Institut Français du Pétrole

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1 Institut Français du Pétrole Le GNV : quel potentiel? novembre 2006 Anne PRIEUR IFP-RUEIL Direction des Études Économiques Avenue de Bois-Préau RUEIL-MALMAISON cedex Tél. : Richard TILAGONE IFP-LYON Département Moteur de Solaize BP VERNAISON - F Tél. : Rapport

2 Table des matières 1. État de l'art du GNV Bilan des technologies actuelles Véhicule bicarburation, véhicule monocarburation Fonctionnement stoechiométrique ou mélange pauvre Moteur atmosphérique ou suralimenté Évolutions des actionneurs et capteurs Futures approches : potentiel et limitations Injection directe Nouvelles approches combustions : HCCI et CAI Hybride gaz naturel Point sur le post-traitement Gaz naturel reformulé : les différentes voies Contraintes du gaz naturel Correcteurs de caractéristiques : potentialités L'hydrogène Autres constituants Résultats d'acv : bilan comparatif des résultats d'études du puits à la roue Introduction Méthodologie retenue Flux étudiés Application de l'acv aux études du puits à la roue Synthèse des résultats Cadres des études retenues Du puits au réservoir Du réservoir à la roue Du puits à la roue Estimation du potentiel du GNV d'un point de vue environnemental Introduction Contexte et objectifs de l'étude Limitations de l'étude Description des filières étudiées Méthodologie de réalisation des bilans Unité fonctionnelle Frontières des systèmes étudiés Hypothèses de calcul et choix méthodologiques Nature des flux étudiés Description détaillées des filières étudiées Filière GNV Filières carburants conventionnels Résultats de l'analyse du Cycle de Vie Bilans du puits à la roue pour les véhicules légers Bilans du puits à la roue pour les véhicules lourds Bilan du réservoir à la roue Bilan du puits au réservoir Estimation des incertitudes Paramètres sensibles Résultats des calculs d'incertitudes Quelques remarques sur les bilans WTW Conclusion générale Références bibliographiques...88 Acquisition de données sur véhicule PSA M59 phase Simulation AMESim Essais de recoupement Calibration Simulation AMESim

3 SYNTHÈSE Dans le sillage de l'importante croissance de l'usage du gaz naturel dans le secteur de l'énergie (chaleur et surtout électricité) au cours de la dernière décennie, le gaz naturel vise aujourd'hui à renforcer sa position dans le secteur des transports. Ce dernier usage permet dans les pays où il s est développé de réduire leur dépendance au pétrole. Il est de plus souvent associé à une réduction de la pollution, notamment en site urbain. L'objet de la présente étude, faisant suite à une étude précédente publiée en 2002 [18], est d'une part de faire le point sur les technologies actuelles des moteurs fonctionnant au gaz naturel et sur leurs évolutions possibles, et d'autre part de présenter les résultats détaillés des bilans environnementaux comparés des filières essence, gazole et gaz naturel pour véhicules (GNV), dans un cadre français et européen, en comparaison notamment avec les études existantes. Le GNV peut être utilisé aussi bien dans des véhicules lourds que dans des véhicules légers. Les véhicules roulant au gaz naturel utilisent des technologies classiques de moteur thermique, maîtrisées et disponibles dès aujourd'hui. Actuellement, les véhicules lourds utilisant le GNV sont principalement des autobus et des bennes à ordures ménagères (BOM). Dans ces applications, les moteurs GNV sont des moteurs dédiés (le gaz naturel est le seul carburant utilisé), ce qui permet d'en optimiser le fonctionnement. Les applications du GNV pour les bus ou BOM en zones urbaines sont particulièrement bien adaptées, compte tenu : o des faibles émissions de bruit et de polluants, o de l'absence de contraintes liées à une autonomie limitée et l'encombrement du stockage embarqué, o d'une concentration de la logistique du remplissage (compresseurs) au dépôt. Pour les véhicules légers, le gaz naturel peut être utilisé soit dans un moteur bicarburation (essence/gnv) soit dans un moteur dédié au gaz naturel. Le choix entre la bicarburation et la monocarburation dépend donc principalement de la disponibilité du réseau de distribution et du caractère captif ou non de la flotte de véhicules concernés. Tandis qu'un véhicule bicarburation sera optimisé soit pour le fonctionnement à l'essence, soit pour le fonctionnement au gaz naturel, l'intérêt d'une monocarburation est que le moteur peut être optimisé en tenant compte des spécificités du carburant utilisé : dans le cas du gaz naturel son indice d'octane élevé sera un atout important. Les nouvelles approches technologiques aujourd'hui développées sont également envisagées pour le gaz naturel : l'injection directe, mais aussi de nouvelles approches de combustion, telles que les combustions HCCI 1 et CAI 2, ou encore le recours à l'hybridation des véhicules au gaz naturel. À l'échelle européenne, différentes études ont été menées pour évaluer les impacts des carburants alternatifs, parmi lesquels le GNV, en termes de consommation d'énergie et d'émissions, notamment d'émissions de gaz à effet de serre (GES). L'étude menée par EUCAR 3, le JRC 4 et le CONCAWE 5 présente notamment des résultats sur la filière GNV, selon différents scénarios, pour les véhicules légers comme pour certains véhicules lourds (bus et bennes à ordures ménagères). Il s'agit donc dans la présente étude de proposer une analyse des impacts environnementaux (consommation d'énergie, émissions de GES et autres polluants locaux), dans un contexte tenant compte des spécificités françaises et de la situation européenne, de sorte de positionner l'étude par rapport aux travaux existants. 1 HCCI : Homogeneous Charge Compression Ignition 2 CAI : Controlled Auto-Ignition 3 EUCAR : European Council for Automotive R & D 4 JRC : Joint Research Centre of the European Commission 5 CONCAWE : Conservation of Clean Air and Water in Europe (association scientifique des compagnies pétrolières traitant des questions environnementales) 3

