Estimation des facteurs d`émission des principaux contaminants

Estimation des facteurs d'émission des principaux contaminants atmosphériques et des émissions
totales provenant du parc de locomotives canadiennes pour 2011
En tant que signataire du protocole d'entente conclu entre Transports Canada (TC) et l'Association des chemins de fer du Canada (ACFC) en vue
de réduire les émissions des locomotives pour la période de 2011 à 2015, l'ACFC a accepté de produire un rapport sur les gaz à effet de serre
(GES) et les principaux contaminants atmosphériques (PCA) émis par les chemins de fer canadiens dans le cadre de leurs activités au Canada. Par
souci de fiabilité, l'ACFC a confié la vérification des données à une tierce partie. Le présent document expose la méthodologie et les sources de
données qui ont servi à la réalisation de cet exercice annuel, et il en présente les résultats.
La méthodologie utilisée s'appuie sur le rapport « 2009 Locomotive Emissions Monitoring Program Report Calculations », qui a été élaboré par
Conestoga-Rovers & Associates (CRA) pour l'ACFC. La section 1 porte sur les facteurs d'émission de PM10, de NOx, de HC et de CO. La section 2
explique les calculs servant à déterminer la teneur en SO2 du carburant diesel pour locomotives. Enfin, la section 3 traite du calcul des émissions
de PCA et de l'intensité des émissions en fonction des services ferroviaires.
Chaque section renferme un court résumé des résultats souhaités et des formules utilisées. Les données sont présentées à la suite du résumé.
Suivent ensuite les calculs et la présentation des résultats.
Section 1 – Généralités concernant la détermination des facteurs d'émission de PM10, de NOX, de HC et de CO
Dans le cadre du protocole d'entente 2011-2015, l'ACFC a accepté de produire un rapport portant sur cinq PCA, soit les HC, les NOX, le CO, le SO2
et les PM10. Les facteurs d'émission établis dans le présent document sont destinés à être exprimés en g/L. D'après les travaux de l'EPA des ÉtatsUnis, les facteurs d'émission pour les PM, les HC, le CO et les NOX, exprimés en grammes par puissance au frein-heure, sont les suivants1 :
Transport de ligne
Locomotives non
réglementées
Niveau 0
Niveau 0+
Niveau 1
Niveau 1+
Niveau 2
Niveau 2+ et
niveau 3
Niveau 4
Manœuvres
Tableau 1 – Facteurs d'émission de l'EPA des États-Unis
PM
HC
NOX
g/bhp-h
0,32
0,48
13,00
CO
1,28
0,32
0,20
0,32
0,20
0,18
0,08
0,48
0,30
0,47
0,29
0,26
0,13
8,60
7,20
6,70
6,70
4,95
4,95
1,28
1,28
1,28
1,28
1,28
1,28
0,015
PM
0,04
HC
1,00
NOX
1,28
CO
g/bhp-h
Locomotives non
réglementées
Niveau 0
Niveau 0+
Niveau 1
Niveau 1+
Niveau 2
Niveau 2+
Niveau 3
1
0,44
1,01
17,40
1,83
0,44
0,23
0,43
0,23
0,19
0,11
0,08
1,01
0,57
1,01
0,57
0,51
0,26
0,26
12,60
10,60
9,90
9,90
7,30
7,30
4,50
1,83
1,83
1,83
1,83
1,83
1,83
1,83
EPA, Facteurs d'émission pour les locomotives, Office of Transportation and Air Quality, 2009
Niveau 4
0,015
0,08
1,00
1,83
Les données du Tableau 1 se rapportent à du carburant diesel ayant une teneur en SO2 de 3 300 ppm. Des modifications apportées au
Règlement sur le soufre dans le carburant diesel d'Environnement Canada ont limité à 500 ppm la teneur en soufre du carburant diesel. En juin
