Energies alternatives aux produits pétroliers

PREDIT 3
carrefour final
mai
2008
Etude sur l’impact de l’éthanol sur les émissions à l’échappement et les pertes
par évaporation
Ce projet s’articule selon 3 axes de recherche :
• l’évaluation de l’impact de la pression de vapeur sur les émissions de polluants à l’échappement
et par évaporation (réglementés, toxiques, précureurs de l’ozone).
• l’évaluation de la sensibilité à l’éthanol de différentes technologies.
Principaux objectifs et apports attendus :
Sur la base d’une matrice d’essais carburants/véhicules (8 carburants, 4 véhicules légers),
les objectifs pour les émissions à l’échappement sont de :
• mesurer les émissions des polluants réglementés ;
• mesurer les émissions des polluants non réglementés ;
• mesurer l’impact de l’éthanol sur les départs à froid.
Les objectifs pour les émissions à l’évaporation sont de :
• mesurer les pertes par évaporation ;
• définir la réactivité vis à vis de l’ozone des pertes par évaporation.
Résultats obtenus :
Les principales conclusions de cette étude sont les suivantes :
• les véhicules testés respectent les normes d’émissions à l’échappement lorsqu’ils sont alimentés
avec une essence contenant 5% d’éthanol. ;
• aucun impact direct de l’incorporation d’éthanol sur les pertes par évaporation n’est observé
lorsque l’ajout d’éthanol se fait à aptitude du carburant à se vaporiser (TVR) constante ;
• le stockage d’éthanol en présence d’un pied d’eau peut conduire rapidement à une diminution
marquée de la teneur en éthanol du carburant ;
• les véhicules testés ont montré une sensibilité à l’éthanol, du point de vue de leur système
de régulation de richesse et peut être du point de vue de la thermique de la ligne d’échappement.
(IFP, financement Ademe).
Et après ?
Progrès des connaissances et innovations sont des
préalables au développement à grande échelle des
carburants alternatifs.
Des études fines de l’efficacité énergétique globale de
la chaîne complète, du «puits à la roue» sont nécessaires
pour s’assurer que le «bilan carbone» s’avère in fine plus
avantageux que celui des carburants traditionnels issus
du pétrole.
L’extraction du gaz naturel, sa compression ou son
refroidissement (pour sa liquéfaction) sont des
opérations qui consomment beaucoup d’énergie.
De plus, en l’état actuel de la technique, les rendements
des moteurs fonctionnant au GNV ne sont pas
particulièrement élevés. Ils nécessitent un allumage
commandé et la conception de moteurs thermiques
spécifiquement optimisés pour ce type de carburant,
notamment au niveau de la combustion, doit être
envisagé, y compris pour les véhicules de transport
en commun et les camions. L’introduction partielle
d’hydrogène (provenant de source non carbonée) et/ou
de biogaz permettra à la filière gaz de rester dans
la course.
Pour les biocarburants, certaines interrogations doivent
trouver des réponses sans équivoques. Les carburants
dits de «première génération» ne semblent pas pouvoir
être utilisés à grande échelle du fait, notamment,
des surfaces cultivées qui devraient y être consacrées.
Les biocarburants dits de « deuxième génération »
présentent un meilleur potentiel et les recherches
à engager pour le long terme devraient très certainement
privilégier cette voie. Dans une étape intermédiaire, si la
solution consistant à utiliser des biocarburants de première
génération mélangés à des produits pétroliers devait se
développer à grande échelle, les recherches sur la mise au
point de moteurs réellement optimisés pour ces mélanges
(moteurs «flexfuel») devraient impérativement s’accélérer.
Pour l’heure quelques constructeurs garantissent déjà leur
moteur essence à 10% d’éthanol et leur moteur Diesel avec
30% de biogazole.
Enfin, tant pour le GNV que pour les biocarburants,
les rejets issus du fonctionnement des moteurs doivent
être finement analysés et des systèmes de dépollution
spécifiques devront, le cas échéant, être développés
et leur efficacité devra être mesurée.