4 Principales hypothèses de travail Trois filières ont été étudiées : les filières conventionnelles essence et gazole ex-pétrole brut et la filière GNV. Pour chacune de ces filières, l'approvisionnement ("du puits au réservoir" ou "from well to tank") a été distingué de l'utilisation du carburant dans le véhicule ("du réservoir à la roue" ou "from tank to wheel") : on évoque donc les filières amont et aval. Les filières amont des différents carburants ont été détaillées selon plusieurs étapes successives : pour le gaz naturel : o extraction et traitement du gaz naturel, o transport du gaz naturel, en distinguant le transport hors France (respectivement hors Europe) et le transport en France (respectivement en Europe), ainsi que le transport par canalisation et le transport sous forme liquéfiée (navires méthaniers), o o distribution du gaz naturel, compression du gaz naturel à 200 bars à la station, la compression à domicile n'étant pas envisagée dans cette étude. pour les deux carburants conventionnels o extraction et traitement du pétrole brut, o transport du pétrole brut, o o raffinage pour la production d'essence ou de gazole, distribution du carburant conventionnel. Les principales hypothèses relatives aux filières amont concernent les scénarios d'approvisionnement en gaz naturel et en pétrole brut, les valeurs des fuites lors des différentes phases de transport ainsi que le mix électrique caractéristique de chacune des deux zones étudiées et des horizons temporels considérés. Les résultats filières aval, c'est-à-dire l'utilisation du carburant dans les véhicules, ont été obtenus de différentes manières : pour les véhicules lourds, ils sont issus de campagnes d'essais menées par l'ademe sur des bus et des BOM, pour les véhicules légers : o les émissions de GES et les consommations d'énergie sont issues de modélisations réalisées par l'ifp sur la base d'essais menés sur un véhicule bicarburation essence / GNV de type Citroën Berlingo, o les émissions d'autres polluants ont été prises égales aux valeurs des normes, sans tenir compte des possibles écarts observés lors des essais. Ceci est justifié par le fait que, les normes d'émissions allant toujours vers une sévérisation accrue, les écarts entre carburants tendent de plus en plus à diminuer, et sont de plus en plus sensibles aux réglages des moteurs. Il n'est donc pas apparu pertinent d'utiliser les valeurs d'émissions obtenues lors des essais comme base de comparaison entre les carburants. Dans tous les cas, la comparaison tient compte des technologies existantes pour le scénario 2003, et d'une amélioration des performances pour les scénarios 2010 et 2020, au travers de deux niveaux d'hybridation, partielle (système de type "stop & start) et totale. Les variations des performances des véhicules en fonction du type de motorisation ne sont pas prises en compte (temps d'accélération,...), et il n'a donc pas été considéré d'augmentation de la taille des moteurs pour s'assurer que ces performances sont toutes équivalentes à celles du véhicule de référence. 4

5 Résultats des bilans environnementaux Les résultats repris ici concernent les véhicules légers, ceux des véhicules lourds étant détaillés dans le rapport complet. La contribution de la phase d'utilisation du carburant dans le véhicule est prépondérante sur la totalité du cycle de vie : elle représente environ 85% des consommations d'énergie et des émissions de GES. La répartition des autres émissions entre les parties amont et aval des filières dépend fortement de l'émission considérée. Ainsi, la phase utilisation est la principale source d'émissions : o de CO pour les 3 types de véhicules (environ 97 à 99% selon le carburant), o de NOx pour les véhicules diesel (environ 80%) et le GNV (environ 60%), l'influence sur le total des émissions dans le cas de l'essence étant plutôt de l'ordre de 40%, o de particules pour les véhicules diesel (85% à l'horizon 2003, puis 55% aux horizons 2010 et 2020), mais pas pour les véhicules essence et gaz naturel dont l'utilisation n'émet pas de particules. En revanche, en ce qui concerne les émissions de SOx, c'est la partie approvisionnement qui a le plus d'impact sur le bilan global (100% pour l'essence et le GNV et 84 à 97% pour le diesel), de même que sur les émissions d'hydrocarbures imbrûlés, y compris le méthane (86 à 89% pour le diesel, 80% pour l'essence et 75% pour le GNV). Sur l'ensemble du cycle, les véhicules GNV, qu'il s'agisse de mono ou de bicarburation, sont plus performants que les véhicules essence du point de vue des consommations totales d'énergie non renouvelable, mais moins performants que les véhicules diesel (Figure 1 et Figure 2). Les résultats suivants présentent successivement les consommations d'énergie non renouvelable et les émissions de gaz à effet de serre de la référence essence comparée aux véhicules diesel d'une part et au GNV d'autre part. Un véhicule bicarburation essence/gnv a été simulé. Il apparaît sous deux formes dans les résultats suivants : en fonctionnement à l'essence (noté bicarburation essence) ou en fonctionnement au gaz naturel (noté bicarburation GNV). 5

