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1 Météo et Climat - Tremplin pour l'enseignement des Sciences – Emissions de polluants des véhicules – 1er avril 2016
Formation Météo et Climat
Stage "Tremplin des sciences"
1er avril 2016
Didier Pillot
Emissions de polluants
par les véhicules
Laboratoire Transports et Environnement
2 Météo et Climat - Tremplin pour l'enseignement des Sciences – Emissions de polluants des véhicules – 1er avril 2016
1
2
3
4
Changements climatiques et pollution de l'air
Principaux gaz à effet de serre et responsabilité des différents secteurs économiques (dont le transport routier)
Principaux polluants de l'air, part du transport routier et selon le type de moteur (principes de combustion, technologies de dépollution,...)
Réglementation des émissions et moyens de mesure (de laboratoire et sur route)
Réduction de l'empreinte carbone des véhicules et importance des bilans du "puits à la roue" (exemples des véhicules électriques et agrocarburants)
Politiques environnementales pour le transport
5
6
S
o
m
m
a
i
r
e
3 Météo et Climat - Tremplin pour l'enseignement des Sciences – Emissions de polluants des véhicules – 1er avril 2016
Changements climatiques et pollution de l'air
Deux problématiques à distinguer car les différents composés émis ont des impacts différents:
Effet de serre et changements climatiques globaux
Atteinte à la qualité de l’air ambiant – impacts locaux sur la santé et l’environnement (pollution de l’air, des
sols, acidification des eaux,…)
Des améliorations et compromis à trouver pour le moteur thermique
Des solutions de réduction des impacts qui peuvent avoir le double bénéfice (changement de motorisation, de mode de transport,…)
1
4 Météo et Climat - Tremplin pour l'enseignement des Sciences – Emissions de polluants des véhicules – 1er avril 2016
Enjeux sanitaires et biologiques (composés toxiques)
Protéger les populations (urbaines) et la biodiversité
Réduction effective de certains polluants liée aux dispositions réglementaires
(Désulfuration des carburants, limites plus sévères à l’émission des
véhicules, Plans de Protection de l'Atmosphère,...) mais
Des niveaux encore trop élevés pour d’autres (particules, NO2, O3,...)
Enjeux énergétiques
Les transports dépendent à plus de 95% du pétrole
Vers plus d’indépendance énergétique… et moins de tensions géopolitiques ?
Préparer la fin du pétrole abondant et bon marché Quelles énergies et
quels véhicules pour une demande croissante de mobilité ?
Enjeux climatiques (CO2)
La dernière décennie est la plus chaude des annales. 400 ppm de CO2 actuel.
Émissions liées à la combustion des énergies fossiles en croissance de plus de
40% depuis 1990 dans le monde
Les 3 types d’enjeu liés au parc actuel de véhicules 1
5 Météo et Climat - Tremplin pour l'enseignement des Sciences – Emissions de polluants des véhicules – 1er avril 2016
Les gaz à effet de serre anthropiques
PRG Potentiel de Réchauffement Global (GWP Global Warming Potential)
exprimé en "équivalent CO2".
Par définition, l'effet de serre attribué
au CO2 est fixé à 1 et celui des
autres substances relativement au
CO2, sur une période de 100 ans.
Gaz concernés, Protocole de Kyoto,
2nde période (2013-2020):
CO2 = 1
CH4 = 25
N2O = 298
SF6 = 22 800
NF3 = 17 200
HFC = 6 685 en 1990, 9 966 en
1993, 2 093 en 2013
PFC = environ 9 000
Source : GIEC, 2007
2
6 Météo et Climat - Tremplin pour l'enseignement des Sciences – Emissions de polluants des véhicules – 1er avril 2016
Composantes du forçage radiatif
Source : GIEC, 2007
2
7 Météo et Climat - Tremplin pour l'enseignement des Sciences – Emissions de polluants des véhicules – 1er avril 2016
Émissions de GES en France par secteur
Contribution aux gaz à effet de serre (GES) par secteur en France en CO2 eq. Source : inventaire SECTEN, CITEPA,
bilan préliminaire 2014
Évolution 1990-2013 en France Émissions en Mt CO2-e
2
8 Météo et Climat - Tremplin pour l'enseignement des Sciences – Emissions de polluants des véhicules – 1er avril 2016
Contribution aux oxydes d’azote par secteur en France
Source : inventaire SECTEN, CITEPA, bilan préliminaire 2014
Sources de NOx en France par secteur 3
Évolution 1990-2014 des NOx en France
Émissions en kt
Moyenne
-51%
9 Météo et Climat - Tremplin pour l'enseignement des Sciences – Emissions de polluants des véhicules – 1er avril 2016
Contribution aux particules PM10 par secteur en France
Source : inventaire SECTEN, CITEPA, bilan préliminaire 2014
Évolution 1990-2014 des PM10 en France
Émissions en kt
Moyenne
-50%
Sources de particules en France par secteur 3
10 Météo et Climat - Tremplin pour l'enseignement des Sciences – Emissions de polluants des véhicules – 1er avril 2016
Composés règlementés
Composés non-règlementés
Particules (masse et nb)
Particules ultrafines Carbone-suie NH3
Benzène, toluène, xylènes HAP Aldéhydes, cétones Platinoïdes : platine, palladium, rhodium…
Limitation des émissions nocives:
À l’homologation des véhicules pour CO, HC, NOx et particules
Via le contrôle technique
En moyenne de chaque marque pour le CO2
Carburant
CnH2n+2
essence gazole kérosène GPL GNV
C7H16
C8H18
C15H32
C20H42
C10H22
C14H30
C3H8 propane
C4H10 butane CH4
CO
HC/COV
NOx
Polluants à l’échappement 3
11 Météo et Climat - Tremplin pour l'enseignement des Sciences – Emissions de polluants des véhicules – 1er avril 2016
Composés principaux à l’échappement 3
diesel moteur essence
avant traitement dans la ligne d’échappement Source :
Site web NGK
12 Météo et Climat - Tremplin pour l'enseignement des Sciences – Emissions de polluants des véhicules – 1er avril 2016
Richesse optimale du mélange air/carburant 3
Meilleur compromis pour minorer les 3 polluants CO, HC, NOx mélange air-carburant à 1 sur moteur essence, contrôlé par la sonde à oxygène (λ)
Excès d’air sur moteur diesel CO plus bas mais NOx plus élévés (maximum en mélange légèrement pauvre à 0,9-0,95)
Le NO2 se forme très peu dans les moteurs essence (2% des NOx) alors qu’il représente 30% des NOx émis par le moteur diesel
13 Météo et Climat - Tremplin pour l'enseignement des Sciences – Emissions de polluants des véhicules – 1er avril 2016
Masse de CO2 rejetée par kg de carburant avec combustion complète :
Essence (octane) : 1 mole de C8H18 donne 8 moles de CO2 (et 9 moles de H2O) ;
en prenant la masse molaire de chaque atome présent dans la réaction
8x12+18x1 = 114 g d’essence donne 8x(12+2x16) = 352 g de CO2 (et 162 g de H2O)
Donc le rapport CO2 produit / consommation d’essence est de 3,09 en masse.