éNERGIES ALTERNATIVES
AUX PRODUITS PéTROLIERS
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mai
2008
Rédaction : Bertrand Theys
Secrétariat permanent du Predit
avec l’aide de Laurent Gagnepain et Gabriel Plassat, ADEME
Le moteur thermique ne paraît pas avoir de concurrent capable de remettre en cause
sa suprématie à court ou moyen terme. Cependant, la lutte contre l’effet de serre
doit s’intensifier. Il faut donc concilier ces deux éléments. Une solution consiste à
utiliser, dans les moteurs à explosion, des carburants qui ne contiennent pas ou
peu de carbone d’origine fossile. Sa mise en œuvre nécessite toutefois des études
préalables afin, notamment, de s’assurer de la bonne adéquation entre les éléments
du couple moteur-carburant, et de quantifier l’énergie dépensée pour produire les
dits carburants sans carbone fossile (approche puits à la roue).
La problématique
Les carburants pétroliers liquides (essence, gazole) présentent des atouts indiscutables. Leur manipulation,
leur transport et leur stockage sont relativement aisés et, surtout, ils ont une très forte densité énergétique,
massique et volumique : un litre d’essence pèse 755 g et contient une énergie de l’ordre de 9 kWh. Il permet
à une voiture de parcourir 15 à 20 km sur une route dégagée.
Ces qualités justifient le quasi-monopole dont ils ont bénéficié jusqu’à présent en tant que source d’énergie
pour assurer la propulsion des véhicules routiers et des engins ferroviaires autres qu’électriques.
Cependant, au-delà de ces atouts, l’utilisation de l’essence et du gazole dans les moteurs thermiques présente
un grave handicap : du carbone fossile, inactif au niveau de l’effet de serre lorsqu’il est contenu dans les nappes
pétrolifères, se combine à l’oxygène de l’air ambiant au cours du processus de combustion pour former du
dioxyde de carbone qui est relâché dans l’atmosphère et devient alors actif vis-à-vis de l’effet de serre.
Dans le cadre de la lutte contre le changement climatique, et compte-tenu des difficultés à diffuser largement
des solutions alternatives au moteur à explosion, il y a lieu de trouver des substituts à ces produits d’origine
pétrolière pour réduire le rejet de carbone fossile dans le milieu ambiant.
Trois voies, qui peuvent être combinées entre elles, sont envisagées pour aller dans ce sens :
• exploiter des produits fossiles dans lesquels, à contenu énergétique équivalent, la quantité de carbone est
plus faible ;
Mobilité
Sécurité
des transports
Transport
de marchandises
Environnement
Énergie
Intégrations
technologiques
Politiques
de transports
• utiliser des produits dans lesquels les atomes de carbone sont prélevés sur des molécules de dioxyde
de carbone déjà présentes au préalable dans l’atmosphère afin de ne pas y augmenter la concentration
de gaz à effet de serre ;
• utiliser de l’hydrogène, sous réserve qu’il ne soit pas obtenu selon un procédé qui libère du carbone
fossile.
Exploiter l’une de ces solutions n’est cependant pas immédiat et certaines précautions doivent être prises.
Adapter les moteurs (et les auxiliaires) à ces carburants ou combustibles alternatifs et tester leur fiabilité
dans les conditions réelles de fonctionnement s’impose d’abord. Une phase d’analyse des effluents,
de leur nature, de leurs propriétés, de leur toxicité est également nécessaire, tout comme l’établissement
d’un bilan énergétique afin de s’assurer que la solution envisagée est réaliste et peut être engagée à grande
échelle. Enfin les paramètres de sécurité, tout au long de la chaîne (production, distribution, utilisation),
doivent aussi être pris en considération.