6 a) Energie non renouvelable essence vs. diesel France MJ / 100 km TTW WTT ESS dédiée ESS bicarb DIESEL ESS dédiée ESS bicarb ESS Hybride lght ESS Hybride full DIESEL ESS dédiée ESS bicarb ESS Hybride lght ESS Hybride full DIESEL b) Energie non renouvelable GNV vs. essence France MJ/100 km TTW WTT ESS dédiée GNV bicarb GNV bicarb GNV hybride light GNV hybride full GNV bicarb GNV hybride light GNV hybride full Figure 1 - Bilan des consommations d'énergie non renouvelable pour la France : a) Essence vs. Gazole et b) Essence vs. GNV. 6

7 a) Energie non renouvelable essence vs. diesel Europe MJ/ 100 km TTW WTT ESS dédiée ESS bicarb DIESEL ESS dédiée ESS bicarb ESS Hybride lght ESS Hybride full DIESEL ESS dédiée ESS bicarb ESS Hybride lght ESS Hybride full DIESEL b) Energie non renouvelable GNV vs. essence Europe MJ/100 km TTW WTT ESS dédiée GNV bicarb GNV bicarb GNV hybride light GNV hybride full GNV bicarb GNV hybride light GNV hybride full Figure 2 - Bilan des consommations d'énergie non renouvelable pour l'union Européenne : a) Essence vs. Gazole et b) Essence vs. GNV. En ce qui concerne les polluants locaux, le GNV s'avère être plus efficace que l'essence et le diesel relativement aux émissions de particules, de SOx et de NOx. Il est également plus efficace que l'essence pour les émissions d'hc, bien que le diesel soit légèrement mieux positionné. En ce qui concerne les émissions de CO, dans la mesure où ce sont les valeurs des normes qui ont été prises en compte, et où la phase utilisation représente pratiquement toute la totalité des émissions du cycle, 7

8 c'est le diesel qui apparaît le plus performant, l'essence et le GNV étant équivalents. Sur ces émissions en particulier la distinction entre les trois types de véhicules est donc délicate. Enfin, les performances des véhicules s en terme d'impact sur l'augmentation de l'effet de serre s'avèrent meilleures que celles des deux véhicules conventionnels (Figure 3 et Figure 4). Les véhicules s sont donc tout particulièrement intéressants, notamment par rapport aux véhicules bicarburation essence / GNV, car ils bénéficient d'une optimisation du moteur pour un fonctionnement au gaz naturel. a) Emissions GES essence vs diesel France g éq. CO2/ km TTW WTT ESS dédiée ESS bicarb DIESEL ESS dédiée ESS bicarb ESS Hybride lght ESS Hybride full DIESEL ESS dédiée ESS bicarb ESS Hybride lght ESS Hybride full DIESEL b) Emissions GES GNV vs. essence France g éq. CO2/ km TTW WTT ESS dédiée GNV bicarb GNV bicarb GNV hybride light GNV hybride full GNV bicarb GNV hybride light GNV hybride full Figure 3 - Bilan des émissions de GES pour la France : a) Essence vs. Gazole et b) Essence vs. GNV. 8

9 a) Emissions GES essence vs. diesel Europe g éq. CO2/ km TTW WTT ESS dédiée ESS bicarb DIESEL ESS dédiée ESS bicarb ESS Hybride lght ESS Hybride full DIESEL ESS dédiée ESS bicarb ESS Hybride lght ESS Hybride full DIESEL b) Emissions GES GNV vs. essence Europe g éq. CO2/ km TTW WTT ESS dédiée GNV bicarb GNV bicarb GNV hybride light GNV hybride full GNV bicarb GNV hybride light GNV hybride full Figure 4 - Bilan des émissions de GES pour l'union Européenne : a) Essence vs. Gazole et b) Essence vs. GNV. 9

10 Les écarts qui apparaissent entre les scénarios français et européens proviennent des variations sur les phases d'approvisionnement. Celles-ci sont liées principalement aux différences dans les approvisionnements en brut et en gaz naturel (qui induisent des différences dans la répartition entre les modes de transport et sur les pertes lors de l'extraction et du transport), aux mix électriques, et à d'autres variables plus spécifiques à chacune des filières, notamment : o l'étape de raffinage de l'essence et du gazole, o la répartition moyenne entre les modes de compression du gaz naturel lors du transport. Il résulte de ces différences entre les scénarios une baisse des émissions de GES entre le cas européen et le cas français d'environ 2 à 4% pour la filière GNV. L'évolution entre 2003 et 2020 montre que l'hybridation GNV pourrait améliorer significativement le bilan GES à partir de 2010 pour atteindre des niveaux d'émissions de l'ordre de 110 g éq. CO 2 /km. Conclusions Cette étude, basée à la fois sur des mesures sur un véhicule existant et des simulations de performances, et sur la modélisation détaillée des filières d'approvisionnement en carburants conventionnels et en GNV, a permis de mettre en évidence les spécificités de ces filières dans le cas français, relativement au cas européen, évalué par ailleurs dans d'autres études. Il en ressort que le GNV, sur l'ensemble de son cycle de vie, présente un potentiel intéressant de diminution des impacts environnementaux en tant que carburant alternatif dans le secteur des transports routiers. Au-delà des réductions possibles au niveau des émissions de polluants locaux, les émissions de GES pourraient elles aussi être significativement diminuées entre aujourd'hui et 2020, de part les performances des véhicules dédiés au gaz naturel et bien plus encore grâce à l'hybridation. Sur la base des résultats de cette étude, il est ainsi possible d'évaluer les réductions d'émissions de CO 2 que l'objectif proposé par la Commission européenne de substituer, à l'horizon 2020, 10% du gazole et de l'essence par du GNV pourrait permettre. Ainsi, en supposant que la substitution est répartie également entre essence et gazole, les émissions des véhicules particuliers pourraient être réduite en 2020 de 2 Mt éq. CO 2 /an et jusqu'à 3,4 Mt éq. CO 2 /an en affectant la substitution de 10% uniquement à des véhicules essence, remplacés par des véhicules hybrides GNV. Ce potentiel est à comparer à l'objectif de réduction de 16 Mt éq. CO 2 /an dans les transports : le seul usage du GNV pourrait contribuer à au moins 12,5% de cet objectif. 10

