l'article: En comparant deux expériences de simulation par ordinateur de l'évolution du climat, avec et sans augmentation des concentrations atmosphériques de CO2, nos résultats montrent un rapide réchauffement et une rapide désoxygénation des eaux profondes du golfe du Saint-Laurent seulement dans la simulation du climat AVEC une augmentation du CO2. Dans la simulation du climat SANS augmentation de CO2, la température de l'eau et sa teneur en oxygène ne subissent que des variations naturelles vers le haut ou vers le bas qui ne durent que quelques années avant de se renverser, sans tendance nette à long terme. Un lien de cause à effet a ainsi pu être démontré entre l'augmentation des émissions humaines de CO2 dans l'atmosphère d'une part, et le réchauffement et la désoxygénation des eaux profondes qui pénètrent dans le golfe du Saint-Laurent d'autre part.

      Une initiative de partage de contenu scientifique mise en place par Springer Nature, SharedIt, permet à quiconque de visualiser gratuitement à l'écran une version intégrale de notre article en cliquant sur cet hyperlien: Rapid coastal deoxygenation due to ocean circulation shift in the northwest Atlantic.

      Dans une étude précédente publiée en 20052, nous avions patiemment colligé un ensemble d'observations historiques de température, salinité et oxygène dissous allant de 1932 à 2003. Ceci nous avait permis de décrire les changements dans les masses d'eaux profondes du golfe du Saint-Laurent (réchauffement, salification, désoxygénation), mais nous n'étions pas en mesure d'expliquer les phénomènes observés, ce que fait maintenant la nouvelle étude1.

      Teneurs actuelles en oxygène dissous

      Afin de bien interpréter les conséquences de ces nouveaux résultats, il est important de commencer par bien décrire les teneurs actuelles d'oxygène dissous dans le golfe du Saint-Laurent.

      La carte géographique ici-bas montre les teneurs en oxygène dissous près du fond (moins de 10 m au-dessus du fond marin local) dans l'ensemble du golfe du Saint-Laurent.


      Explication de l'échelle de couleur  100% de saturation en oxygène correspond à la teneur en oxygène dissous pour laquelle la couche supérieure de l'océan qui est en contact direct avec l'atmosphère se trouve en équilibre d'échange gazeux avec l'atmosphère: c'est à dire qu'un nombre égal de molécules d'oxygène quitte l'océan en direction de l'atmosphère ou encore est absorbé par l'océan en provenance de l'atmosphère. Un taux de 50% de saturation en oxygène signifie que ces eaux marines ont perdu la moitié de la concentration d'oxygène qu'elles avaient originalement au moment où elles ont cessé d'être en contact direct avec l'atmosphère et se sont mises à descendre plus en profondeur. Un taux de 20% de saturation en oxygène signifie quant à lui que 80% de l'oxygène dissous a déjà été consommé par la respiration animale ou les processus de décomposition de la matière organique par les bactéries présentes dans la colonne d'eau.

      Cette carte du golfe du Saint-Laurent montre que les taux de saturation en oxygène sont généralement supérieures à 50% aux endroits où la profondeur du fond est d'environ 150 m ou moins. Ces endroits sont relativement bien oxygénés actuellement. Aux profondeurs supérieures à 200 m, les taux de saturation en oxygène près du fond sont supérieurs à 50% dans la région du détroit de Cabot, mais se dégradent ensuite au fur et à mesure que nous nous déplaçons en direction de la tête des trois chenaux profonds du golfe du Saint-Laurent: le chenal Laurentien, le chenal Esquiman et le chenal Anticosti.


