Sunday, October 13, 2019

Projections climatiques pour Rimouski (Québec, Canada)

2019-10-13 Publication initiale
2019-10-14 Dernière mise à jour

En juin 2019, Environnement et Changement Climatique Canada (ECCC) lançait un nouveau portail de données climatiques canadiennes: DonneesClimatiques.ca

Grâce à ce portail, les décideurs du secteur privé, des municipalités et des ministères provinciaux et fédéraux sont désormais mieux outillés pour prendre des décisions éclairées concernant les options de développement partout au Canada, en tenant compte des projections futures de changement climatique.

Dans cet article, mon objectif consiste à illustrer les divers types de données climatiques disponibles pour des milliers de municipalités en prenant l'exemple de la ville que j'habite: Rimouski. Un second exemple pour la ville de Toronto (en anglais) est également disponible sur mon blog. J'encourage les décideurs à explorer les informations que DonneesClimatiques.ca peut fournir pour les communautés dans lesquelles ils vivent. En cliquant sur le menu "Emplacement" de ce site internet, vous pourrez afficher à l'écran des données climatiques semblables à celles montrées ici pour presque toutes les villes et villages du Canada, peu importe que vous habitiez Montréal, Québec, Saguenay ou Caraquet.

Pour la ville de Rimouski (48.45 ºN, 68.53 ºW), je présente des graphiques qui montrent des simulations climatiques pour la période historique de 1950 à 2005 et pour la période de 2006 à 2100 en réponse à trois scénarios d'émissions de gaz à effet de serre (GES), appelés profils de concentration représentatifs (RCP = representative concentration pathways) dans la littérature scientifique.

  • RCP2.6 a un forçage radiatif net en GES de 2,6 W/m2 en 2100. Ce scénario peut être atteint à condition que des mesures rapides et très substantielles de réduction des émissions de GES soient prises dans le monde entier.
  • RCP4.5 a un forçage radiatif net en GES de 4,5 W/m2 en 2100. Comparé au RCP2.6, cela implique des actions moins rapides et de moindre ampleur pour réduire les émissions de GES.
  • RCP8.5 a un forçage radiatif net en GES de 8,5 W/m2 en 2100. Cela correspond plus ou moins au statu quo actuel, ce qui signifie que les nations du monde ne mettent en place que de timides mesures de réduction des émissions de GES.
Tous les résultats affichés plus bas proviennent d'un ensemble de 24 modèles climatiques.

Indices de température estivaux


À quel point fera-t-il chaud à Rimouski pendant la plus chaude journée de l'année? Les journées où le mercure dépassera les 35 ºC vont devenir de plus en plus fréquentes pendant la seconde moitié du 21ème siècle si nous ne réduisons pas nos émissions de GES de manière substantielle (RCP 8.5).

Ouais mais est-ce qu'il y aura beaucoup de journées de canicule avec des températures maximales supérieures à 30 °C? Selon le scénario du pire (RCP 8.5), on aurait autour de 40 journées plus chaudes que 30°C vers la fin du siècle. Mais en agissant dès maintenant pour réduire nos émissions de GES, ce nombre de journées pourrait demeurer inférieur à 10.


L'augmentation du nombre de journées très chaudes nécessitera une utilisation plus fréquente de la climatisation dans les entreprises, les maisons et les appartements. Les factures d'électricité pour les mois d'été deviendront donc plus dispendieuses par rapport à celles de la période historique.


Pour les personnes n'ayant pas accès à la climatisation, l'inconfort et les risques pour la santé associés aux vagues de chaleur estivales sont liés aux nuits tropicales au cours desquelles la température ne descend jamais sous un certain seuil (par exemple 20 °C). Afin d'éviter les nuits sans sommeil, de plus en plus de personnes auront besoin de la climatisation au cours des prochaines décennies.

La chaleur accrue pourrait être bénéfique pour l'agriculture en nous permettant de planter de nouvelles cultures et espèces d'arbres dans la région de Rimouski. Mais pour cela, il faudra que des précipitations suffisantes et bien réparties au cours de la saison de croissance soient au rendez-vous.



Indices de température hivernaux


De façon générale les conditions hivernales à Rimouski devraient s'adoucir. Ceci nuira aux activités extérieures de sports d'hiver, mais fera sans doute plusieurs heureux parmi les personnes qui n'aiment pas l'hiver ou le trouvent trop long.

Tandis que le jour le plus froid se situait historiquement près de -30 °C, selon le scénario RCP 8.5 (RCP 4.5) la journée la plus froide de l'année serait autour de -15 °C (-20°C) d'ici la fin du siècle.


De plus, le nombre de jours avec température minimale sous la barre des -15 °C, qui était historiquement d'environ 50 jours par an, tomberait à une dizaine de jours pour RCP 4.5 et chuterait à zéro pour RCP 8.5.


Par conséquent, le nombre total de jours de gel (pendant lesquels la température tombe sous 0 °C) diminuera également.


Les factures d'électricité en hiver devraient donc coûter moins cher en raison de la diminution du nombre de degrés-jours de chauffage. Toutefois, la baisse des coûts de chauffage en hiver sera au moins en partie compensée par les coûts croissants de la climatisation en été.