11 1. État de l'art du GNV 1.1 Bilan des technologies actuelles A l échelle mondiale et sous l effet conjoint de la demande client, du positionnement du gaz naturel en tant qu énergie et/ou carburant de diversification, et des incitations diverses, le parc de véhicules circulant au gaz naturel est très différent d un pays à l autre. Les principaux critères de distinction concernent le nombre de véhicules en circulation, en rapport direct avec la demande client et la densité d installations de remplissage mises à disposition, le potentiel de réduction de CO 2 des technologies employées pour le moteur et le véhicule. Le Schéma n 1 issu de l étude AMOGA (Adéquation MOteur GAz naturel : projet partiellement financé par l'ademe mené en partenariat par l IFP, Gaz de France, PSA Peugeot Citroën et Renault) illustre effectivement le lien entre évolution de la technologique des moteurs alimentés au gaz naturel et leur potentiel de réduction des émissions de CO 2. Les étapes identifiées 2 et 3 correspondent à la situation majoritairement rencontrée sur le marché européen. Exploitation potentiel CO2 Moteur optimisé gaz dégradé essence Moteur dédié gaz Moteur essence post-équipé gaz Moteur essence adapté gaz Etape 1 Etape 2 Etape 3 Etape 4 temps Schéma 1 - Lien entre l'évolution des technologies moteur et les émissions de CO 2 pour les véhicules au gaz naturel La configuration technologique du moteur gaz naturel et du véhicule va donc être la réponse optimale à la recherche d un compromis entre la fonction du véhicule (bus en circulation urbaine, benne à ordure ménagère, utilitaire lourd, utilitaire léger, flotte captive, véhicule pour particulier, etc.), l attente du client forcément très différente pour un gestionnaire de flotte de bus urbains et un particulier, le périmètre d évolution du véhicule, zone urbaine ou à l échelle d un ou plusieurs pays, les contraintes normatives, dont celles limitant le niveau des émissions de polluants émis par le moteur. Les précédents rapports publiés par l AFGNV (notamment le rapport du groupe de travail Énergie Environnement de l AFGNV d octobre 2002 «Le gaz naturel véhicule : les enjeux énergétiques et environnementaux de son développement durable», et le guide de la commission BOM de l AFGNV : «Guide de bonne mise en œuvre des bennes à ordures ménagères au GNV») reprennent bon nombre de ces éléments d appréciation. La notion de marché est donc un élément très important qui va très souvent conditionner le choix des technologies retenues par les constructeurs pour les applications gaz naturel. On peut cependant signaler que dans le cas où le mode de combustion des moteurs au gaz naturel est celui d un moteur à allumage commandé (grande majorité des cas), toutes les évolutions et avancées technologiques développées pour les moteurs à essence sont a priori compatibles avec l'utilisation de gaz naturel. Ce premier chapitre présente quelques critères d appréciation des technologies mises en circulation. 11

12 1.1.1 Véhicule bicarburation, véhicule monocarburation Un des paramètres les plus influents sur le choix d un véhicule bicarburation est sans conteste la densité d installations de remplissage disponibles sur la zone d évolution du véhicule. Cette notion est bien évidemment liée aux exigences du client concernant l autonomie minimale souhaitée entre deux pleins successifs. Dans le cas d un véhicule pour particulier évoluant dans un pays sans réseau de distribution dense, la bicarburation s impose. Cependant, l installation de bornes GNV dans des stations-service classiques (prévu dans le protocole signé le 4 juillet 2005 par les membres fondateurs de l AFGNV) et l offre de Gaz de France consistant à mettre à disposition du client un remplissage à domicile devraient avoir un impact positif. L autre critère important est la notion de «captivité» du véhicule, par exemple les flottes de véhicules d entreprise, les bus urbains, les taxis dans une certaine mesure. Dans ces différents cas, le retour vers une station de remplissage, privée dans la plupart des cas, est intégré et cohérent avec l utilisation de ces véhicules. Le choix de la monocarburation se justifie alors. D un point de vue technique, la monocarburation est l approche qui autorise une optimisation maximale du moteur prenant en compte tout le potentiel offert par le carburant, et donc celle qui doit conduire aux gains les plus importants en terme de consommation d énergie. Une des principales caractéristiques qui distinguent le gaz naturel des carburants liquides, est son indice d octane 6 moteur équivalent, de l ordre de 120 pour un gaz disponible sur le réseau à comparer à 86 pour un Eurosuper. Cet avantage peut être mis à profit en augmentant le rapport volumétrique de compression du moteur, dont une augmentation de 9,5:1 à 12,0:1 se traduit à la stœchiométrie par un gain maximal de rendement théorique de cycle de l ordre de 10% (Figure n 5). rendement de cycle à volume constant 70% 60% 50% 40% 30% Cp/Cv = 1,34 20% Cp/Cv = 1,29 / R = 0,7 Cp/Cv = 1,27 / stoech. 10% rapport volumétrique de compression Figure 5 - Évolution du rendement de cycle à volume constant en fonction du rapport volumétrique de compression En complément, le fort indice d octane équivalent donne des possibilités étendues de réglage de la combustion, sans risque d apparition de cliquetis et sans recourir à une stratégie d enrichissement pénalisante en termes de consommation et d émissions de polluants. Pour certains petits moteurs suralimentés, la conjonction de l augmentation du rapport volumétrique de compression, du réglage de la combustion à avance allumage optimale et du maintien de la stœchiométrie permet d atteindre des écarts de rendement effectif par rapport au fonctionnement à l essence qui peuvent atteindre 25% en condition de pleine charge (Figure n 6). Ce gain se traduit immédiatement par une réduction des émissions de polluants et de CO 2, qui couplées à la réduction liée au rapport Hydrogène sur Carbone 6 Indice d'octane : Indice qui détermine la qualité antidétonante d'un carburant liquide. Pour mesurer cet indice, on compare le carburant à un mélange d'isooctane (indice 100) et d'heptane (indice 0). Si un carburant se comporte du point de vue du pouvoir détonant comme un mélange constitué de 90 % d'isooctane et 10 % d'heptane, on dit alors que son indice d'octane est de