Par litre d’essence, le rapport devient (masse vol. essence entre 0,72 et 0,775 kg/l ) :
2,3 kg de CO2 par litre d’essence brulé
Formule générique de combustion complète des alcanes, avec excès d’air :
CnH2n+2 + ½ (3n+1) O2 n CO2 + (n+1) H2O + 12 kcal/g
Production de CO en combustion incomplète :
CnH2n+2 + ½ (n+1) O2 n CO + (n+1) H2O
Production d’HC : carburant imbrûlé et réactions
de pyrolyse + cracking à haute température
hydrocarbures insaturés (oléfines, aromatiques,…)
Équations de la combustion 3
Production de NOx :
N2 + O. NO + N. (1)
N. + .OH NO + H. NO + HO2
. NO2 + .OH
Production de particules
14 Météo et Climat - Tremplin pour l'enseignement des Sciences – Emissions de polluants des véhicules – 1er avril 2016
Masse de CO2 rejetée par kg de carburant avec combustion complète :
Gazole (cétane) : 1 mole de C16H34 donne 16 moles de CO2 (et 17 moles de H2O) ;
en prenant la masse molaire de chaque atome présent dans la réaction
16x12+34x1 = 226 g de gazole donne 16x(12+2x16) = 704 g de CO2 (et 306 g d’H2O)
Donc le rapport CO2 produit / consommation de gazole est de 3,12 en masse.
Par litre de gazole, le rapport devient (masse vol. gazole entre 0,820 et 0,845 kg/l ) :
2,6 kg de CO2 par litre de gazole brulé
Formule générique de combustion complète des alcanes, avec excès d’air :
CnH2n+2 + ½ (3n+1) O2 n CO2 + (n+1) H2O + 12 kcal/g
Production de CO en combustion incomplète :
CnH2n+2 + ½ (n+1) O2 n CO + (n+1) H2O
Production d’HC : carburant imbrûlé et réactions
de pyrolyse + cracking à haute température
hydrocarbures insaturés (oléfines, aromatiques,…)
Équations de la combustion 3
Production de NOx :
N2 + O. NO + N. (1)
N. + .OH NO + H. NO + HO2
. NO2 + .OH
Production de particules
15 Météo et Climat - Tremplin pour l'enseignement des Sciences – Emissions de polluants des véhicules – 1er avril 2016
3
Carburants
diesel
Gazole
B0 B5 B30
HVO (NExBtL)
rH:C 1,862 1,855 1,877 2,128
rO:C 0 0,004 0,027 0
Masse vol. (kg/l) 0,834 0,84 0,85 0,78
où rH:C désigne le rapport atomique H/C du carburant considéré ( rH:C = 11,916 )
rO:C désigne le rapport atomique O/C ( rO:C = 0,7507 ; wt% : fraction massique)
ECO2 , ECO , ECOV , EEC et EOM désignent respectivement les émissions de CO2, CO, COV
(ou HCtotaux), carbone élémentaire des particules et masse organique
85,13011,1285,13011,28011,44
2 OMECCOVCOCO EEEEE
Cwt
Hwt
%
%
Cwt
Owt
%
%
FCcalc = (12,011 + 1,008 rH:C + 16,000 rO:C) x
Calcul de la consommation de carburant (FC) à partir des produits de combustion (méthode standard de détermination de la consommation dans la procédure d’homologation)
Calcul de la consommation
16 Météo et Climat - Tremplin pour l'enseignement des Sciences – Emissions de polluants des véhicules – 1er avril 2016
Toxicité et impact des polluants 3
CO (monoxyde de carbone) : gaz incolore et inodore, à toxicité aigüe létal dès 500
ppm sur 3 heures (maux de tête, vertige, coma puis décès)
Teneur air ambiant : de 0,2 ppm en extérieur à 5 ou 10 ppm en air intérieur
NO2 (dioxyde d’azote) : gaz irritant pour les bronches (dangereux pour asmathiques et
sujets très jeunes ou fragilisées).
Les NOx sont des précurseurs de l’ozone, de pluies acides et de particules secondaires
par combinaison avec des composés organiques (Aérosols organiques secondaires).
HCT (hydrocarbures imbrulés) ou COV (composés organiques volatils) dont :
les hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP) : 16 composés identifiés
comme cancérigènes (sous forme gazeuse et associées aux suies)
les BTEX (Benzène, Toluène, Éthylbenzène et Xylènes), composés mono-
aromatiques, très toxiques et écotoxiques
Formaldéhyde, acétaldéhyde : cancérogènes, génotoxiques (carbonylés)
Particules de suies (carbone) avec fraction de composés organiques solubles (SOF)
dont cétones, esters, aldéhydes, dérivés nitrés, HAP, qui sont adsorbés ou incorporés ;
cancérogènes ; les plus fines (PM2,5) sont les plus dangereuses.
17 Météo et Climat - Tremplin pour l'enseignement des Sciences – Emissions de polluants des véhicules – 1er avril 2016
Risque ou impact polluant = dose x toxicité polluant
sanitaire ou environnemental
dose = fct [émissions unitaires des véhicules (g/km ou g/h)]
ou = fct [activité de transport (km, veh.km, voy.km, t.km, h)]
quantité = fct [transformations physico-chimiques]
reçue = fct [dispersion (pluie, vent,..)]