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éNERGIES ALTERNATIVES AUX PRODUITS PéTROLIERS
Les actions du Predit 3
Le «gaz naturel», constitué très majoritairement
de méthane en fait, est un hydrocarbure dont
l’utilisation en tant que carburant dans les moteurs
thermiques devrait permettre de limiter l’émission
de dioxyde de carbone. En effet, la molécule de
méthane a un contenu en carbone relativement
faible (4 atomes d’hydrogène et un atome de
carbone) et, même s’il est d’origine fossile, la
combustion de ce gaz émet moins de dioxyde
de carbone que l’essence ou le gazole dont les
molécules constituantes sont beaucoup plus
carbonées. A performances équivalentes, un véhicule
consommant du gaz naturel pour véhicules (GNV)
émet 20% de moins de dioxyde de carbone qu’un
véhicule à essence , mais pas forcément moins qu’un
diesel compte tenu du moindre rendement
du moteur GNV. En fait, selon l’usage des niveaux en
retrait (exemple : des usages urbains avec beaucoup
de fonctionnement au ralenti et à charge partielle)
ou meilleur (cas des usages moteurs chargés comme
sur parcours autoroutier) peuvent être obtenus.
Le bruit émis par un moteur fonctionnant au GNV
est aussi plus faible que celui émis par un moteur
équivalent fonctionnant au gazole.
De plus, les réserves naturelles de méthane sont
assez importantes (mais malheureusement aussi mal
réparties que le pétrole) et c’est un produit assez
facile à transporter et à stocker s’il est liquéfié au
préalable (par compression ou cryogénie,
ce qui, cependant, réduit le rendement énergétique
global de la chaîne, «du puits à la roue» et ce qui
renchérit le coût du produit). Enfin, pour assurer une
autonomie satisfaisante aux véhicules, les réservoirs
de GNV doivent être relativement volumineux ;
leur intégration, en particulier dans les voitures
particulières et les utilitaires légers, peut s’avérer
problématique. Toutefois les véhicules récents
intègrent désormais les réservoirs sous
le châssis, ce qui n’engendre pas de perte de volume
du coffre (ex : Opel Zafira, Fiat Multipla et Doblo).
Dans la mesure où les moteurs initialement prévus
pour fonctionner avec des carburants d’origine
pétrolière se révèlent mal adaptés à l’utilisation
du méthane, des recherches ont été soutenues
par le Predit pour faciliter l’optimisation des groupes
moto-propulseurs fonctionnant au GNV afin d’en
améliorer le rendement pour réduire la consommation
et donc diminuer les rejets de dioxyde de carbone.
Un moteur performant (cylindrée réduite et
suralimentation avec un turbocompresseur) associé
à contrôle moteur dédié a été développé pour
équiper un véhicule classique puis dans un deuxième
temps un véhicule hybride (voir encadré Smart GNV).
Une autre recherche a consisté à étudier l’adéquation
moteur - GNV et à préciser l’influence de la variation
de la composition du gaz naturel (qui peut varier
dans des plages minimes certes mais d’amplitude
suffisante pour altérer le bon fonctionnement d’un
moteur...) sur les performances des moteurs.
Concernant les bus, dont beaucoup fonctionnent
déjà au GNV, une expérimentation a été lancée
pour évaluer le potentiel d’un mélange hydrogène-GNV.
L’utilisation des biocarburants n’a pas fait l’objet
de beaucoup de recherches dans la mesure où les
technologies sont maintenant mûres, tout au moins
en ce qui concerne les biocarburants dits
de « première génération ». On relèvera toutefois
une étude dédiée au comportement des moteurs
de nouvelle génération (HCCI) fonctionnant
avec des mélanges gazole-biocarburant.
PFCECO2 - «Essences optimisées dans le cadre d’un “downsizing“ poussé des moteurs
à allumage commandé»
Le «downsizing» apparaît particulièrement prometteur en terme de réduction de consommation.
La formulation du carburant est cependant un paramètre clé restant à étudier par rapport à ces nouvelles
technologies.
Principaux objectifs et apports attendus :
Étudier l’impact de la formulation du carburant sur le fonctionnement et les possibilités d’optimisation
d’un moteur fortement «downsizé» au moyen d’essais de matrices de carburants testés sur moteur
monycylindre essence.
