Formation Météo et Climat Stage -...

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


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


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


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


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


Composantes du forçage radiatif

Source : GIEC, 2007

2


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


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%


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


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


Composés principaux à l’échappement 3

diesel moteur essence

avant traitement dans la ligne d’échappement Source :

Site web NGK


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


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


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


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


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.


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


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


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


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


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


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)


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


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)


• 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


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


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


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


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


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


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


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)


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


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 ?


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


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)


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)


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


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)


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


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


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


Ventes VE

Des marchés en hausse

partout dans le monde

Des constructeurs asiatiques

performants

5


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


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


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


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)


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


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


VEH : Combien ? Quoi ? Où ? 5


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


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


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


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


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


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


– "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


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


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


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


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)


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


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


Merci de votre attention ! Contact : [email protected] Site web LTE : http://www.lte.ifsttar.fr/

mailto:[email protected]

http://www.lte.ifsttar.fr/

http://www.lte.ifsttar.fr/

Formation Météo et Climat Stage -...

Documents

Transcript of Formation Météo et Climat Stage -...