2012, la limite a été réduite à 15 ppm. Il en résulte une baisse du facteur d'émission utilisé pour les PM. Afin de tenir compte de ce changement
dans la composition du carburant diesel, nous utilisons un document technique produit par l'EPA des États-Unis2. La formule ci-dessous est
utilisée pour corriger les facteurs d'émission de PM3 :
Adj
EFPM
BSFC Conlbgram 0.07 soxcnv soxbas soxdsl
Où :
-
Adj
EFPM
est la correction applicable au facteur d'émission de soufre (PM) (en g/bhp-h);
BSFC est la consommation spécifique de carburant corrigée (en lb de carburant/bhp-h);
Con lbgram est le facteur de conversion des livres en grammes (en g/lb);
-
soxcnv est le facteur de soufre présent dans le carburant qui sera converti en PM. Pour toutes les locomotives non réglementées et
-
-
les locomotives réglementées qui ne satisfont à pas la norme de 0,1 g/bhp-h, le facteur est de 0,02247;
soxbas est le pourcentage en poids par défaut de la teneur en soufre du carburant. La valeur par défaut est de 0,33 pour les
locomotives diesel;
soxdsl est un autre facteur du pourcentage en poids de la teneur en soufre du carburant. Cette autre valeur peut être utilisée
uniquement pour les locomotives correspondant au moins au niveau 2.
Pour résoudre cette formule, la première étape consiste à déterminer le niveau moyen de soufre présent dans le carburant diesel consommé
pour les services ferroviaires au Canada. Pour 2011, la moyenne pondérée de la teneur en soufre du carburant diesel utilisé par les locomotives
était de 106,36 ppm.
2
3
EPA, Exhaust and Crankcase Emission Factors for Nonroad Engine Modeling—Compression-Ignition, Office of Air and Radiation, 2004
EPA, Exhaust and Crankcase Emission Factors for Nonroad Engine Modeling—Compression-Ignition, Office of Air and Radiation, 2004, page 22
Ensuite, il faut déterminer la consommation spécifique de carburant corrigée moyenne. Nous utiliserons une approximation créée par CRA en
faisant une extrapolation linéaire selon laquelle à 500 ppm, le facteur de correction en bhp-h est de 0,05, et qu'à 15 ppm, il est de 0,06. Étant
donné que la teneur moyenne en soufre contenu dans le carburant canadien en 2011 est de 106 ppm, le facteur est de 0,057842 g/bhp-h. Voici
le tableau à jour des facteurs d'émissions de PCA :
Tableau 2 – Facteurs d'émission corrigés de l'EPA des États-Unis
Transport de ligne
PM
HC
NOX
g/bhp-h
Locomotives non
0,262
0,48
13,00
réglementées
Niveau 0
0,262
0,48
8,60
Niveau 0+
0,142
0,30
7,20
Niveau 1
0,262
0,47
6,70
Niveau 1+
0,142
0,29
6,70
Niveau 2
0,122
0,26
4,95
Niveau 2+ et
0,08
0,13
4,95
niveau 3
Niveau 4
0,015
0,04
1,00
Manœuvres
PM
HC
NOX
g/bhp-h
Locomotives non
0,382
1,01
17,40
réglementées
Niveau 0
0,382
1,01
12,60
Niveau 0+
0,172
0,57
10,60
Niveau 1
0,372
1,01
9,90
Niveau 1+
0,172
0,57
9,90
Niveau 2
0,132
0,51
7,30
Niveau 2+
0,11
0,26
7,30
Niveau 3
0,08
0,26
4,50
Niveau 4
0,015
0,08
1,00
CO
1,28
1,28
1,28
1,28
1,28
1,28
1,28
1,28
CO
1,83
1,83
1,83
1,83
1,83
1,83
1,83
1,83
1,83
À cette étape, les facteurs d'émission sont exprimés en bhp-h. Pour pouvoir les utiliser, nous devons estimer la quantité de puissance au frein
par heure (bhp-h) par locomotive canadienne, puis convertir les facteurs d'émission pour qu'ils soient exprimés en litres. Nous ferons ce calcul à
la section 3. Nous devons d'abord estimer le facteur d'émission de SO2.