Indices de précipitation


Sous l'effet du réchauffement climatique, le cycle de l'eau mondial (évaporation et précipitation) devrait s'intensifier, entraînant une augmentation des précipitations totales à Rimouski.


Malheureusement, une partie de ces précipitations supplémentaires nous sera livrée sous la forme d'événements de précipitations extrêmes de plus en plus intenses.



Le climat futur de Rimouski dépend des émissions mondiales de GES

Les modèles climatiques sont des représentations mathématiques du système climatique physique réel. Ces modèles comportent des incertitudes intrinsèques. Mais il s’avère que les incertitudes de ces modèles sont moins importantes que celles relatives aux futures émissions de gaz à effet de serre de l’humanité (RCP 2.6, RCP 4.5 ou RCP 8.5). Les particuliers, les entreprises, les municipalités et les provinces canadiennes peuvent tous aider à faire progresser les choses dans la bonne direction (RCP 2.6), en réduisant considérablement leurs émissions de CO2 le plus rapidement possible.

Autres ressources


Wednesday, August 28, 2019

Climate projections to 2100 for Toronto (Ontario, Canada)

2019-08-28 Initially posted
2019-10-06 Last updated


In June 2019, Environment and Climate Change Canada (ECCC) launched a new Canadian climate data portal: ClimateData.ca.

Through this portal, decision makers in the private sector, municipalities, provincial and federal departments are now better equipped to make informed decisions about future development options all across Canada, taking into account projections of future climate change.

In this post, my goal is simply to illustrate the types of climate data that are available for thousands of municipalities by taking the example of Canada's largest city: Toronto. A second example is provided for the city that I live in: Rimouski (in French). I encourage decision makers to explore what information ClimateData.ca has in store for the communities they live in. Are there any takers of this challenge for Vancouver, Halifax, Calgary or Tuktoyaktuk?

For the City of Toronto (43.7417°N, 79.3733°W), I present plots of historical (1950-2005) and plausible futures (2006-2100) in response to three greenhouse gas (GHG) emissions scenarios that are referred to as Representative Concentration Pathways (RCP) in the scientific literature.


  • RCP2.6 has a net GHG  radiative forcing of 2.6 Watts/m2 in 2100. This can be achieved if quick and very substantial actions to reduce GHG emissions are taken worldwide.
  • RCP4.5 has a net GHG radiative forcing of 4.5 Watts/m2 in 2100. In comparison with RCP2.6, this involves less rapid and less substantial actions to reduce GHG emissions.
  • RCP8.5 has a net GHG radiative forcing of 8.5 Watts/m2 in 2100. This more or less corresponds to business as usual, which means not taking any substantial climate change mitigation action.
All results displayed below come from an ensemble of 24 climate models.


Summer temperature indices


How hot will it be in Toronto during the hottest day of the year? If we want the answer to be something less than 40°C, we will need to steer away from the RCP8.5 pathway.



OK, OK, looking at the hottest day of the year is a bit extreme, isn't it? How many days will have maximum temperatures above a given threshold? Let's pick a threshold of 30°C for example. We've historically had 20 to 30 days per year with maximum temperatures above 30°C. But if we do not address global warming seriously, this number might go up to 80 days by 2100 if we take the "business as usual" RCP8.5 pathway.




The increased number of warm summer days will require more frequent use of air conditioning in businesses, homes and apartments. This will imply more expensive power bills in the summer months in comparison with the historical period.



For people without access to air conditioning, the greatest amount of discomfort and health risk associated with summer heat waves has to do with warm tropical nights during which temperature never drops below a certain threshold (say 20°C). In order to avoid sleepless nights, more and more people will need air conditioning in the next decades.



The increased warmth may present opportunities to grow new crops in the Toronto area, such as new varieties of grape for example. But adequate precipitation will be needed if these new crops are to succeed.





Winter temperature indices


As a general rule, winter conditions in Toronto are projected to get milder. Whereas the coldest day used to be around -23°C, under the RCP 8.5 (RCP 4.5) pathway, the coldest day of the year would be around -10 °C (-15°C) by the end of the century.


Moreover, the number of days with minimum temperature below the -15°C threshold, which was historically about 15 days, will dwindle to close to zero. 



Consequently, the total number of frost days will also be decreasing.


And winter power bills are expected to get cheaper due to a decrease in the number of heating degree days. However, the decreased cost of heating in the winter will be at least partially offset by the increased cost of air conditioning in the summer.




Precipitation indices


Under global warming, the water cycle should intensify, leading to increased total precipitation.



Some of this extra rainfall will be delivered in the form of extreme rainfall events.




Toronto's future climate depends on global GHG emissions

Climate models are mathematical representations of the real physical climate system. These models have intrinsic uncertainties built into them. But it turns out those model uncertainties are smaller than uncertainties about what will be humanity's future greenhouse gas emissions (RCP 2.6, RCP 4.5 or RCP 8.5). Individual persons, businesses, municipalities and Canadian provinces can help move the needle in the right direction (RCP 2.6), towards much smaller CO2 emissions.

Other resources

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)