      Une coupe verticale de la colonne d'eau le long du chenal Laurentien, entre Tadoussac à l'ouest et le détroit de Cabot à l'est, nous aide à se faire une meilleure représentation mentale en trois dimensions des teneurs en oxygène. Les chenaux Esquiman et Anticosti présentent une structure verticale similaire à celle du chenal Laurentien. Entre la surface de l'eau et 100 m de profondeur, les teneurs en oxygène dissous sont supérieures à 60% de saturation tout au long du chenal Laurentien. En revanche, à 250 m de profondeur, nous notons que les eaux s'appauvrissent graduellement, passant d'environ 50% de saturation au détroit de Cabot pour descendre sous la barre des 20% près de Tadoussac.
      La nouvelle étude suggère que la baisse d'oxygène observée autour de 250 m de profondeur va probablement continuer au cours des prochaines décennies en raison de la poursuite de l'augmentation de la concentration de CO2 dans l'atmosphère, et ce malgré de possibles courtes périodes de hausses passagères dues à la variabilité naturelle.

      Conséquences écologiques

      Nous nous attendons à ce que les eaux moins profondes que 100 m demeurent bien oxygénées dans le futur et qu'elles continuent de supporter une vie marine diversifiée. Compte tenu des patrons actuels de teneurs en oxygène, les zones qui présentent les plus grands risques de perte de biodiversité dans le futur en raison de baisses d'oxygène sont les têtes des chenaux Laurentien, Esquiman et Anticosti aux profondeurs supérieures à 150 m.

      Les espèces animales marines possèdent une très large gamme de niveaux de tolérance aux basses teneurs en oxygène dissous3. Par exemple, la morue est généralement absente des régions où la teneur en oxygène dissous près du fond tombe sous la barre de 30% de saturation. Le loup tacheté possède un seuil de tolérance également situé autour de 30% de saturation. D'autres espèces sont mieux adaptées au manque d'oxygène que la morue et le loup tacheté, pouvant tolérer des teneurs en oxygène dissous de 15%, 10% ou même 5% de saturation.

      Toutefois, l'absence totale d'oxygène (anoxie) est incompatible avec les formes dites avancées de vie marine, car la respiration anaérobie est beaucoup moins efficace que la respiration aérobie pour extraire de la nourriture ingérée l'énergie nécessaire au maintien de la vie. Grosso modo, la respiration en présence d'oxygène peut fournir jusqu'à 19 fois plus d'énergie que la respiration en absence d'oxygène. On comprend ainsi mieux pourquoi la présence d'oxygène est si cruciale pour le maintien de la vie animale marine.



      Prochaines étapes

      L'étude de simulation du climat que nous venons de publier1 a requis neuf mois de calculs continus sur un superordinateur doté de 10,000 nœuds de calculs. L'outil de modélisation employé pour représenter les interactions entre l'océan, l'atmosphère et la glace sur l'ensemble de la planète Terre ne peut toutefois pas prendre en compte tous les processus physiques et biogéochimiques connus. Par exemple, le modèle informatique employé n'incluait pas les flux de nutriments (nitrates, phosphates) et de matière organique livrés à l'estuaire et au golfe du Saint-Laurent par le fleuve Saint-Laurent et d'autre rivières.

      Un bilan exhaustif des flux de nitrates, phosphates et matière organique en provenance du fleuve Saint-Laurent est maintenant disponible4. Une évaluation plus complète de l'ensemble des facteurs susceptibles d'influencer les concentrations d'oxygène dans l'estuaire et le golfe du Saint-Laurent devra en tenir compte. Une équipe est déjà à l'oeuvre pour mettre au point un modèle régional de simulation du golfe du Saint-Laurent qui inclura les charges de nutriments et matière organique du fleuve Saint-Laurent et qui inclura aussi des processus physiques et biogéochimiques qu'il n'était pas possible d'inclure dans un modèle mondial. À suivre dans quelques années...

