Effets des carburants de type « biodiesel » sur les émissions

Milieux
Évolution de la pollution atmosphérique en relation avec les agrocarburants
et impacts (y compris modélisation) sur la santé humaine
Effets des carburants de type « biodiesel »
sur les émissions des moteurs diesels européens
et sur la toxicité des particules émises
Période : décembre 2008 à février 2009
Vincent NEDELLEC
Vincent Nedellec Consultant – Villennes-sur-Seine
Mots clés : Biodiesel, Huile alimentaire recyclée, Polluant réglementé, Pollution de l’air, Toxicité diesel
et biodiesel
Les agrocarburants, seule alternative à court terme pour la
nution de l’opacité des fumées et de la masse de particules
substitution des carburants routiers conventionnels, font l’ob-
est plus importante à forte charge6 (-56 % à faibles charges
jet d’importants efforts de recherche. En matière de pollution
contre -63 % à charges maximum). La plus faible teneur en
de l’air ambiant et d’impact sur la santé, nous ne disposons
carbone du biodiesel, ainsi que l’absence de souffre expli-
que d’études expérimentales encore assez difficiles à inter-
quent ces diminutions, mais le facteur principal serait la
préter en terme de gestion.
présence d’oxygène. En revanche, le diamètre moyen des
particules décroît tandis que leur nombre augmente légè-
Facteurs influençant les émissions
des moteurs diesels alimentés au biodiesel
L’expérience a été conduite sur un moteur diesel 4 cylindres
à injection directe utilisant soit du diesel à ultra faible teneur
en soufre (diesel correspondant aux normes européennes),
soit du biodiesel obtenu à partir d’huile de cuisson usagée,
soit des mélanges de ces deux carburants (Di et al., 2009).
Les mélanges contenaient 0 % 20 %, 40 %, 60 % 80 % et
100 % en volume de biodiesel, correspondant à 0 %, 2 %,
4 %, 6 %, 8 % et 10 % d’oxygène en masse1. Le moteur tournait à régime constant de 1 800 tours/minute et la puissance
appelée2 était de 28 Nm, 70 Nm, 130 Nm, 190 Nm et 230
Nm. Les émissions de polluants réglementés (NOx, CO, PM3,
fumées, hydrocarbures totaux4) et non réglementés (benzène,
toluène, xylène, 1-3,butadiène, formaldéhyde, acétaldéhyde)
étaient mesurées en sortie d’échappement. L’augmentation
du taux de biodiesel dans le mélange augmente la consom-
rement. La diminution des émissions de formaldéhyde s’atténue avec l’augmentation de la charge moteur (respectivement : -74 %, -96 %, -81 %, -45 % et -23 %). La réduction
du 1,3-butadiene est plus marquée avec le mélange à 20 %
de biodiesel qu’avec les autres mélanges. Selon la charge
moteur, cette diminution varie respectivement de -40 %,
-36 % -33 %, -48 % et -53 %. Elle est attribuée à l’amélioration de la combustion en phase diffusion7 (présence d’oxygène) et probablement à l’augmentation du NO2 dans les gaz
d’échappement, lesquels consommeraient le 1,3-butadiène.
La diminution des émissions totales de BTEX8 est optimale
avec le mélange à 20 % et augmente avec la charge moteur
(jusqu’à -24 % aux plus fortes charges). Pris individuellement,
le benzène évolue dans le sens contraire des autres aromatiques. Cette disparité de résultat est observée dans d’autres
études, mais parfois dans le sens inverse. L’acétaldéhyde
augmente avec le taux de biodiesel incorporé (+40 % pour le
biodiesel pur), mais diminue en valeur absolue avec la charge
moteur. L’écart entre diesel et biodiesel est plus faible pour
mation du moteur (+ 9% avec le biodiesel pur) ainsi que son
les petites (28 et 70 Nm) et les fortes charges (230 Nm) et
efficacité énergétique5 (+ 37% avec le biodiesel pur).