13 de la molécule moyenne permet de réduire dans certains cas et en conditions de pleine charge les émissions de gaz à effet de serre de l ordre de 34%. Comparaison Pleine Charge "essence" et "gaz naturel" 40% Rendement effectif en % 38% 36% 34% 32% 30% 28% 26% + 25 % Rendement ESSENCE Rendement gaz naturel 24% 22% Régime en tr/min Figure 6 - Comparaison pleine charge «essence» et «gaz naturel» sur véhicule léger En marge de ces aspects, la monocarburation évite d installer à bord du véhicule et sur le moteur deux systèmes de carburation différents, et donc d avoir à respecter les normes en vigueur pour les deux carburants (émissions de polluants, OBD 7, aspects sécuritaires ). Sur le marché européen, peu de constructeurs proposent à ce jour des véhicules pour particuliers en monocarburation gaz naturel (le groupe Fiat en propose pour le marché italien notamment), mais sur le marché français le développement de moteurs dédiés gaz est l un des objectifs du protocole du 4 juillet Dans le domaine des moteurs de poids lourds équipant les bus et les BOM, la tendance est inversée compte tenu du caractère «captif» des flottes. Dans ce cas, une autre raison conduit à la mise sur le marché de moteur monocarburation : le moteur de base est dans la majorité des cas un moteur Diesel adapté pour le fonctionnement au gaz naturel (implantation des bougies d allumage, réduction du rapport volumétrique de compression). Le changement de mode de combustion n autorise a priori pas la bicarburation, exception faite des moteurs Dual-Fuel où l injection de gazole permet d initier la combustion d un mélange air / gaz naturel. En fonction du potentiel de réduction du CO 2 recherché, la bicarburation peut s envisager selon deux options. Dans le cas d un véhicule pour particulier, la première consiste à permettre le fonctionnement au gaz naturel sur un moteur dont le rapport volumétrique de compression est optimal pour le fonctionnement à l essence. Sans pouvoir utiliser tout le potentiel du gaz naturel, les moteurs récents basés sur cette approche offrent cependant des performances élevées au gaz naturel qui bénéficie d'un réglage optimisé. L intérêt pour le constructeur est une limitation des modifications de la base moteur essence. De plus, en France, la limitation du volume du réservoir essence (inférieur à 15 litres) permet de classer le véhicule dans la catégorie des véhicules «monocarburation gaz naturel», ce qui présente un intérêt en terme de contrainte normative. Dans le cas où le rapport volumétrique de compression est optimisé en fonction des caractéristiques du gaz naturel, la logique consiste à privilégier le fonctionnement au gaz naturel, le fonctionnement à l essence n étant possible qu en mode dégradé donc peu favorable aux performances et à la réduction de la consommation. Plusieurs constructeurs proposent des véhicules de ce type (Fiat et Opel notamment). Pour les véhicules bicarburation, le fonctionnement à l essence est imposé quelques instants au démarrage, ou au cours de l utilisation du véhicule, afin d éviter de trop longues périodes de non 7 OBD : "On-Board Diagnostic system" : système de diagnostic embarqué obligatoire pour détecter des pannes ayant un impact sur le fonctionnement correct du véhicule. 13