Section 2 – Facteur d'émission de SO2
Conformément au paragraphe 6.1 du protocole d'entente 2011-2015, les rapports annuels publiés dans le cadre de l'entente doivent renfermer
des données sur le facteur d'émission de SO2, les quantités d'émissions et l'intensité des émissions par activité ferroviaire. On peut trouver une
version très détaillée des calculs et de la théorie utilisés pour estimer le facteur d'émission de SO2 des locomotives dans le rapport « 2009
Locomotive Emissions Monitoring Program Report Calculations » produit par CRA. Pour calculer le facteur d'émission de SO2, on utilise la
formule suivante 4:
EFSO2
Fd 2 Con sul Sul
Où :
-
EFSO2 est le facteur d'émission pour le dioxyde de soufre (en g/L);
-
Fd est la densité du carburant diesel utilisé (en kg/m3). Dans le cas du carburant diesel pour locomotives, on suppose qu'elle est de
840 kg/m3;
-
Con sul est le facteur de conversion pour la quantité de soufre dans le carburant diesel qui sera converti en dioxyde de soufre
-
pendant la combustion. On suppose qu'il est de 97,8 %;
Sul est la teneur en soufre du carburant diesel (en ppm). Au Canada, cette valeur pour 2011 est de 106,36 ppm.
D'après la formule ci-dessus, le facteur d'émission de SO2 pour les locomotives canadiennes en 2011 est de 0,1748 g/L. Ce facteur d'émission est
présumé exact pour toutes les locomotives, indépendamment de toute conformité à un niveau de l'EPA des États-Unis. Comme le facteur
4
CRA, 2009 Locomotive Emissions Monitoring Program Report Calculations, CRA, Réf. 073015, 2011, page 5
d'émission est exprimé en litres, aucune conversion ne sera nécessaire à la section 3. Pour l'instant, nous estimerons la quantité totale de
puissance au frein par heure (bhp-h) pour les locomotives canadiennes en fonction du service et du niveau de l'EPA des États-Unis.
Section 3 – Calcul des facteurs d'émission de PCA par service ferroviaire
Comme l'explique la section 1, nos facteurs d'émission de PCA initiaux sont exprimés en grammes de PCA par bhp-h. Ces facteurs sont donc
exprimés sous la forme d'une puissance au frein produite pendant une heure de travail. Comme nous n'avons pas de données sur la puissance
en temps réel, nous devons créer des facteurs d'émission exprimés en litres de carburant consommés. En ce qui concerne les unités de facteur
d'émission, seul le facteur d'émission de SO2 est exprimé en litres de carburant consommés. Pour les PM, les NOX, les HC et le CO, nous
estimerons la puissance au frein par heure (bhp-h) pour toutes les locomotives d'un service donné en fonction de leur niveau. En comparant ces
données à la puissance au frein par heure par litre de carburant (bhp-h/litre) du parc de locomotives de 2011, nous pourrons estimer le nombre
de grammes d'émission par litre de carburant consommé. Il faut donc commencer par estimer les données en bhp-h pour le parc de
locomotives.
Comme il n'est pas possible de suivre chaque locomotive du parc canadien et de mesurer chaque minute de puissance au frein pendant toute
l'année, nous allons produire une estimation à partir d'une vérification réalisée en 2007 par le Southwest Research Institute sur le parc de
locomotives canadiennes. Les données décomposent le pourcentage de puissance nominale pour un cran de puissance donné et un type de
moteur donné, ainsi que le temps qu'une locomotive utilisée en service S passera à un cran de puissance donné au cours d'une journée donnée.
Avec ces valeurs, nous pouvons estimer la puissance au frein que produira une locomotive L, de niveau T, affectée à un service S (bhp-h).