= fct [localisation de la population exposée, du milieu affecté]
Risque global = éventuelle interaction des risques
Risque ou impact lié à la pollution de l’air 3
18 Météo et Climat - Tremplin pour l'enseignement des Sciences – Emissions de polluants des véhicules – 1er avril 2016
3
Moteurs à 4 temps
Admission et inflammation
• Introduction d'un mélange
homogène d'air et d'essence
• allumage du mélange par
étincelle (bougie)
• Injection sous pression du
Injection
• indirecte sur essence (cas classique) injection directe
• directe sur diesel avec des pressions d’injection de + en + élevées et des temps d’injection gérés très finement pour optimiser la combustion du mélange
gazole dans une masse d'air préalablement comprimée (excès d’air) et
essence
diesel
Moteurs essence et diesel
• auto-inflammation du mélange du fait du taux de compression élevé
19 Météo et Climat - Tremplin pour l'enseignement des Sciences – Emissions de polluants des véhicules – 1er avril 2016
3
Amélioration de la combustion
Moteurs diesel : haute pression, common rail, injection directe électronique
Véhicules essence : gestion fine des levées de soupapes, injection électronique, injection directe
À l’étude:
– Moteurs HCCI diesel (mélange air-carburant homogène), moindre formation de NOx et particules pour une consommation maitrisée
– Moteurs CAI (controlled auto ignition essence) par réinjection d’une partie des gaz brulés, amélioration du rendement
Optimisation de l’aérodynamique et de la forme de la chambre de combustion
Turbo-suralimentation pour essence et diesel
non pour augmenter la puissance, mais pour diminuer la cylindrée et donc la consommation (down-sizing)
Amélioration du système de suralimentation (turbo à géométrie variable - turbo fixe avec Waste Gate pilotée –… )
Evolutions des moteurs
20 Météo et Climat - Tremplin pour l'enseignement des Sciences – Emissions de polluants des véhicules – 1er avril 2016
Moteurs 3 cylindres essence
3 cylindres atmosphériques à injection indirecte (PSA 1,2 l – 82 ch)
Soupapes à levée et timing variable : gain CO2 > 6%
3 cylindres suralimentés à injection directe
(PSA 1,2 l – 110 ou 130 ch)
-15% de consommation et performances améliorées
(couple et puissance)
3 Exemple d’évolution de moteur
21 Météo et Climat - Tremplin pour l'enseignement des Sciences – Emissions de polluants des véhicules – 1er avril 2016
Catalyseur 3-voies (CO, HC et NOx)
3
– capteur d’oxygène (sonde λ qui permet de réguler la richesse entre 0,98 et 1,02)
– gestion électronique de l’injection
– catalyseurs : monolithe céramique en « nid d’abeilles » imprégné de 3 métaux précieux: • palladium, platine : oxydation • rhodium : réduction
– ne fonctionne que sur les moteurs à essence, et à injection électronique (et non en mélange pauvre)
– sensibilité aux conditions de fonctionnement et température (conversion de 95% à 500 ºC)
Dépollution des gaz d’échappement essence
Oxydation du CO et des HC :
CO + ½ O2 CO2
CxHy + (x + 𝑦
4 ) O2 x CO2 + 𝑦 2 H2O
22 Météo et Climat - Tremplin pour l'enseignement des Sciences – Emissions de polluants des véhicules – 1er avril 2016
Catalyseur d’oxydation (Diesel): pour CO et HC seulement
‒ Catalyseurs de plus en plus performants, injection directe
‒ Plage de fonctionnement élargie, abaissement de la température
d’amorçage du catalyseur (efficace + rapidement)
Recyclage d’une partie des gaz d’échappement (vanne EGR) pour réduire la température de combustion et donc les émissions de NOx
Filtre à particules (FAP Diesel, à venir sur essence inj. directe)
3 Dépollution des gaz d’échappement diesel
NOx (diesel): réduction catalytique sélective (SCR) / NOx trap
SCR par ajout d’urée (couteux: contrôle et équipements en + )
NOx trap : filtre catalytique et purge par post-injections de carburant (pour modèles entrée de gamme, moins efficace)
23 Météo et Climat - Tremplin pour l'enseignement des Sciences – Emissions de polluants des véhicules – 1er avril 2016
2 types de filtre : catalytique ou additivé
Filtration mécanique à 99,9 % sur l’ensemble des tailles (piégeage des particules au travers du filtre et accumulation), dès le démarrage moteur
Nettoyage ou régénération du FAP par brûlage (oxydation) des suies:
‒ Régénération en continu si la température des gaz d’échappement est suffisante
‒ Régénération forcée si colmatage (mesure de pression)
Filtre à particules diesel 3
Post-injections de carburant en sortie moteur (+200 à 250 °C)
2ème post-combustion après catalyseur d’oxydation (+100 °C) et
parois
Action de l’additif (oxyde de cérium, de fer) : gain de 100 °C
Émissions gazeuses (+10 à 100 %) et particules (≈ x 30) pendant les régénérations mais bilan global très positif Source: Bosch
24 Météo et Climat - Tremplin pour l'enseignement des Sciences – Emissions de polluants des véhicules – 1er avril 2016
Illustration de dépôts de particules 3
Collection de filtres de pesée particules (procédure réglementaire) provenant de
différents véhicules mesurés selon 3 types de trajet au LTE (IFSTTAR)
25 Météo et Climat - Tremplin pour l'enseignement des Sciences – Emissions de polluants des véhicules – 1er avril 2016
• Configuration poids lourds (depuis 2008)
Catalyseur SCR
Clean
Up
Cat
Réduction NOx
NOx + NH3 ⇒ N2 + H2O
Cata Oxydation pour conversion
des NH3 en excès
(compromis conversion NOx,
risque de rejet NH3)
4NH3 + 3O2 ⇒ 2N2 + 6H2O NOx :
90% NO
+ 10% NO2 N2
H2O
Hydrolyse Urée
(NH2)2CO + H2O ⇒ 2 NH3+ CO2
NH3
Nox Sortie moteur NH3 Sortie SCR
Consommation urée :
4 à 6 % du carburant sur
les moteurs Euro V et Euro VI
Precat
NO oxydation
NO + ½ O2 ⇒ NO2
Option: Pré-Catalyseur
d’oxydation pour faibles
charges (bus)
Injection agent réducteur
AdBlue (à base d’urée)
Réduction sélective des NOx (SCR) 3
26 Météo et Climat - Tremplin pour l'enseignement des Sciences – Emissions de polluants des véhicules – 1er avril 2016
Défis technologiques
Réduire encore les consommations (et le CO2) des véhicules essence (injection, frottements, allègement, etc…) ou… changer de motorisation (hybride et électrique), ou de carburant (GPL, GNV)