      Entrevues nationales canadiennes

      2018-09-21 Interview with Bob McDonald of CBC Quirks & Quarks

      2018-09-23 Entrevue avec Sophie-AndréeBlondin, Les années lumière, Radio-Canada (aller à 12h27)

      2018-10-05 Interview with Holly Lake, iPolitics 

      Notes:

      1 Claret, M., Galbraith, E.D., Palter, J.B., Bianchi, D., Fennel, K., Gilbert, D. and Dunne, J.P., 2018. Rapid coastal deoxygenation due to ocean circulation shift in the northwest Atlantic. Nature Climate Change, 8, 868-872. doi: 10.1038/s41558-018-0263-1

      2 Gilbert, D., Sundby, B., Gobeil, C., Mucci, A. and Tremblay, G.-H., 2005. A seventy-two-year record of diminishing deep-water oxygen in the St. Lawrence estuary: The northwest Atlantic connection. Limnol. Oceanogr., 50: 1654-1666. doi: 10.4319/lo.2005.50.5.1654

      3 Ekau, W., Auel, H., Portner, H.-O, & Gilbert, D., 2010. Impacts of hypoxia on the structure and processes in pelagic communities (zooplankton, macro-invertebrates and fish). Biogeosciences7, 1669-1699. doi: 10.5194/bg-7-1669-2010

      4 Hudon, C., Gagnon, P., Rondeau, M., Hébert, S., Gilbert, D., Hill, B., Patoine, M. & Starr, M., 2017. Hydrological and biological processes modulate carbon, nitrogen and phosphorus flux from the St. Lawrence River to its estuary (Quebec, Canada). Biogeochemistry, 135: 251-276. doi: 10.1007/s10533-017-0371-4

      Wednesday, August 22, 2018

      Book review: Lost in math - How beauty leads Physics astray

      Sabine's book surrounded by beauty.

      Backreaction blog

      In May 2017, I ran across an intriguing Physics paper1 that claimed to explain the observed value of the cosmological constant using ingredients drawn from the theories of general relativity and quantum mechanics. This paper had garnered a large amount of public attention, and I thought it would be fun to read through it and then report back on the paper's main findings to the "Club d'astronomie de Rimouski", of which I am a member. This paper was outside my field of expertise (physical oceanography), filled with mathematical notations that I was not familiar with, so that I quickly felt the need to look for a critical assessment of it by a physicist specialized in cosmology. Google searches eventually led me to a Backreaction blog post2 by Sabine Hossenfelder. Her post contained a healthy mixture of positive and more critical comments about this 'hot off the press' paper proposing an explanation for the cosmological constant. I immediately liked Sabine's direct, funny, honest writing style and began following her on Twitter.

      Now fast forward one year, and I end up purchasing a copy of Sabine's very first book3, in which she explores some of the difficulties encountered in contemporary theoretical physics, especially in the areas of elementary particle physics and cosmology.

      The standard model of particle physics

      In 2012, the joint discovery of the Higgs boson by two teams of experimental physicists at the Large Hadron Collider (LHC) in Geneva provided conclusive evidence for the 25th of the 25 particles of the standard model of particle physics, whose development began in the 1960s and was largely completed in the 1970s. In the standard model, the Higgs boson's task is to give mass to some (but not all) of the 24 other standard model particles. Physicists were confident they would eventually find the Higgs boson, but were lacking theoretical guidance as to what its mass (and energy, through Einstein's E = mc2) should be.

      Ever since the LHC was built, many physicists were also hoping to discover new physics and observe new types of particles beyond the 25 particles of the standard model. In fact, several physicists were so confident that new supersymmetry particles would soon be found at LHC that they placed a bet on it. But in 2016, those who won the bet (a bottle of cognac was at stake) were the ones who predicted the absence of supersymmetry particles at the LHC4.

      One the main reasons for which so many physicists were convinced the LHC would reveal new particles beyond the standard model comes from the current "state-of-the-art" mass and energy budget of the observable Universe.

      Cosmology

      The best fit of observations of the cosmos to the mathematics of Einstein's general relativity are consistent with a worldview in which 'dark energy' constitutes 68.3% of the total matter-energy budget of the Universe. Astronomers' measurements indicate that the remaining 31.7% is made up of matter, which physicists further break down into two categories: 'dark matter' (26.8%) and ordinary matter (4.9%). While ordinary matter is made up of the 25 particles of the standard model of physics, the fundamental nature of dark matter remains a mystery, though theories abound as to possible candidates that would only very weakly interact with ordinary matter. And some of those theories predict that we should already have seen dark matter particle candidates at the collision energies that have been achieved at the LHC, but we have not. So what gives? Sabine largely blames theoretical physicists' biases and preferences for mathematical theories that they find simple, elegant and beautiful.