plus important avec les charges intermédiaires (130 et 190
L’augmentation de la consommation s’explique par un pouvoir
Nm). Enfin, le biodiesel augmente les émissions de NOx d’en-
calorifique inférieur des biodiesels et l’amélioration de l’effi-
viron 10 % quelle que soit la charge moteur. Quel que soit le
cacité énergétique par la présence d’oxygène qui améliore
type de carburant, les émissions de NOx augmentent avec la
la combustion, notamment dans la phase de diffusion et par
charge moteur. Le taux de NO dans les NOx est plus impor-
un pouvoir lubrifiant accru du biodiesel limitant ainsi les frot-
tant avec le diesel conventionnel (de 63 à 99 %) qu’avec le
tements. Le biodiesel diminue les émissions d’HCT (hydro-
biodiesel (de 60 à 97 %). La signification statistique de ces
carbures totaux), de CO, de particules, de formaldéhyde,
différences n’est pas précisée dans l’article. L’effet du biodie-
de 1,3-butadiene, de toluène, et de xylène. A l’inverse, on
sel serait attribuable à l’avance à l’injection (augmentation de
observe une augmentation des oxydes d’azote, du benzène
la température du moteur) nécessaire au regard de sa plus
et de l’acétaldéhyde. La baisse du HCT a plusieurs explica-
faible compressibilité9 et à la présence d’oxygène favorisant
tions, notamment une volatilité plus faible des biodiesels et
la formation de NO. Les émissions de NO2 augmentent avec
des gaz d’échappement plus chauds. La diminution du CO est
la présence du biodiesel de 15 à 150 % en fonction de l’aug-
attribuée à la présence d’oxygène dans le carburant. La dimi-
mentation de la charge moteur.
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Effets des carburants de type « biodiesel » sur les émissions des moteurs diesels
européens et sur la toxicité des particules émises – Vincent NEDELLEC
Commentaire
de l’ozone. Les NOx étant des gaz précurseurs de l’ozone, il
Cette étude de bonne qualité donne des résultats complets
est préférable pour la qualité de l’air et la santé des popula-
et clairement exposés. Ils sont comparés avec les données
tions d’éviter toute augmentation de NOx.
de la littérature. La bonne concordance observée, notamment avec les équations de l’US-EPA10 permettant de calculer
Une étude publiée dans la même période a évalué l’écotoxicité
les surémissions ou sous émissions en fonction du taux de
et la cytotoxicité des gaz d’échappement d’un moteur diesel
biodiesel incorporé, renforce la validité des facteurs influents
(4 temps, modèle inchangé, puissance stabilisée) alimenté
explicités par les auteurs. En revanche, il est difficile d’en tirer
avec des mélanges diesel / biodiesel de 0 %, 10 %, 30 %,
une conclusion globale simple concernant les impacts sur
50 %, 75 %, 100 % (Liu et al., 2008). Les auteurs ont utilisé
la pollution de l’air ou sur la santé. Le nombre de polluants
les tests Microtox©13 et MTT14 (bromure de 3- (4,5-dimethyl-
dont les émissions diminuent grâce à l’utilisation de biodiesel
thiazol-2-yl)-2,5-diphenyl tétrazolium). Les particules solides
est supérieur au nombre de ceux qui augmentent. Toutefois,
sont séparées des gaz au moment du prélèvement. Les
l’impact sanitaire de chaque polluant étant spécifique, ces
résultats ne sont pas directement interprétables en termes
de bénéfices ou de détriments sanitaires. De plus, la charge
moteur, qui correspond sur un parcours réel à la vitesse du
véhicule, a des effets variables. L’influence sur la pollution
de l’air sera donc différente selon que l’on considère les
parcours urbains ou les parcours interurbains. On remarque
aussi, grâce aux comparaisons avec d’autres études, que
résultats du test Microtox© indiquent une toxicité 3 à 5 fois
supérieure de la phase gazeuse ou semi-volatile comparée
à la phase particulaire. D’autre part, la fraction soluble des
particules diesel est plus écotoxique que celles de tous les
mélanges au biodiesel testé. Le test MTT donne des résultats
comparables pour la fraction soluble des particules.
Commentaire
l’origine du biodiesel ainsi que le type de moteur influencent
En définitive, les résultats de cette étude ne sont pas direc-
les résultats pour les BTEX. Enfin, certaines variations sont
tement interprétables pour les décisions de gestion. Des
plus marquées avec des mélanges intermédiaires (hydrocar-
travaux toxicologiques plus poussés permettraient de mieux
bures aromatiques) qu’avec le biodiesel pur. Au total, seule
connaître les différences, s’il y en a, entre la toxicité des gaz
une modélisation de l’ensemble du trafic routier intégrant
d’échappement issus de la combustion de diesel convention-
ces fluctuations dans leurs complexités permettrait de mieux
nel ou de biodiesel.
connaître les impacts attribuables au biodiesel et de comparer ses avantages et les inconvénients potentiels.