Réduire encore les émissions d’oxyde d’azote des véhicules diesel (système d’élimination des NOx plus simple et moins coûteux ?) ou… combustion homogène à charge stratifiée HCCI (émissions de NOx et particules très faibles)
Enjeux d’amélioration des moteurs actuels 3
27 Météo et Climat - Tremplin pour l'enseignement des Sciences – Emissions de polluants des véhicules – 1er avril 2016
par la réglementation des émissions de polluants
• Réglementation des émissions de polluants des véhicules – Homologation des véhicules neufs, conformité de production,
coefficient de dégradation fonction du kilométrage
– Émissions à l’échappement, par évaporation, fuites
• En Europe: – Voitures particulières, depuis 1971 sur banc véhicule (g/km)
• Polluants contrôlés : CO, HC, NOx, Particules en masse (PM) et nombre
• CO2 : engagement (devenu contrainte réglementaire) des constructeurs à diminuer l’émission moyenne de l’ensemble des véhicules neufs à 130 g/km en 2015
– Petits véhicules utilitaires : CO, NOx, HC+NOx, PM, depuis 1993 • Contrainte CO2: 175 g/km en 2017, 147 g/km en 2020
– Poids lourds : CO, HC, NOx, sur banc moteur (g/kWh), depuis 1988
• Le contrôle technique – Amélioration de l’état des parcs et rajeunissement (surtout essence)
– Amélioration de l’entretien des véhicules ?
4 Une évolution technologique forcée
28 Météo et Climat - Tremplin pour l'enseignement des Sciences – Emissions de polluants des véhicules – 1er avril 2016
Evolution des réglementations à l’émission 4
- 80 %
(CO, HC, NOx)
à
- 96 %
(PM)
depuis 1993
pour le diesel
Voitures diesel (limites en g/km)
+ limite en nombre de particules /km : 6,0×1011 pour diesel Euro 6 puis essence injection directe en 2017
moteur
injection
directe
essence
29 Météo et Climat - Tremplin pour l'enseignement des Sciences – Emissions de polluants des véhicules – 1er avril 2016
4
Évolution des émissions de CO2 (mesurées sur cycle NEDC) de l’ensemble des voitures neuves vendues en Europe et cibles réglementaires
(Alternative Fuel Vehicles :
Electriques, hybrides, GPL, Gaz naturel, E85, biodiesel)
(Essence)
Réglementation des émissions CO2 voitures
30 Météo et Climat - Tremplin pour l'enseignement des Sciences – Emissions de polluants des véhicules – 1er avril 2016
Procédure réglementaire Euro 4
Polluants et limites d’émissions
Procédures et moyens de mesure
Normes réglementaires
définis par les Directives européennes
0
20
40
60
80
100
120
140
160
0 300 600 900 1200 1500
Temps (s)
Vit
es
se
(k
m/h
)
ECE 15 EUDC
New European Driving Cycle
Cycle d’homologation voitures • Température d’essai entre 20 et 30 oC ( 14 oC)
• Départ moteur froid
• Carburant référencé
• Pression pneumatiques ajustée
• Masse forfaitaire la plus basse de la classe
• Pas d’usage de la climatisation, ni autre conso
optionnelle électrique
Cycle WLTC pour 2017
31 Météo et Climat - Tremplin pour l'enseignement des Sciences – Emissions de polluants des véhicules – 1er avril 2016
4 Mesures au banc à rouleau
Schéma de principe – prélèvement et mesure des polluants réglementés à l’échappement
Comptage des
particules (PMP)
Masse des particules
(pesée sur filtres)
CVS
Un protocole standard reproductible
Résultats en masse par km parcouru
Dilution pour prévenir la condensation et transformations
Prélèvement total à débit constant
La concentration d'un polluant dans le sac de prélèvement est proportionnelle à la masse totale de ce polluant émis par le véhicule au cours du cycle
32 Météo et Climat - Tremplin pour l'enseignement des Sciences – Emissions de polluants des véhicules – 1er avril 2016
4 Mesures sur route
Test RDE (Real Driving Emissions) pour
prendre en compte les chiffres relevés sur
route, en conditions réelles de circulation
nécessite un équipement de mesure
mobile normalisé baptisé PEMS (pour
Portable Emission Measurement System)
Proposition (controversée) de la
Commission Européenne :
tolérer un dépassement de 110 % des
valeurs NOx relevées sur route par
rapport à la limite réglementaire sur
banc durant une période transitoire de
deux ans, à compter de septembre
2017 (soit 168 mg/km contre 80
mg/km selon la norme Euro 6)
Test RDE : procédure complémentaire (Euro 6c) pour le contrôle des NOx diesel
Trajets non reproductibles à
l’identique corrections des
mesures selon le référentiel
« clients » de chaque constructeur ? (ajuster les mesures en fct des vitesses et
accel. moy. de chaque section du parcours)
33 Météo et Climat - Tremplin pour l'enseignement des Sciences – Emissions de polluants des véhicules – 1er avril 2016
0
250
500
750
1000
Euro 3 D NormeEuro 3 D
Euro 4 D NormeEuro 4 D
Euro 5 DFAP
NormeEuro 5 D
Euro 5 E NormeEuro 5 E
NO
X (
mg/
km)
Exemple des NOx :
• cycle Artemis urbain (Ifsttar)
+ 85 %
+ 160 % + 300 %
+ 360 %
• usages réels (Emissions Analytics)
+ 300 %
Ecarts croissants entre mesures d’homologation et mesures sur route
4
Des émissions sur route 4 à 5 fois plus élevées qu’au test d’homologation
180
60
34 Météo et Climat - Tremplin pour l'enseignement des Sciences – Emissions de polluants des véhicules – 1er avril 2016
4 Enjeux de la réglementation sur les émissions
Un durcissement des limites réglementaires d’émissions polluantes qui finit par être
suivi d’effets... (vers à nouveau une division par 2 de la limite NOx en 2020 ? )
D’autant plus efficace qu’un durcissement des conditions de mesure et contrôle
réglementaires est mis en place pour 2017 et au-delà : cycle plus réaliste au banc,
moins de souplesses pour la « préparation » du véhicule, contrôle des NOx (puis
CO2 et PM) avec un test sur route, futur abaissement des tolérances de conformité
Mais qu’en est-il des émissions hors échappement ? Les particules issues de l’abrasion (freins, embrayage, pneus, chaussée) et de la remise en
suspension seraient 3 fois plus nombreuses qu’à l’échappement (sauf temps humide)…
Et le contrôle technique des véhicules en usage ?