      Beauty - not always a good guide in physics

      Beauty is an acquired taste that involves cultural values as well as one's lifelong training and interests. Throughout their professional careers, most theoretical physicists have acquired a sense of beauty for mathematics that they find elegant, simple, and, well, beautiful...

      Trouble is, simplicity does not always win. Planets' orbits around the sun would be simpler if they were perfectly circular, but observations show they are rather elliptical. 

      I am a physicist, but am not a specialist in either particle physics or cosmology. I specialized in the physics of Earth's ocean and atmosphere. Consequently, I am in no position to judge on the adequacy of supersymmetry or string theory, of which I frequently hear about or read about in popular science TV shows or magazines. 

      As we read "Lost in Math", we follow globetrotter Sabine as she goes from place to place to discuss about cutting-edge fundamental physics with renowned physicists, including a few Nobel prize winners. She interacts with them, asking for their views as to why we have not yet seen evidence of particles beyond the standard model at the LHC and other ongoing experiments. She also asks questions that help clarify what each physicist personally considers beautiful. To which Steven Weinberg famously replied that a good horse breeder can immediately recognize a beautiful horse when he sees one!

      Large experiments such as the LHC are very expensive, and generally require many years to plan and build. Therefore, the time lag between developing and testing hypotheses has grown very large over the past 30 to 40 years. In the absence of experimental data, how are we then supposed to decide which theoretical predictions are most worthy of eventually being tested in often expensive experimental setups? On which criteria should we judge untested theories? Sabine leaves this question unanswered, but opines that the beauty and elegance of mathematical theories can be a very poor guide and often has no connection whatsoever with physical reality.

      I recommend "Lost in Math" to anyone interested in fundamental science and epistemology, because many of the issues raised in the book go much beyond physics. Sabine calls for a renewed dialogue between scientists and philosophers, and recalls us that physics is not math. Physics is choosing the right math. And for that to happen, observational guidance remains necessary.



      Notes

      1. Wang, Q., Zhu, Z., Unruh, W.G. 2017 How the huge energy of quantum vacuum gravitates to drive the slow accelerating expansion of the Universe. Phys. Rev. D 95:103504. Arxiv:1703.00543 [gr-qc]
      2. Hossenfelder, S. 2017. Does parametric resonance solve the cosmological constant problem? Backreaction, May 31, 2017. 
      3. Hossenfelder, S. 2018. Lost in Math: How Beauty Leads Physics Astray. Basic Books. New York, USA. 291p.
      4. Wolchover, N. 2016. Supersymmetry bet settled with cognac. Quanta Magazine, August 22, 2016.






      Tuesday, July 17, 2018

      Chevy Volt 2015 gas consumption statistics - an Eastern Canada case study

      2018-07-17 Initially posted
      2019-06-02 Last updated

      I am a climate scientist, not a car specialist.

      In February 2015, after giving a scientific seminar on global warming, I asked myself what little step I could personally take to reduce my carbon footprint.

      This started a month-long process of diligently doing my homework in terms of
      1. Thinking what my needs were with respect to my daily commute to work and occasional longer trips for family visits or vacation.
      2. Taking into account the reduction in electric range due to the very cold winters of eastern Québec, Canada.  See my post on Canadian winter temperatures and EVs (written in French).
      3.  Looking at all the battery electric vehicles and plug-in hybrids that were then available for sale in Québec and that I could afford (this did not include the Tesla model S...).
      On March 27, 2015, I ended up purchasing a Chevy Volt (first generation, model year 2015), with the following specifications:
      • Battery: 17.1 kWh
      • Electric range: 61 km
      • Extended range (gasoline): 600 km
      • Combined city/highway gas consumption: 6.4 L/100 km
      Well, you know, specs are just that, specifications.