En produisant ces estimations pour chaque niveau et chaque service ferroviaire, nous arrivons à calculer la puissance pouvant être produite par
le parc de locomotives canadiennes. Après avoir obtenu cette estimation, nous pourrons comparer les chiffres combinés pour le parc de
locomotives à la quantité réelle de carburant consommé afin de déterminer la puissance au frein produite pour chaque unité de carburant
consommé par la locomotive L, qui a un niveau T et qui est affectée à un service S. Avec ces données, nous pourrons estimer la quantité
d'émissions de PCA, puis les facteurs d'émission par service et par niveau.
La première étape consiste à déterminer la puissance au frein qu'une locomotive théorique d'un niveau T affectée à un service S utilisera
pendant une heure. Par souci de simplicité, nous désignerons la puissance au frein de cette locomotive théorique sous la forme
-
S
T
, où :
représente la puissance au frein de la locomotive;
-
S représente le service ferroviaire;
-
T représente le niveau de la locomotive selon l'EPA des États-Unis, qui peut être U (non réglementée), 0, 0+, 1, 1+, 2, 3 ou 4. (Comme
il n'y avait pas de locomotives de niveaux 3 et 4, nous n'en tiendrons pas compte.)
En combinant ces deux sources de données, nous pouvons estimer les moyennes pondérées de puissance pour les différentes locomotives du
parc et le service auquel elles sont affectées. Ces moyennes pondérées nous permettront d'évaluer la puissance au frein moyenne utilisée par
les locomotives canadiennes pendant l'année et, en les combinant aux données sur la consommation de carburant fournies par les membres de
l'ACFC, nous pourrons estimer les facteurs d'émissions de PCA en litres de carburant plutôt qu'en bhp-h. Voici la formule servant à établir une
moyenne pondérée :
NRPES
i Notch
HPPerE ,i
S
E ,i
Où :
-
NRPES est le pourcentage pondéré du cran de puissance par rapport à la puissance nominale d'un moteur de type E, en service S;
-
HPPerE ,i est le pourcentage du cran de puissance par rapport à la puissance nominale d'une locomotive dotée d'un moteur i;
-
S
E,i
est le pourcentage de temps que passe une locomotive dotée d'un moteur E affectée au service S au cran de puissance i
pendant une journée donnée.
Les résultats seront composés de moyennes pondérées pour chaque type de moteur de locomotive et chaque type de service au Canada. Nous
pouvons aussi supposer que la puissance au frein totale pour le type de moteur E et le service S est :
n
HPES
S
E ,i
NRPES
i 1
Où :
-
HPES est la quantité théorique totale de puissance disponible en une heure pour les locomotives dotées d'un moteur de type E et
affectées au service S;
-
n est le nombre de locomotives dotées d'un moteur de type E et affectées au service S.
Comme les locomotives ne sont pas utilisées 100 % du temps, nous devons estimer le pourcentage du temps pendant lequel une locomotive
S
dotée d'un moteur E et affectée au service S sera utilisée. Nous considérerons cette estimation comme le pourcentage d'utilisation ( UPerE ).
Les calculs sont expliqués dans la section 2.4 du rapport 2009 produit par CRA. Le pourcentage d'utilisation est tel que :
Used HPES
UPerES
Used HP in year
Total HP available
Used HPES
UPerES
Fuel consumedES
Total hourly HPES
S
E
Fuel consumedES
Fuel consumed
Total hourly HPES
Fuel consumedES
Hours
Hours
Year
year
Year
year
Le rapport 2009 produit par CRA donne la puissance au frein utilisée par unité de carburant consommé (
Used HPES
chaque service. Nous avons reproduit les données (après les avoir converties en litres) dans le tableau ci-dessous :
Fuel consumedES
) pour
Tableau 3 – Puissance au frein par heure par litre selon le service
bhp-h par litre
Chemins de fer de classe 1 et
5,50
voyageurs
Chemins de fer régionaux et
4,81
d'intérêt local
Manœuvres
4,02
S
On trouve la quantité de carburant consommé par année ( Fuel consumedE
Year
locomotives recueillies par l'ACFC. Le nombre d’heures dans une année ( Hours
) dans les données sur la surveillance des émissions des
year
) est une constante. Pour une année de 365 jours, elle est
S
de 8 760. La puissance par heure totale ( Total hourly HPE ) est déterminée à l'aide des formules présentées ci-dessus.