1/ l’air est dégradé par les véhicules en circulation (diesels anciens surtout)
et la durée de vie des véhicules s’allonge…
2/ le contrôle technique obligatoire a jusqu’ici négligé le volet « pollution », surtout
pour les véhicules diesel (test de l’opacité des fumées seulement)
nouveaux contrôles en préparation (2017) :
détection des véhicules récents sans FAP (enlevé illégalement)
recherche d’une procédure de contrôle des NOx (vanne EGR retirée / fermée)
3/ vers un « éco-entretien » des véhicules, forcé ou volontaire ?
35 Météo et Climat - Tremplin pour l'enseignement des Sciences – Emissions de polluants des véhicules – 1er avril 2016
4 Classification environnementale des véhicules
Classification révisée qui tient mieux compte des émissions de polluants locaux
En conséquence, les véhicules homologués Euro 6 en diesel n’obtiennent pas la classe
nº 1 (95 g de CO2/km, 60 mg/km de NOx et 1 mg/km de particules au maximum)
Le projet de décret autorise les collectivités à créer des zones à circulation restreinte en
application de la loi de transition énergétique et de définir les classes autorisées
36 Météo et Climat - Tremplin pour l'enseignement des Sciences – Emissions de polluants des véhicules – 1er avril 2016
5 Solutions technologiques pour réduire l'empreinte carbone des véhicules
Conditions de combustion optimisées (injection, chambre, charges
stratifiées,…)
Réduction de la cylindrée moteur (downsizing)
Allègement des véhicules / réduction des performances ? (accélération)
Changement de motorisation
Véhicule électrique (batteries)
Véhicules hybride et hybride rechargeable (VHR ou plug-in) VHR: avec batteries pour assurer plusieurs km en mode tout électrique
Véhicule électrique à pile à combustible (production d’hydrogène ?)
Carburants renouvelables
Issus des plantes
ou de déchets organiques (biodiesel, biogaz)
37 Météo et Climat - Tremplin pour l'enseignement des Sciences – Emissions de polluants des véhicules – 1er avril 2016
Pas d’émissions locales (CO2, pollution, bruit)
Excellent rendement (vs thermique) : 75 à 95%
Réversibilité du moteur (récupération au freinage)
Fort couple au démarrage
Les avantages de la motorisation électrique 5
Roues
Trans. Méc.
Batterie Mach. Elec. Conv. Elec.
Transmission mécanique simplifiée (pas d’embrayage ni boîte de vitesse)
Moteur-roue possible gain de place (abaissement du plancher sur bus électrique)
38 Météo et Climat - Tremplin pour l'enseignement des Sciences – Emissions de polluants des véhicules – 1er avril 2016
1899 France :
la « Jamais contente » est la
première voiture à dépasser
les 100 km/h
1900 USA : vente de voitures
38% électrique
22% thermique
40% vapeur
1913 USA : 34 000 voitures électriques
Les voitures électriques : un peu d’histoire 5
39 Météo et Climat - Tremplin pour l'enseignement des Sciences – Emissions de polluants des véhicules – 1er avril 2016
L’autonomie est directement liée à la capacité de la batterie.
Hypothèse : énergie nécessaire pour 100 km : 15 kWh
Poids Plomb (40 Wh/kg) 375 kg
Lithium (150 Wh/kg) 100 kg
Prix Plomb (150 €/kWh) 2 250 €
Lithium (1000 €/kWh) 15 000 €
Recharge Plomb : 8h
Lithium : 2h
Autonomie de la voiture électrique : le problème 5
(mais 6h min à
cause du réseau)
40 Météo et Climat - Tremplin pour l'enseignement des Sciences – Emissions de polluants des véhicules – 1er avril 2016
La pile à combustible
Production d’électricité à partir
de la réaction ½ H2 + O2 H20
Avantages :
Autonomie plus importante
Toujours pas de pollution locale
Plus de pack batteries à gérer
Intérêts du moteur électrique
Inconvénients : stockage haute pression (200 -700 bars)
H2 n’existe pas à l’état naturel
rendement global ?
prix des matériaux (platine)
Autonomie de la voiture électrique : les solutions ? 5
41 Météo et Climat - Tremplin pour l'enseignement des Sciences – Emissions de polluants des véhicules – 1er avril 2016
Une solution lointaine (10 – 20 ans) ?