      From Day 1, I decided that at each gas filling, I would carefully note both the number of litres of gasoline purchased and the car's odometer reading.

      On March 27, 2019, exactly four complete years after the car's purchase, I report my 1st generation Chevy Volt's gas consumption statistics for others to look at.

      Below is a graphical summary of my 2015 Chevy Volt's gas consumption statistics over 4 complete annual cycles.

      Over these four FULL years, the average gas consumption was 2.31 litres per 100 km (2.3 L/100 km). For comparison, the car I previously owned (Honda Fit 2009) had a combined city/highway/summer/winter gas consumption of 6.5 L/100 km.

      Mission accomplished: by purchasing a plug-in hybrid electric vehicle (PHEV), I actually reduced my gasoline consumption by a whooping 65%! 😊



      Interpretation of graphic
      • the horizontal red bars represents the seasonal median (50th percentile) gas consumption rates, so that 50% of the time, the gas consumption rate was higher than the red bar, and it was lower 50% of the time for each of the four seasons.
      • The lower blue horizontal bars represents the 25th percentiles
      • The upper blue horizontal bars represents the 75th percentiles
      • The small red dots represent individual gas fill-ups that are either below the 25th percentile or above the 75th percentile.
      The lowest gas consumption rate is found in summer (1.1 L/100 km), whereas the highest gas consumption rate occurs in winter (4.0 L/100 km). Intermediate values of gas consumption rates are observed during spring (2.6 L/100 km) and fall (2.5 L/100 km).

      To gain some insight as to why gas consumption rates are much higher in winter than in summer, it is useful to look at the details of my daily commute from home to work. A one-way trip is 38.5 km, and a two-way trip from home to work and then back home is 77 km. Unfortunately, there is no charging station at my workplace, so that I can only charge my car at home.

      During the summer, I usually DO get the 61 km of electric range advertised in the Chevrolet specifications. In fact, I often get more than 65 km of electric range, and sometimes get over 70 km of zero emission car driving. On five daily commutes over this 3-year period, I managed to squeeze 77 km of electric range out my car and was able to park the Volt in my driveway without burning any gasoline! In the graphic below, the dashed blue line indicates that gasoline may or may not be needed for the last 20 kilometers of my summer ride back home.

      In the winter, the lithium-ion batteries are not as efficient. Roughly speaking, the reduction in electric range is about 10% to 20% around 0°C, but can get as bad as 50% below -20°C.  Over three full winters, I found that depending on outside temperatures, wind and snow conditions, the Volt's 1stGen electric range can vary between about 30 km and 50 km (dashed green line below). Gasoline may or may not be required over this 30 to 50 km portion of my return trip (dashed blue line below), but will always be needed over the last 27 km of my ride back home (continuous blue line below).
      In a nutshell, the two above graphics schematically explain why gas consumption rates are much higher in winter than in summer for my Chevy Volt 2015.

      Someone else's situation will be different from mine with respect to
      1. distance from home to work
      2. availability (or not) of a charging station at work
      3. climatic conditions
      4. model year; Chevy Volt's electric range increased to 85 km in 2016.

      1335 km-long winter trip with Chevy Volt with temperatures below 20°C.

      Advocates of plug-in hybrid electric vehicles (PHEVs), of which I am, like to say that PHEVs represent a really interesting compromise. PHEVs allow one to dramatically cut gasoline consumption (hence reducing CO2 emissions) while at the same time providing peace of mind by completely eliminating electric range anxiety.

      During the 2017 Christmas holiday, we drove our Chevy Volt on a 1335 journey with several stopovers to visit family and friends in the province of Québec. This family trip coincided with a polar vortex southern excursion that saw air temperatures plunging between -20°C and -25°C for the entire 4-day duration of our trip. I only drove 35 km on electric range. The remaining 1300 km were driven on gasoline power, and they explain the three red dots indicating gas consumption rates above 6.4 L/ 100 km in the topmost graphic of this post. The Volt passed the cold Canadian winter test with flying colors!