14 utilisation, préjudiciables à la fiabilité des injecteurs essence. Le démarrage à froid à l essence peut également présenter un intérêt pour une mise en action plus rapide du système de post-traitement des effluents gazeux, dont la mise au point tient compte du double fonctionnement essence et gaz naturel Fonctionnement stoechiométrique ou mélange pauvre Pour un véhicule dont l utilisation est bien identifiée, le choix de l approche combustion est lié à la recherche d un compromis entre le respect des normes en vigueur (notamment les normes d émissions de polluants), les attentes des clients (en terme de consommation spécifique, de performances, de fiabilité, etc), et les coûts que le constructeur peut consentir pour le développement du véhicule. En marge des approches combustion de type HCCI ou CAI qui suscitent aujourd hui de nombreux travaux, et dans le cas des moteurs à allumage commandé, deux approches classiques sont utilisées : les combustions homogènes stœchiométriques et le mélange pauvre. L une et l autre présentent des avantages et des inconvénients, sachant cependant que la sévérisation constante des normes réglementant les émissions de polluants et l aspect transitoire des cycles de normalisation compliquent la mise au point de l approche mélange pauvre. Comme le montre la Figure n 7 représentative d un point de fonctionnement d un moteur de véhicule léger à régime moteur et charge fixes, la quantité de polluants émis par la combustion (dans ce cas au gaz naturel) et le rendement effectif distinguent ces deux approches. Si les émissions de NOx et de CO sont élevées à la stœchiométrie, le post-traitement simultané (et indispensable) de ces trois polluants réglementés est très bien maîtrisé (régulation de la richesse et formulation catalyseur), d autant plus que la température à l échappement est élevée. Cette efficacité a cependant un coût en terme de rendement effectif, plus faible que ceux obtenus en mélange pauvre. La recirculation de gaz brûlés externes (EGR) est une façon efficace d améliorer le rendement effectif du moteur à faible charge. Le fonctionnement en mélange pauvre homogène (en excès d air) permet d augmenter significativement le rendement effectif du moteur, du moins tant que la limite pauvre n est pas atteinte, caractérisée par une instabilité de combustion associée à une rapide augmentation des émissions d hydrocarbures imbrûlés. En fonction de la marge de sécurité à prendre prenant en compte la robustesse de la combustion, la richesse est réglée pour être la plus proche possible de cette limite, permettant de conserver un rendement effectif élevé, de faibles émissions de NOx, sans pénaliser les émissions de HC et de CO. Dans le cas où les émissions brutes de ces polluants ne respecteraient pas la norme (ce qui devient systématique avec les normes Euro IV et suivantes), le recours à un post-traitement spécifique est nécessaire. Mis à part la contrainte liée à la chute de température des gaz échappement, le traitement du CO et des HC est relativement efficace, du moins tant que les espèces chimiques ne sont pas trop stables et que la température à l'échappement reste suffisamment élevée. Le post-traitement des NOx est davantage problématique car l objectif est de les réduire en milieu oxydant. Plusieurs solutions existent (NOx-trap, DéNOx continue, SCR, etc) mais les plus efficaces nécessitent un contrôle assez complexe des phases de régénération. Il s en suit une surconsommation qui conduit à un compromis moins avantageux. Une autre difficulté mérite d être signalée, la maîtrise des transitoires de richesse nécessaire pour assurer des performances moteur acceptables (richesse 1 en transitoire de charge et en stabilisé pleine charge). La voie mélange pauvre est bien implantée dans le domaine des moteurs pour Bus et BOM. 14

15 Variation de richesse 2700 tr/min - 5 bar THC NOx CO Rend. eff. Téchap. 610 C Rendement effectif [-] emissions de NOx, CO et THC [g/kwh] C Richesse Figure 7 - Variation de richesse Moteur atmosphérique ou suralimenté Le moteur gaz naturel est dans la majorité des cas issu d un moteur existant. Pour les applications de type Bus, BOM voire certains véhicules utilitaires, le moteur de base est une version Diesel suralimentée. Le moteur ayant été conçu mécaniquement pour supporter de très fortes pressions de combustion (combustion Diesel), le principe de la suralimentation est avantageusement conservé pour le gaz naturel, avec idéalement des adaptations géométriques au niveau du compresseur et de la turbine pour tenir compte des conditions de fonctionnement. L approche mélange pauvre évoquée au paragraphe précédent s associe parfaitement avec la suralimentation qui permet de compenser partiellement la chute d énergie introduite à faible richesse. Un autre avantage de la suralimentation est de pouvoir compenser la perte de remplissage liée à l injection d un carburant gazeux dans le plénum admission, perte qui peut représenter entre 10% et 12% sur un moteur à aspiration naturelle. En raison de son indice d octane équivalent élevée, l utilisation de gaz naturel sur la base d un moteur essence suralimenté permet des réglages optimaux sur l ensemble de la plage de fonctionnement du moteur (avance allumage optimale, pas d enrichissement en pleine charge), conduisant ainsi à des fonctionnement à plus haut rendement. La forte teneur en eau dans les gaz d'échappement due au rapport H/C élevé pour le gaz naturel doit être prise en compte dans la conception de la ligne échappement (condensation en point bas). Une autre difficulté concerne le post-traitement. En effet, un turbocompresseur représente une inertie thermique importante préjudiciable à froid pour l'amorçage du système catalytique. De plus, la détente des gaz dans la turbine s accompagne d une chute de température, les gaz traversant le catalyseur sont donc plus froids qu en amont de la turbine Évolutions des actionneurs et capteurs L architecture générale de la plupart des systèmes gaz naturel est présentée sur le Schéma n 2, reprenant des éléments du démonstrateur Smart gaz naturel (développée en partenariat entre Gaz de France et l IFP avec le soutien financier de l ADEME). Dans le cadre d un moteur à allumage commandé, quel que soit le niveau d optimisation du système, les principales fonctions sont : le stockage sous pression : réservoirs cylindriques en acier ou en composite suivant les applications ; la détente du gaz de la pression du réservoir à la pression d utilisation ; l injection du gaz naturel : dans le cas de l injection indirecte, la plus répandue pour les véhicules en circulation, l introduction du gaz est réalisée dans le circuit d'admission ; la fonction allumage (bobine et bougies d allumage); 15