Toyota MIRAI 57 000$ (pas commercialisé en France) 5 kg /122 litres d’H2 à 700 bars 480 km d’autonomie Moteur 113 kW Batterie nickel-métal-hydrure (NiMH) Masse totale 1850 kg
5 Véhicule électrique à pile à combustible
42 Météo et Climat - Tremplin pour l'enseignement des Sciences – Emissions de polluants des véhicules – 1er avril 2016
Voiture électrique : exemples de modèles
Zoé – Renault (France)
À partir de 13 700 € TTC (avec bonus)
Batterie Lithium ion 22 kWh – 400 V
192 cellules (12 modules) – 290 kg
Location à partir de 49 €/mois
Charge 9 h - 1h (à 22 kW)
Vitesse 135 km/h - Autonomie 210 km
Poids à vide 1500 kg
Model S - Tesla Motors (USA)
82 000 €
Batterie Lithium ion 85 kWh – 375 V
7104 éléments (16 modules) – 544 kg
Charge 24h (3 kW) - 4h (22 kW)
vitesse 200 km/h - Autonomie 500 km
Poids à vide 2100 kg
5
43 Météo et Climat - Tremplin pour l'enseignement des Sciences – Emissions de polluants des véhicules – 1er avril 2016
Ventes VE
Des marchés en hausse
partout dans le monde
Des constructeurs asiatiques
performants
5
44 Météo et Climat - Tremplin pour l'enseignement des Sciences – Emissions de polluants des véhicules – 1er avril 2016
Dans une batterie : 600 g de carbonate de lithium (LC) / kWh
30 kWh 18 kg de LC/véhicule 60 000 000 véhicules/an
À 10 % de VE ou VEH avec 30 kWh : 108 000 t/an
Production de LC actuelle 122 000 t/an
Réserve estimée : 18 à 22 Mt selon experts
Les interrogations : l’approvisionnement en Lithium
Grande imprécision sur les estimations
Réserves pas si « confortables » dans le
cas d’un parc tout « électrique »
Incertitudes sur les ventes de VE et VH
Coût écologique de l’exploitation ?
Évolution du prix du minerai ?
10% de VE suffisent-ils pour infléchir les émissions de CO2 ?
5
45 Météo et Climat - Tremplin pour l'enseignement des Sciences – Emissions de polluants des véhicules – 1er avril 2016
Le bilan « du puits à la roue »
Le bilan environnemental dépend du mode de production de l’électricité
Le nucléaire ne produit pas de CO2, mais génère des déchets « encombrants »
Les productions « renouvelables » sont réellement durables mais lentes à s’imposer
5
46 Météo et Climat - Tremplin pour l'enseignement des Sciences – Emissions de polluants des véhicules – 1er avril 2016
VEH : association d’un moteur thermique et d’un moteur électrique
Objectif :
Bénéficier des avantages
de chacune des
motorisations pour
diminuer la pollution et les
émissions de GES tout en
conservant les
performances (autonomie,
confort, accélération,…)
Les véhicules électriques hybrides : définition 5
Les + Les -
Motorisation
Électrique
- couple élevé à
faible régime
- rendement
(70-85%)
- silence
- pas de pollution
en local
- stockage énergie
- recharge énergie
Motorisation
Thermique
- stockage énergie
grande autonomie
- recharge énergie
rapide
- Peu de couple à
faible régime
- rendement
(10-30%)
- bruit
- pollution locale
47 Météo et Climat - Tremplin pour l'enseignement des Sciences – Emissions de polluants des véhicules – 1er avril 2016
VEH à architecture série :
• L’entrainement des roues
est assurée par le seul moteur électrique
• Le moteur thermique associé à une génératrice
fournit l’énergie électrique au véhicule
(comme un groupe électrogène)
VEH à architecture parallèle :
• La motorisation des roues peut être
assurée par le moteur électrique, par
le moteur thermique ou par les 2 à la fois
Les architectures moteur des VEH
• Le véhicule peut avoir ou non un mode de fonctionnement en tout électrique
(selon la capacité de la batterie)
5
• On peut privilégier l’usage du moteur électrique pour assurer
les accélérations (meilleur rendement en mode transitoire)
48 Météo et Climat - Tremplin pour l'enseignement des Sciences – Emissions de polluants des véhicules – 1er avril 2016
Mot. Therm.
Mach. Elec.
Roues
Train Epicycloïdal
Mach. Elec.
Conv. Elec.
Conv. Elec. Batterie
Toutes les machines sont reliées mécaniquement à un train épicycloïdal
(Toyota Prius)
VEH à architecture série – parallèle (variante) 5
49 Météo et Climat - Tremplin pour l'enseignement des Sciences – Emissions de polluants des véhicules – 1er avril 2016
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
Urbain EEC Route Autoroute
CO
2 e
mis
sio
n g
/km
CO
MP
AR
_C
O2_V
EH
Vitesse moyenne croissante
4 % 29 %
29 %
50 %
Priu
s 2
00
3
Die
se
l
Gain en émission de CO2 en fonction de l’usage du véhicule (par rapport à un diesel)
Prius
EVALVH
IFSTTAR IFPEN
ARMINES GREEN
ADEME
5
50 Météo et Climat - Tremplin pour l'enseignement des Sciences – Emissions de polluants des véhicules – 1er avril 2016
VEH : Combien ? Quoi ? Où ? 5
51 Météo et Climat - Tremplin pour l'enseignement des Sciences – Emissions de polluants des véhicules – 1er avril 2016
Type d’hybride
Fonctions Puissance
Mot. élec.
Énergie
batteries
Gains
conso.*
Micro
Stop & start +
Récupération au freinage
2 – 6 kW avec super
condensateur 5 – 12 %
Mild
+
Boost accélérations
10 – 15 kW 1 kWh 20 – 30 %
Full +
mode ZEV** 30 – 50 kW 1-2 kWh 30 – 40 %
* : gains en utilisation urbaine
** : avec 1 ou 2 kWh le mode tout électrique est possible à faible vitesse sur de courtes distances
(démarrages,…); pour une autonomie de 40 km il faut 10 kWh de batterie VEH rechargeable
VEH : plusieurs niveaux d’hybridation 5
52 Météo et Climat - Tremplin pour l'enseignement des Sciences – Emissions de polluants des véhicules – 1er avril 2016
les motorisations « électriques » présentent des solutions
pour réduire les émissions localement et l’empreinte
carbone des véhicules (surtout les VE)
plusieurs freins limitent la diffusion massive de ces
véhicules : autonomie, durée de vie, prix,…
des interrogations subsistent sur le coût environnemental
(ressources en lithium, bilan du puits à la roue,…)
les motorisations électriques ne peuvent pas constituer
la réponse unique au problème du transport
Attention au mythe de la voiture « verte » !!