Conclusion générale
En Bref
Les agrocarburants suscitent d’importants travaux
Une étude publiée en décembre 2008 (Fang et al., 2008)
la biomasse utilisable, l’analyse du cycle de vie,
indique qu’il est possible de réduire les surémissions de NOx
la mise au point des moteurs et sur l’influence de
dues au biodiesel en retardant l’injection après le « top dead
ces carburants vis-à-vis des performances et des
center » (TDC )11. Dans leur expérimentation, en fonctionne-
émissions des moteurs. Les publications des trois
ment stabilisé et à charge moyenne, ce retard a pour effet de
derniers mois confirment les résultats de travaux
diminuer le pic de chaleur et d’aplatir la courbe de chaleur
antérieurs. Ils présentent l’avantage d’utiliser pour
totale émise. Cette baisse des températures contribue à
la première fois des moteurs et des carburants
réduire les émissions de NOx « thermiques »12. Un biodiesel
diesels correspondant aux normes européennes.
pur émet alors moins de NOx qu’un diesel conventionnel de
Il est maintenant bien établi que les biodiesels
type européen à ultra faible teneur en soufre.
engendrent une légère surconsommation (+10 %)
de recherche sur les techniques de production,
en contrepartie d’une baisse des émissions (HCT,
Commentaire
CO, PM, formaldéhyde, de 1,3-butadiene). Concer-
Ces résultats confirment la nécessité d’optimiser les réglages
nant les BTEX les résultas sont contradictoires et
d’un moteur diesel lorsqu’il est alimenté avec du biodiesel
semblent encore dépendants du type de moteurs
si l’on veut réduire ses émissions de NOx. Le commissariat
et de biodiesel utilisés. Ces gains pour la qualité
général au développement durable a publié en mars 2009
de l’air sont pondérés par une surémission d’acé-
un bilan des indicateurs clés de l’environnement (disponible
taldéhyde et de NOx. Des solutions pour éviter la
sur : http://www.ifen.fr/uploads/media/indicateursCles2009.
surémission de NOx commencent à voir le jour, mais
pdf). En moyenne, dans les grandes villes françaises, tous
elles nécessitent des réglages moteurs variables
les indicateurs mesurés en 2007 (SO2, NO2, PM10 ), sont en
selon le taux de biodiesel incorporé. Cela repré-
baisse par rapport au niveau de l’année 2000 à l’exception
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Frey HC, Kim K, Pang SH et al. Characterization of real-world
sente une contrainte technique identique à celle
activity, fuel use, and emissions for selected motor graders
des véhicules fonctionnant à l’éthanol (flex-fuel),
fueled with petroleum diesel and B20 biodiesel. J. Air Waste
alors que l’avantage mis en avant pour les biodie-
Manag. Assoc. 2008 ; 58(10):1274-87.
sels était justement de pouvoir s’incorporer dans
Guo Y, Wei H, Yang F et al. Study on volatility and flash
les carburants conventionnels sans modification des
point of the pseudo-binary mixtures of sunflowerseed-based
véhicules existants. En matière de pollution atmos-
biodiesel+ethanol. J. Hazard Mater. 2009 ; 167(1-3):625-9.
phérique et d’impact sur la santé, nous ne disposons
Karavalakis G, Tzirakis E, Mattheou L et al. The impact of
que d’études expérimentales encore assez difficiles
using biodiesel/marine gas oil blends on exhaust emissions
à interpréter en termes de gestion. Des études à
from a stationary diesel engine. J. Environ. Sci. Health A Tox.
base de modélisation tenant compte de toutes les
Hazard. Subst. Environ. Eng. 2008 ; 43(14):1663-72.
modifications d’émissions attribuables aux agro-
Keskin A, Gürü M, Altiparmak D. Influence of tall oil biodie-
carburants permettraient de mieux connaître leurs
sel with Mg and Mo based fuel additives on diesel engine
impacts in fine.
performance and emission. Bioresour Technol. 2008 ;
99(14):6434-8.
Murugan S, Ramaswamy MC, Nagarajan G. The use of
tyre pyrolysis oil in diesel engines. Waste Manag. 2008 ;
Mots clés utilisés
pour la recherche bibliographique
Alternative fuel, biodiesel, biomass fuel, ethanol fuel, emis-
28(12):2743-9.