      Epilogue

      I think it's both important and urgent that we all reduce our carbon dioxide (CO2) and methane emissions in order to slow down global warming and minimize sea level rise and other adverse impacts of global warming on coastal infrastructure and ecosystems.

      For most citizens, the most concrete action they can take in their personal lives in order to reduce CO2 emissions is to purchase a low-CO2 emissions car when the time comes to buy their first car or to  replace their current vehicle.

      In the province of Quebec, Canada, the average lifetime of a car is 15 years. Over that time period, this average car will have travelled some 300,000 kilometres. Imagine reducing your CO2 emissions by 65% or more over this 15-year time frame, and telling your grand-children that you did your share in the collective efforts to avoid runaway greenhouse warming!

      Sunday, February 25, 2018

      Véhicule électrique et froid hivernal - bien choisir son modèle 2018 en tenant compte des hivers au Québec

      2018-02-25: Date de publication initiale
      2019-03-12: Dernière mise à jour

      Chaque hiver au Québec, des vagues de froid font plonger les températures de l'air sous la barre des -20°C.  Or l'expérience de nombreux conducteurs Québécois indique que l'autonomie d'un véhicule électrique peut diminuer jusqu'à 50% de sa valeur nominale lors de froids très intenses (entre -20°C et -30°C). Afin d'éviter les mauvaises surprises et de craindre de tomber en panne au cours de l'hiver, il est donc crucial de bien tenir compte de cet aspect incontournable du climat du Québec.


      La station météorologique située à l'aéroport de Mont-Joli, située à moins de 10 km de mon lieu de travail (Institut Maurice Lamontagne), a permis de recueillir des données de température de l'air depuis 1875. Vers la fin du 19ème siècle et au début du 20ème siècle, on observait parfois jusqu'à 50 journées par année plus froides que -20°C. Dans le passé plus récent, on a observé une trentaine de journées plus froides que -20°C de 1991 à 1994 et 22 telles journées en 2015. Étant donné la durée de vie moyenne d'un véhicule qui est d'environ 15 ans, il paraîtrait donc prudent de s'attendre à jusqu'à une vingtaine de journées très froides par hiver au cours desquelles l'autonomie de votre véhicule électrique pourrait être réduite jusqu'à 50% de sa valeur nominale.


      Le graphique ci-haut montre trois lignes obliques ainsi que l'autonomie des 12 véhicules entièrement électriques (lignes verticales pointillées) qui sont inclus dans la brochure Branchez-vous 2018, produite par l'Institut du véhicule innovant.

      La ligne noire indique l'autonomie EPA telle qu'annoncée par le fabriquant selon les normes de l'Agence de Protection Environnementale Américaine (U.S. EPA). C'est l'autonomie à laquelle vous pouvez vous attendre en été (sans climatisation) sur un terrain plat et en respectant les limites légales de vitesse en ville et sur l'autoroute.

      La ligne bleue indique une réduction de moitié de l'autonomie (EPA/2) lors de froids très intenses (-20°C à -30°C). Il s'agit d'une estimation approximative de la distance totale que vous pouvez parcourir lors de ces froids extrêmes en fonction de chaque modèle d'automobile.

      Au cas où vous utiliseriez votre voiture électrique pour effectuer un aller-retour entre votre maison et une destination (exemple: lieu de travail) ne disposant PAS de borne de recharge électrique par une journée de très grand froid (-20°C à -30°C), il conviendra alors de veiller à ce que la distance aller simple séparant votre maison de votre destination n'excède pas la ligne rouge (EPA/4).

      Autres ressources en ligne:


      2019-03-12: Essai de la Chevrolet Bolt 2019 en hiver - adapter ses habitudes de conduite

      2019-02-20: 5 mythes sur les véhicules électriques et le froid