Présumons que le pourcentage d'utilisation est le même pour toutes les locomotives affectées au même service S, peu importe le niveau ou le
S
type de moteur (ce qui signifie que UPerE
UPer S
). En partant de cette hypothèse, nous pouvons maintenant estimer la
puissance totale utilisée par les locomotives composant le parc canadien. En multipliant le nombre de locomotives par leur niveau de puissance
théorique, puis par le pourcentage d'utilisation associé au service, nous obtenons la puissance utilisée par heure pour chaque modèle de
locomotive. Multiplions ensuite ce résultat par le nombre d'heures qu'il y a dans une année (8 760). Il faut savoir que ces calculs seront faits pour
chaque niveau défini par l'EPA des États-Unis. Voici la formule qui résume ce processus :
n
HpTS , M
THPEM,T HPES 8760 UPer S
THPEM,T HPES 8760 UPer S nTS , M
i 1
Où :
-
Hp TS , M est la puissance annuelle totale de toutes les locomotives de modèle M, de niveau T, affectées au service S;
-
THPEM,T est la puissance théorique d'une locomotive de modèle M, dotée d'un moteur E et de niveau T;
-
HPES est la quantité théorique totale de puissance disponible en une heure pour les locomotives dotées d'un moteur de type E et
affectées au service S;
-
UPerS est le pourcentage d'utilisation pour les locomotives affectées au service S;
-
nTS , M est le nombre total de locomotives de modèle M, de niveau T, affectées au service S.
En multipliant les résultats avec les facteurs d'émission du tableau 2 de la feuille de calcul « CAC EF – Base », nous obtenons les émissions totales
(en grammes) pour l'année 2011.
Tableau 4 – Émissions de PCA par service ferroviaire et par niveau pour 2011
PM
HC
NOX
CO
SO2
Marchandises – Total
g/année
2,11E+09 4,03E+09 8,67E+10 1,28E+10 3,58E+08
Marchandises – Locomotives non réglementées
Marchandises – Niveau 0
Marchandises – Niveau 0+
Marchandises – Niveau 1
Marchandises – Niveau 1+
Marchandises – Niveau 2
Manœuvres – Total
Manœuvres – Locomotives non réglementées
Manœuvres – Niveau 0
Voyageurs – Total
Voyageurs – Locomotives non réglementées
Voyageurs – Niveau 1
Voyageurs – Niveau 2
7,90E+08
6,69E+08
1,22E+08
1,48E+08
7,09E+07
3,08E+08
7,74E+07
7,65E+07
9,64E+05
7,83E+07
6,11E+07
5,63E+05
1,66E+07
1,49E+09
1,22E+09
2,57E+08
2,65E+08
1,45E+08
6,56E+08
2,05E+08
2,02E+08
2,55E+06
1,48E+08
1,12E+08
1,01E+06
3,54E+07
3,90E+10
2,19E+10
6,16E+09
3,78E+09
3,34E+09
1,25E+10
3,51E+09
3,48E+09
3,18E+07
3,72E+09
3,03E+09
1,44E+07
6,73E+08
3,85E+09
3,27E+09
1,10E+09
7,21E+08
6,38E+08
3,23E+09
3,71E+08
3,66E+08
4,62E+06
4,75E+08
2,98E+08
2,75E+06
1,74E+08
1,06E+08
9,20E+07
3,08E+07
2,03E+07
1,80E+07
9,09E+07
9,92E+06
9,80E+06
1,23E+05
2,14E+07
1,34E+07
1,24E+05
7,83E+06
Nous pouvons déterminer les facteurs d'émission par service et par niveau en combinant les résultats du tableau 4 aux données sur la
consommation de carburant. Nous devrons donc estimer la quantité de carburant consommée par service ferroviaire pour chaque niveau. Voici
les résultats de cette répartition.