Conclusions sur les véhicules électriques et hybrides 5
53 Météo et Climat - Tremplin pour l'enseignement des Sciences – Emissions de polluants des véhicules – 1er avril 2016
Les différentes filières de production de carburants alternatifs
Les carburants d’origine fossile Les organo-carburants (ex biomasse / déchets organiques)
Les carburants gazeux
• GPL (Gaz de Pétrole Liquéfié)
• GNV (Gaz Naturel Véhicule)
• DME (Diméthylether ex méthanol)
• H2 (ex gaz naturel)
Les carburants de synthèse (hydrocarbures liquides par synthèse F-T)
• GTL (ex GNV)
• CTL (ex charbon)
F-T : procédé Fischer-Tropsch
Biogaz (ou biométhane)
Agrocarburants (Génération 1)
• Huiles végétales pures (HVP)
• Esters d’huile végétale ou biodiesel
• Éthanol (ex betterave, blé, canne…) ETBE (avec isobutène en raffinerie)
Biocarburants (G 1,5)
• Huiles végétales hydrogénées (HVO)
Biocarburants (G 2 voire 3)
• Éthanol (ex biomasse lignocellulosique)
• BTL (gazéification, synthèse F-T)
• Bio-DME (par gazéification)
• Isobutène (microbiologie)
• Biobutanol (fermentation)
• Algocarburants (ex algues)
H2 (par gazéification biomasse)
5
54 Météo et Climat - Tremplin pour l'enseignement des Sciences – Emissions de polluants des véhicules – 1er avril 2016
Le DME (dimethylether)
Gaz propre, incolore, similaire au GPL dans sa facilité de liquéfaction (5 bars) haute densité énergétique
Synthétisé à partir de gaz naturel, de charbon ou encore de résidus lourds de raffinerie, et aussi de biomasse
Convient pour les moteurs diesel les plus performants (taux de compression élevé)
Non toxique, émissions polluantes réduites (Particules très faibles même sans filtre)
Bilans énergétique et environnemental très favorables si produit par la valorisation d’un déchet, par ex. la liqueur noire (riche en lignine et hémicellulose du bois) issue de l’industrie papetière
Procédé de gazéification et synthèse testé en Suède, doit passer à l’étape industrielle prochainement
Volvo doit faire rouler 14 camions avec du DME pour tester les moteurs
Le groupe suédois Chemrec AB estime pouvoir remplacer à terme 50% de la consommation actuelle de gazole par du DME produit à partir de liqueur noire, c'est-à-dire 25% de la consommation de carburants en Suède !
5
55 Météo et Climat - Tremplin pour l'enseignement des Sciences – Emissions de polluants des véhicules – 1er avril 2016
Les 2 filières d’agrocarburants (1ère génération)
Co-produits de l’éthanol :
• 0,75 t de pulpes / t d’éthanol ex-betterave
• 1,2 t de drèches / t d’éthanol ex-blé
• Vinasse (engrais potassique)
Co-produits des esters d’huile :
• 1 à 1,5 t de tourteaux / t d’EMHV (Aliment bétail)
• 0,1 t de glycérine / t d’EMHV (cosmétique)
(Diester® en France)
Apport de méthanol
(à hauteur de 10 % en poids)
Avec 50 % éthanol
50 % isobutène
aliments bétail
5
56 Météo et Climat - Tremplin pour l'enseignement des Sciences – Emissions de polluants des véhicules – 1er avril 2016
Contexte règlementaire (UE)
2
5,75
27
5
2
8
10
5
0
5
10
15
20
25
Obje
ctif
d'in
corp
ora
tion (
%)
2005 2010 2015 2020
Horizon
Hydrogène
Gaz naturel
Biocarburants
Émissions de CO2 limitées pour les voitures neuves : 120 g/km pour 65% des nouvelles voitures en 2012, 75% en 2013, 80% en 2014 et 100% en 2015
Part des carburants alternatifs (contenu énergétique)
envisagée par la CE dès 2001 * Taux porté à 50 % à partir de janvier 2017, puis à 60 % à partir de
janvier 2018 pour les biocarburants produits après le 1er janvier 2017
Directives européennes :
Pour 2010 5,75% de biocarburants pour les transports (Directive
2003/30/CE)
Pour 2020 10% de carburants d’origine renouvelable : biocarburants
(Limités à 5% pour les "1ère génération") ou électricité et H2 "verts" (Directive Énergies Renouvelables 2009/28/CE) avec des critères de durabilité des biocarburants : réduction des émissions de GES d’au moins 35% *, protection des terres à grande diversité biologique, forêts, zones humides, tourbières,…
5
57 Météo et Climat - Tremplin pour l'enseignement des Sciences – Emissions de polluants des véhicules – 1er avril 2016
– "Plan biocarburants" en 2004 plus ambitieux que les objectifs européens
(agrément pour 6 usines de production)
– Incitations fiscales : de 25 c€/l en 2009, à 14 c€/l en 2011 pour l'éthanol et de 33 c€/l
en 2009, à 8 c€/l en 2011 pour le biodiesel (en mélanges directs) 0 en 2015
Plans français
– 1er janvier 2007 : filière E85 (ou Super-éthanol). L’éthanol pour E85 bénéficie
toujours de la fiscalité la plus avantageuse autorisée par la Commission
Européenne, soit 23 c€/l de défiscalisation (contre 33 c€/l en 2007)
– 1er avril 2009 : lancement de l’E10 (pour l’objectif à 7% PCI de 2010)
– 2010 : exonération de la taxe carbone ?
– 2012 : coup d’arrêt aux aides publiques (7% max.)
Objectifs
d’incorporation 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2015
Part de biocarburant
(contenu énergétique) 1,20 % 1,75 % 3,50 % 5,75 % 6,25 % 7 % 10 %
équivalence en volume
Biodiesel 1,3 % 1,9 % 3,8 % 6,3 % 6,8 % 7,6 % 10,8 %
Bioéthanol 1,9 % 2,7 % 5,3 % 8,8 % 9,5 % 10,7 % 15,3 %
5
58 Météo et Climat - Tremplin pour l'enseignement des Sciences – Emissions de polluants des véhicules – 1er avril 2016
Points de controverse sur les agrocarburants
"Agrocarburants contre nourriture" :
plus de 25% de la récolte américaine de maïs par exemple sont destinés à la production
d’éthanol
hausse dramatique des prix des céréales en 2006 et 2007… puis la tension mondiale est
retombée après de bonnes récoltes…
Pas de concurrence alimentaire pour l’éthanol français produit essentiellement à partir de
betteraves sucrières
Utilisation massive d’engrais azotés : émissions de N2O (puissant GES, 300 fois le CO2),
point critique du bilan GES pour les "nouvelles" cultures. Débat sur le facteur de conversion
« engrais N2O »
Rôle des intrants :
apport de méthanol à hauteur de 10% pour le biodiesel (synthèse méthane)
apport d’isobutène pour la production d’ETBE à partir d’éthanol (pour moitié)
Déforestation et perte de biodiversité: Brésil, Indonésie, Malaisie,… La prise en compte du changement d’affectation des sols, direct ou indirect (ILUC), modifie
considérablement le bilan GES, voire annule l’intérêt de certaines filières.