16 un système de contrôle de l injection et de l allumage; un post-traitement adapté à la nature des émissions et aux normes à satisfaire (cf. 1.3). Schéma 2 - Système gaz naturel du démonstrateur Smart GNV Pour ce genre d architecture classique permettant de répondre assez simplement aux attentes des clients, les évolutions vont concerner chaque fonction : le stockage sous pression diffère selon : o la nature des matériaux utilisés ayant un impact direct sur la masse supplémentaire embarquée o le volume de stockage et le nombre de réservoirs en fonction de l autonomie véhicule recherchée o les zones d intégration des réservoirs (coffre, châssis, habitacle, toit,..). La pression de stockage varie classiquement entre 200 bar et 250 bar en fonction des capacités des installations de remplissage, du temps de remplissage et du ratio quantité stockée / coût total du stockage ; le détendeur permet d ajuster la pression du gaz en fonction du système d injection. La qualité de la régulation et la capacité à délivrer un fort débit de gaz avec une pression amont détendeur faible sont des caractéristiques recherchées ; les diffuseurs à effet Venturi et les systèmes injectant du gaz en continu ne sont utilisés que pour des applications très particulières (moteur stationnaire). A l instar des véhicules à injection indirecte essence, les VL de première monte au gaz naturel sont majoritairement équipés d injection multipoint en commande séquentielle phasée. Bien qu ils soient spécifiquement adaptés pour injecter de grandes quantités de gaz naturel (pour des temps d ouverture similaires à ceux des injecteurs essence), les injecteurs gaz naturel sont de conception classique. En raison d impédance relativement faible en comparaison à l essence, les courants d appel délivrés par le module de puissance doivent être augmentés. La Photo n 1 montrent quatre injecteurs gaz naturel dont les deux le plus à droite sont des injecteurs de basse impédance (1,6 ohms) et de faible pression d injection (2,5-3 bar). Le montage de ces injecteurs sur le moteur entre la rampe de gaz naturel et le plenum admission est également classique, Photo n 2. A noter que les technologies employées pour la conception des ces injecteurs doivent permettre de limiter les fuites à l arrêt du véhicule. En effet, l écart de pression entre la rampe de gaz et le plenum admission ainsi que la taille de la molécule moyenne favorise ces fuites préjudiciables à la réduction des émissions d hydrocarbures imbrûlés. Dans le cas des moteurs pour bus ou BOM, l injection monopoint est encore largement utilisée, le débit de gaz pouvant être assuré par l'utilisation de plusieurs injecteurs. 16

17 Photo 1 - Injecteurs gaz naturel Photo 2 - Montage d injecteurs «gaz naturel» entre rampe et plénum (moteur de la Smart GNV) Sur les véhicules monocarburation, le contrôle moteur gère les fonctions de base (injection, allumage, gestion du fonctionnement à froid, mise en action catalyseur, etc) comme pour le fonctionnement à l'essence. En bicarburation, compte tenu du fait que deux systèmes d injection sont présents sur le moteur (essence et gaz naturel), certaines fonctions sont doublées, notamment la commande des injecteurs. Une solution efficace pour gérer le moteur est de développer un module spécifique pour la commande des actuateurs de l un des deux carburants (essence ou gaz) qui est en liaison avec le contrôle principal. Les contrôles moteur récents intègrent des stratégies spécifiques : prise en compte de la variation de la composition et donc des caractéristiques du gaz naturel d un plein à l autre, de l état gazeux du carburant, des difficultés de mise en température du catalyseur (stratégies de mise en action), etc. Les capteurs spécifiques à la ligne gaz naturel sont également l objet d évolutions constantes : pression et température sur la partie HP, utilisées pour l indication de la quantité de carburant stocké (fonction jauge), pression et température au niveau de la rampe d injecteur utilisées dans des stratégies de contrôle. Des développements de capteurs permettant de déterminer la composition du gaz contenu dans les réservoirs sont mentionnés dans la littérature. Tous les autres capteurs nécessaires au fonctionnement du moteur en mode gaz naturel sont très proches voire identiques à ceux utilisés pour un moteur allumage commandé essence. 17

18 1.2 Futures approches : potentiel et limitations Injection directe L injection directe de gaz naturel est aujourd hui un thème important de recherche qui se justifie pleinement par les principales raisons et avantages suivants : l injection indirecte de gaz naturel affecte considérablement le remplissage du moteur (de l ordre de 10%) : l injection du gaz directement dans la chambre de combustion contribue à limiter cette perte et donc permet d augmenter les performances spécifiques. Des gains de performance de plus de 5% sont envisageables à bas régime, comme l'atteste la Figure n 8; Couple en valeur non représentative [N.m] Courbe pleine Charge moteur TOYOTA 2 litres - PrampeGN=50 bar Couple ID-Gasoline_Tx=9,8:1 Couple MPI-CNG_Tx=13:1 Couple DI-CNG_Tx=13: Régime [tr/min] Figure 8 - Courbe de pleine charge d un moteur TOYOTA 2 litres à très faible charge, le coefficient polytropique de compression est plus élevé compte tenu du fait qu une partie de la compression va s opérer avec de l air au lieu d un mélange air/carburant. Cet avantage s estompe dès qu il est nécessaire d injecter le carburant précocement, avant la phase de compression ; l injection directe permet d orienter la combustion vers la stratification mélange pauvre, mode très efficace pour augmenter le rendement effectif à basse charge (près de 15%), avec cependant une difficulté pour le post-traitement des NOx émis ; la gestion des transitoires de richesse est plus aisée, et le contrôle de la coupure injection en décélération est meilleur; le démarrage à froid est plus rapide; contrairement à l essence, l injection directe de gaz naturel ne conduit pas à l encrassement des bougies ; l homogénéité du mélange semble mieux maîtrisé compte tenu de l absence de phénomènes de mouillage des parois par le carburant; possibilité d utiliser la pression des réservoirs directement au niveau de la pression d injection; dans le cas où les moteurs gaz naturel sont développés sur la base de moteurs essence, l avènement de l IDE offre des opportunités. En injection directe, la principale difficulté concerne l injecteur qui doit être capable de supporter les contraintes thermiques et de pression au niveau du nez, mais également pouvoir injecter la quantité de gaz nécessaire pour la puissance voulue dans la fenêtre angulaire (définie par la fermeture de la soupape d'échappement et l angle d allumage). L état gazeux du carburant et la nécessité d assurer les performances maximales y compris lorsque le réservoir atteint un faible niveau de pression constituent des challenges difficiles à maîtriser. 18