Ramos MJ, Fernandez CM, Casas A et al. Influence of fatty
acid composition of raw materials on biodiesel properties.
Bioresour Technol. 2009 ; 100(1):261-8.
sions, vehicle emissions, air pollution, public health, inhala-
Rashid U, Anwar F, Moser BR et al. Moringa oleifera oil : a
tion exposure.
possible source of biodiesel. Bioresour Technol. 2008 ;
99(17):8175-9.
Publications analysées
Di Y, C heung CS, Huang Z. Experimental investigation
Xinling L, Zhen H. Emission reduction potential of using gasto-liquid and dimethyl ether fuels on a turbocharged diesel
engine. Sci. Total Environ. 2009 ; 407(7):2234:44.
on regulated and unregulated emissions of a diesel engine
Ces publications n’ont pas été sélectionnées car elles
fueled with ultra-low sulfur diesel fuel blended with biodiesel
semblaient moins novatrices ou moins pertinentes que les
from waste cooking oil. Sci. Total Environ. 2009 ; 407(2):835-
trois publications décrites dans cette note.
46.
Fang T, Lin YC, Foong TM et al. Reducing NOx emissions
from a biodiesel-fueled engine by use of low-temperature
combustion. Environ. Sci. Technol. 2008 ; 42(23):8865-70.
Lexique
1
Liu YY, Lin TC, Wang YJ et al. Biological toxicities of emissions from an unmodified engine fueled with diesel and
 % d’oxygène en masse : Masse d’oxygène rapportée à la
masse de carburant.
2
Puissance appelée : Energie que doit développer le moteur
biodiesel blend. J. Environ. Sci. Health A Tox. Hazard Subst.
pour continuer à fonctionner dans une situation donnée.
Environ. Eng. 2008 ; 43(14):1735-43.
Quand le moteur n’entraîne aucun mouvement des auxiliaires (alternateurs, pompes à eau à huile et autres fluides,
ventilateurs, boite de vitesse, etc.) ou du véhicule, la puis-
Revue de la littérature
sance appelée est minimale ; lorsque le moteur entraîne les
auxiliaires et le véhicule, la puissance appelée augmente.
Lapuerta M, Armas O, Rodríguez-Fernández J. Effect of
Lorsque la puissance appelée dépasse la capacité du
biodiesel fuels on diesel engine emissions. Prog. Energ.
moteur, celui-ci « cale ». A régime constant la puissance
Combust. Sci. 2008 ; 34(2):198-223.
appelée est synonyme de « charge moteur » (cf. forte
charge6).
Publications non sélectionnées
3
Chen WM, Wang JX, Shuai SJ. [Effects of fuel properties on
4
PM (pour « particulate matter ») : en Français : particules en
suspension dans l’air.
Hydrocarbures totaux : Méthode d’analyse qui exprime la
the performance of a typical Euro IV diesel engine]. Huang
masse totale d’hydrocarbure présents dans l’échantillon
Jing Ke Xue. 2008 ; 29(9):2665-71.
analysé.
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Effets des carburants de type « biodiesel » sur les émissions des moteurs diesels
européens et sur la toxicité des particules émises – Vincent NEDELLEC
5
6
Efficacité énergétique : L’efficacité énergétique d’un système
courant, l’azote désigne le gaz diatomique diazote N2,
dépend de sa vocation. Les moteurs ont pour vocation de
constituant majoritaire de l’atmosphère terrestre, repré-
produire un mouvement (travail). L’énergie du mouvement
sentant presque les 4/5e de l’air (78,06 %, en volume). Les
est exprimée en joule. L’efficacité énergétique du moteur
NOx apparaissent dès l’oxydation de l’hydrocarbure (« NOx
est le rapport entre l’énergie du travail produit et l’énergie
prompt ») à travers des mécanismes chimiques complexes.
contenue dans le carburant utilisée pour le produire (égale-
Typiquement 540 espèces interagissant suivant 5 000
ment exprimé en joule). Les lois de thermodynamique inter-
réactions élémentaires pour un hydrocarbure comme le
disent une efficacité de 100 % pour les moteurs. Une partie
n-heptane. Cette production primaire est fortement imbri-
de l’énergie du carburant est perdue en chaleur sans être
quée avec la transformation du combustible en vapeur
récupérée (sauf en hiver pour chauffer l’habitacle). Cette
d’eau, monoxyde de carbone et dioxyde de carbone.