Résultats obtenus :
Les résultats sont cohérents sur les 4 matrices testées (15 carburants) et malgré l’interdépendance de
certaines propriétés des carburants, les axes majeurs de formulation ont pu être exploités.
(IFP et Total, financement Ademe - plan VPE)
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mai
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Étude d’un moteur suralimenté dédié au GNV (Smart Gaz Naturel)
Principaux objectifs et apports attendus :
Une solution technologique pertinente pour la réduction de la consommation spécifique des
moteurs consiste à en réduire la cylindrée, approche communément appelée «downsizing» ou «écosuralimentation». D’autre part, au niveau du carburant, le Gaz Naturel est parfaitement adapté pour
réduire les émissions de CO2 car, outre un rapport H/C élevé (proche de 4) il autorise des réglages
de la combustion à très haut rendement (indice d’octane proche de 130 permettant une augmentation
du taux de compression). L’objectif majeur du projet Smart GNV a été de démontrer l’intérêt du couple
GNV+downsizing vis à vis de la réduction des émissions de CO2.
Résultats obtenus :
La première étape a consisté à optimiser le moteur pour un fonctionnement dédié (pistons,
bielles, vilebrequin,…), puis la combustion a été optimisée grâce à des essais au banc moteur où
les cartographies de base ont été réalisées. La suralimentation par turbocompresseur et le calage
de distribution ont été particulièrement travaillés pour maintenir des performances en puissance
comparable au moteur essence. L’optimisation s’est poursuivie sur le véhicule dont les derniers
résultats obtenus confirment le faible niveau de CO2, moins de 100g CO2 /km, ce qui représente
une diminution de 27% par rapport à l’essence), le respect des normes Euro IV et un agrément
de conduite conforme aux attentes client.
(Gaz de France et IFP, financement Ademe).
Adéquation Moteur Gaz naturel (AMOGA)
Ce projet s’est proposé d’étudier l’influence de la composition du gaz naturel carburant sur le
fonctionnement en terme de puissance, de consommation et d’émissions de polluants d’un moteur
récent de 1,6 litre, de grande diffusion, suivant deux configurations «optimisé essence - adapté
GNV» et «optimisé GNV – dégradé essence» ainsi que de recueillir des informations nécessaires pour
l’optimisation des moteurs GNV.
L’objectif principal était de mieux appréhender l’impact de la compositions du gaz sur le
fonctionnement du moteur afin de déterminer les indices gaz les plus influents et orienter les actions
futures notamment pour l’optimisation.
Résultats obtenus :
La Phase 1, effectuée à l’IFP, a concerné des essais de caractérisation du moteur à deux taux
de compression différents et pour diverses compositions de gaz. (G20 à 10:1 et G20, G25
et 2 autres gaz naturels réseau à 12:1).
Le passage au taux de 12:1 dans le cas du G20 n’a pas permis d’obtenir le gain en consommation
escompté par rapport au taux de série 10:1. Le résultat le plus notable est que pour les deux gaz
réseau, constitués d’éléments plus lourds tels que l’éthane ou le propane, les vitesses de combustion
sont augmentées, impliquant des gains en consommation ainsi que des performances accrues pour
des avances à l’allumage optimales plus faibles. En ce qui concerne le G25, les performances sont
modestes du fait des 16% d’inerte contenus dans ce gaz.
La seconde phase, au banc de Gaz de France, avec une matrice de 11 gaz, a montré que le
comportement de ce moteur au GNV est satisfaisant : les variations de performances sont faibles,
quel que soit le gaz testé. Cependant, il semble que la définition d’une cartographie optimisée sur
les gaz d’homologation (G20, G25) entraîne un fonctionnement légèrement dégradé du moteur
avec des gaz naturels distribués sur réseau. Il s’avère aussi que la composition du gaz naturel influe
significativement sur l’efficacité du catalyseur.
(Gaz de France, IFP, PSA Peugeot Citroën, Renault, financement Ademe).