Tableau 5 – Consommation de carburant par service ferroviaire et par niveau pour
2011 (X10^6 L)
Marchandises – Total
1,82E+03
Marchandises – Locomotives non réglementées
5,42E+02
Marchandises – Niveau 0
4,68E+02
Marchandises – Niveau 0+
1,57E+02
Marchandises – Niveau 1
1,03E+02
Marchandises – Niveau 1+
9,14E+01
Marchandises – Niveau 2
4,63E+02
Manœuvres – Total
5,05E+01
Manœuvres – Locomotives non réglementées
4,98E+01
Manœuvres – Niveau 0
6,28E-01
Voyageurs – Total
1,09E+02
Voyageurs – Locomotives non réglementées
6,83E+01
Voyageurs – Niveau 1
6,29E-01
Voyageurs – Niveau 2
3,99E+01
Les estimations sont établies en fonction de la consommation de carburant moyenne pondérée par service ferroviaire. On a utilisé la puissance
au frein par heure (bhp-h) annuelle totale pour pondérer chaque niveau pour chaque service ferroviaire. En divisant les émissions de PCA par la
quantité de carburant consommé par niveau et service, nous obtenons les facteurs d'émission de PCA. Les résultats ont été reproduits
ci-dessous.
Tableau 6 – Facteurs d'émission de PCA et émissions par service ferroviaire au Canada pour 2011
Facteurs d'émission
PM
HC
NOX
(g/L)
CO
Émissions
SO2
PM
HC
NOX
CO
SO2
(kilotonnes/année)
Service
Marchandises – Total
1,15
2,21
47,54
7,02
0,17
2,10
4,03
86,51
12,78
0,32
Marchandises – Locomotives non
réglementées
1,46
2,75
71,96
7,11
0,17
0,79
1,48
38,84
3,84
0,09
Marchandises – Niveau 0
1,43
2,62
46,91
6,98
0,17
0,67
1,22
21,90
3,26
0,08
Marchandises – Niveau 0+
0,77
1,64
39,34
6,99
0,17
0,12
0,26
6,16
1,10
0,03
Marchandises – Niveau 1
1,43
2,56
36,55
6,98
0,17
0,15
0,26
3,77
0,72
0,02
Marchandises – Niveau 1+
0,77
1,58
36,55
6,98
0,17
0,07
0,14
3,34
0,64
0,02
Marchandises – Niveau 2
0,66
1,42
27,01
6,98
0,17
0,31
0,66
12,49
3,23
0,08
Manœuvres – Total
1,53
4,06
69,64
7,35
0,17
0,08
0,20
3,45
0,36
0,01
Manœuvres – Locomotives non
réglementées
1,53
4,06
69,88
7,35
0,17
0,08
0,20
3,42
0,36
0,01
Manœuvres – Niveau 0
1,53
4,06
50,60
7,35
0,17
0,0009
0,0025
0,0312
0,0045
0,0001
Voyageurs – Total
1,16
2,19
54,94
7,02
0,17
0,13
0,24
5,98
0,76
0,02
Voyageurs – Locomotives non
réglementées
1,44
2,63
71,31
7,02
0,17
0,10
0,18
4,87
0,48
0,01
Voyageurs – Niveau 1
1,44
2,58
36,75
7,02
0,17
0,0009
0,0016
0,0231
0,0044
0,0001
Voyageurs – Niveau 2
0,67
1,43
27,15
7,02
0,17
0,03
0,06
1,08
0,28
0,01
Les émissions et facteurs d'émissions de PCA pour 2011 sont présentés dans les tableaux 11 et 13 du Rapport du Programme de surveillance des
émissions des locomotives 2011.