Coût économique pour la société : débat sur le coût de la tonne de carbone évitée, sur la
fiscalité carburant (cf rapport de la Cour des comptes 2012)
5
59 Météo et Climat - Tremplin pour l'enseignement des Sciences – Emissions de polluants des véhicules – 1er avril 2016
Approche "du champ à la roue"
Analyses de Cycle de Vie appliquées aux biocarburants de
première génération consommés en France (Synthèse ADEME, 2009)
• Bilans très sensibles "au rendement agricole à l’hectare, aux apports d’engrais et aux émissions de N2O afférentes, ainsi qu’à l’intensité et aux sources d’énergie des procédés de transformation"
• Impacts des coproduits (glycérine, tourteaux, drèche,…) et des coûts de production sous-estimés d’après les critiques
• Impact du changement indirect d’affectation des sols ignoré (ILUC), bien que chiffré dans la méthodologie
5
EMHAU : ester méthylique d’huile alimentaire usagée EMGA : ester méthylique de graisse animale HVP : huile végétale pure
60 Météo et Climat - Tremplin pour l'enseignement des Sciences – Emissions de polluants des véhicules – 1er avril 2016
La technologie comme refuge conservateur ? 6
• Souvent, les solutions techniques sont vues comme "la réponse" : véhicule électrique (en essor), hydrogène, pile à combustible, agro-carburants, captage du CO2… (on parle de "progrès technologiques")
• Approche purement technique et partielle, portée par
– les professionnels spécialisés (ingénieurs, chercheurs)
– les responsables et le public qui se satisfont de la situation actuelle
• Approche de confort (et de court terme) qui évite une remise en cause des habitudes, modes de vie… (image de la voiture individuelle qui reste forte dans la représentation sociale)
• Approche considérée aujourd’hui comme insuffisante et ne pouvant pas permettre de répondre aux enjeux environnementaux et ressources
61 Météo et Climat - Tremplin pour l'enseignement des Sciences – Emissions de polluants des véhicules – 1er avril 2016
Rôle des politiques publiques 6
• A l’échelle européenne : – Directives "carburants" (RED), émissions véhicules, qualité de l’air (OMS)
– Financement de la recherche « transports », énergies, etc…
• A l’échelle nationale :
– Loi Laure (1996), Plans de Déplacement Urbain, Plans Entreprises
– Plan d’Urgence pour la Qualité de l’Air
– Fiscalité pour favoriser ou non un carburant, un type de véhicules, etc…
– Prévision des épisodes de pollution (Prev’Air) et mesures d’urgence
– Financement de la recherche (publique et privée)
• A l’échelle régionale, locale :
– Surveillance de la qualité de l’air (AASQA)
– Financement des transports publics
– Plan de protection de l’Atmosphère (PPA) - Régulation du trafic, des vitesses
– ZAPA ou zone à émissions réduites (restriction d’accès)
– Promotion des TC, covoiturage, modes actifs (partage de voiries)
62 Météo et Climat - Tremplin pour l'enseignement des Sciences – Emissions de polluants des véhicules – 1er avril 2016
Typologie d’actions 6
Amélioration technique des véhicules et des carburants, de l’interaction véhicule / infrastructure, etc...
Émissions unitaires (g/km) des véhicules récents en baisse
Fort potentiel, mais à long terme (le parc se renouvelle lentement)
Modification des « comportements » vis-à-vis de la voiture (sensibilisation, fiscalité,…)
Éco-conduite, éco-mobilité (co-voiturage, auto-partage), choix d’achat du véhicule,…
Réduire la circulation automobile et les consommations de carburants
Potentiel réel, mais changements sur le long terme
Gestion du trafic Gestion des feux, contrôle d’accès, régulation des vitesses, informations routières temps réel, etc…
Conditions de circulation, émissions du trafic
Potentiel limité (faible marge de manœuvre sur vitesses, trafic)
Gestion de l’ « offre » de transport Offre / restriction infrastructures, hiérarchisation / organisation du réseau, parkings, répartition modale (TC, modes actifs, etc…)
Répartition du trafic et des quantités d’émission entre les modes + exposition
Potentiel limité par les marges d’évolution
Gestion de la « demande » de transport Planification, organisation des transports (PDU, PDE, logistique), et des territoires (urbanisme), proximités et besoins en mobilités
Quantités de déplacements et d’émission + exposition
Gains proportionnels aux quantités de déplacements, mais long terme
Actions Effets Potentiel
• En fait, fortes interactions et dépendances entre les différents niveaux
63 Météo et Climat - Tremplin pour l'enseignement des Sciences – Emissions de polluants des véhicules – 1er avril 2016
Conclusions
• Les transports: secteur à fort enjeu environnemental et sanitaire
– Forte croissance, dépendance au pétrole, maîtrise difficile
– Forte implication dans la pollution de l’air notamment en zone urbaine
• Facteurs clés de réduction des émissions à long terme
– La réglementation, les technologies nouvelles
– Le choix modal et un rapport à la voiture différent (auto-partage)
• Large palette de mesures, de différentes natures, difficiles à évaluer, et qui peuvent induire des effets pervers
– Réglementations et développements technologiques (recherche)
– Favoriser les transferts modaux vers marche, vélo, TC de surface, rail, maritime
– Limiter l’usage des véhicules les plus polluants (LEZ)
– Améliorer la complémentarité des modes
– Maîtriser la demande de mobilité des personnes et des biens
64 Météo et Climat - Tremplin pour l'enseignement des Sciences – Emissions de polluants des véhicules – 1er avril 2016
Merci de votre attention ! Contact : [email protected] Site web LTE : http://www.lte.ifsttar.fr/