notion ne doit pas être confondue avec le « rendement »
Ensuite, les NOx sont aussi formés à haute température
qui est le rapport entre l’efficacité réelle de la machine et
dans les gaz brûlés, par réaction entre l’azote présent
l’efficacité théorique maximale qu’on peut attendre d’elle.
dans l’air utilisé comme comburant et l’oxygène (« NOx
Forte charge : Pour un motoriste, la charge moteur est le
thermiques »). Les voies chimiques et les temps caracté-
rapport du travail fourni par un moteur à un certain régime
ristiques de ces deux mécanismes sont très différents. La
sur le travail maximal possible à ce régime. Une forte
connaissance des deux mécanismes reste encore incer-
charge correspond donc à un travail du moteur proche du
taine et fait l’objet de travaux de recherche notamment
financés dans le cadre du Framework Programme 6.
maximum possible pour un régime donné.
7
Phase diffusion : Dans un moteur diesel, on distingue trois
13
Microtox© : Le test Microtox© est basé sur l’inhibition de la
phases de combustion. La phase 1 (retard à l’allumage) :
luminescence d’une bactérie marine (vibrio fisheri). C’est
correspond au temps passé (ou à l’angle du vilebrequin)
un test d’écotoxicité aiguë principalement utilisé pour
entre le début de l’injection du carburant et le début de
suivre la toxicité des effluents de station d’épuration des
la hausse de la pression dans le cylindre. Pendant cette
eaux, des sédiments de rivière, des lixiviats de centres
période importante, les particules injectées de carbu-
d’enfouissement des déchets, etc. Ce test est appré-
rant sont chauffées par l’air chaud intérieur et atteignent
cié pour son utilisation facile et rapide. La luminescence
la température exigée par le carburant pour s’enflammer
bactérienne est produite au cours d’un enchaînement de
spontanément. La phase 2 (diffusion) : au début de sa diffu-
processus métaboliques de la glycolyse et de la respira-
sion la flamme cause une surpression passagère due à la
tion cellulaire mettant en jeu l’enzyme luciférase et des
combustion soudaine du carburant. Le taux de hausse de
coenzymes d’oxydoréduction. L’inhibition de ces proces-
pression gouverne l’ampleur du « coup » de combustion.
sus est difficilement interprétable pour la santé humaine.
Ce « coup » est considéré comme l’inconvénient principal
Les résultats indiquent donc seulement une plus ou moins
des moteurs diesel. La phase 3 : la combustion directe du
carburant dès son entrée dans la chambre de combus-
grande toxicité pour l’environnement.
14
MTT : Test utilisant des cultures cellulaires et un réactif, le
tion donne une hausse de pression plus graduelle. Dans
sel de tétrazolium MTT (bromure de 3- (4,5-dimethylthia-
les moteurs classiques, cette phase 3 existe uniquement
zol-2-yl)-2,5-diphenyl tétrazolium). L’anneau de tétrazolium
lorsque la puissance appelée est maximale.
qu’il contient est réduit en formazan par la succinate déshy-
8
BTEX : Benzène Toluène, Ethylbenzène, Xylènes.
drogénase mitochondriale des cellules vivantes actives. La
9
Compressibilité : Capacité du carburant à être compressé.
couleur du milieu passe alors du jaune au bleu violacé. L’in-
US-EPA (pour United States – Environmental Protection
tensité de cette coloration est proportionnelle au nombre
Agency) : Agence de Protection de l’Environnement.
de cellules vivantes présentes lors du test, mais aussi à
11
Top dead center (TDC) : Point mort haut.
leur activité métabolique. Le test MTT indique donc une
12
NOx « thermiques » : Lors de la combustion d’hydrocar-
cytotoxicité à condition que les solutions testées ne modi-
bures dans un moteur il y plusieurs processus condui-
fient pas, par ailleurs, l’activité du métabolisme cellulaire.
sant à la formation des oxydes d’azotes « NOx ». L’azote
Indicateur de cytotoxicité, ce test reste d’une interprétation
est un élément chimique de la famille des pnictogènes,
délicate en raison de facteurs de confusion difficilement
de symbole N et de numéro atomique 7. Dans le langage
contrôlables.
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