19 1.2.2 Nouvelles approches combustions : HCCI et CAI Les approches HCCI et CAI consistent à diminuer fortement les émissions de NOx émis par la combustion. En comparaison avec la combustion Diesel dont les émissions de fumée et de NOx sont naturellement élevées, la combustion HCCI présente l avantage de réduire très efficacement les émissions de ces deux polluants à la source. Le principe est dans ce cas de favoriser des stratégies d injection conduisant à une meilleure homogénéité de la charge (injections précoces), et de recourir à des forts taux d EGR pour éviter des dégagements d énergie trop violents. Les caractéristiques du carburant vont bien évidemment influer sur la maîtrise de ce mode de combustion. Dans le cas d une utilisation de gazole, des adaptations sont nécessaires au niveau du moteur dont le taux de compression doit être le plus bas possible (limite basse imposée par le démarrage à froid) ainsi que le niveau thermique à l admission. Les principales contraintes concernent la boucle d air qui conditionne la charge maximale, la puissance des échangeurs thermiques (air+egr) et le niveau de pression maximale dans le cylindre. Si l utilisation de gaz naturel pour ce mode de combustion peut être un atout sur le critère d homogénéité (d autant plus si l injection est indirecte), elle n est cependant envisageable qu en assurant dans la chambre de combustion les conditions d auto-inflammation du gaz naturel. Les multiples travaux présentés dans la littérature font état de moteurs à rapport volumétrique de compression proche des moteurs Diesel, des richesses de fonctionnement et des températures à l admission élevées (de l ordre de 100 C). Des développements en cours sont mentionnés avec des mélanges gaz naturel / hydrogène, qui permettent notamment de diminuer l exigence en température à l admission, de stabiliser les combustions et de réduire significativement les émissions d hydrocarbures imbrûlés et de CO. Dans le cas des combustions CAI, le principe est de générer une combustion spontanée en présence de très fort taux de gaz brûlés chauds : la recirculation interne de gaz brûlés par la distribution est plus favorable. La forte dilution et le fonctionnement possible en mélange pauvre conduisent à une réduction très importante des émissions de NOx et à une augmentation importante du rendement effectif (diminution de la boucle basse pression, augmentation du rendement de cycle). L utilisation de gaz naturel en mélange avec de l'hydrogène fait également l objet de travaux de recherche et d'utilisation sur flottes expérimentales Hybride gaz naturel La réduction des émissions de gaz à effet de serre est un objectif majeur de l automobile. Les Constructeurs européens ont d ores et déjà anticipé les efforts à mener en matière de réduction des émissions de CO 2, en s engageant notamment à réduire le CO 2 moyen émis par le parc de véhicules commercialisés à 140 gco 2 /km sur cycle normalisé d ici Une voie efficace pour la réduction des gaz à effet de serre consiste à diversifier l offre carburant en favorisant la consommation de carburant avantageux sur le bilan global du CO 2 émis du «puits à la roue». Parmi ces carburants, le gaz naturel représente une alternative pertinente, en phase avec les visions stratégiques de la Commission Européenne. De nombreuses études confirment que la filière de production du gaz naturel et ses caractéristiques intrinsèques (rapport moléculaire H/C notamment), le placent parmi les carburants les plus prometteurs. Cette étude le confirmera de nouveau. La réduction sensible du CO 2 émis par les automobiles est fortement liée à la capacité des constructeurs à améliorer le rendement énergétique global des véhicules, notamment en améliorant la consommation spécifique du moteur lui-même : baisse des frottements, amélioration de la combustion, réduction des émissions à la source. 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». Globalement, le principe est de solliciter des zones de fonctionnement du moteur à haut rendement de combustion, tout en limitant les pertes par frottements. Compte tenu de ses 19

20 propriétés physico-chimiques, le gaz naturel est un carburant parfaitement adapté pour cette approche. L amélioration des groupes motopropulseurs basée sur un couplage optimal du moteur et de la transmission est également un axe de progrès pour la réduction de la consommation. Cependant, comme le montre la Figure n 9, l approche hydride gaz naturel est une des voies les plus prometteuses pour la réduction des émissions de gaz à effet de serre (document issu de l'étude EUCAR/Concawe/JRC réalisée en 2003). Figure 9 - Étude 2003 EUCAR/Concawe/JRC sur les émissions du «puits à la roue» pour différents couples Technologies/Carburant D une façon générale, l hybridation consiste en une optimisation de la gestion de l énergie à bord du véhicule, en permettant : d utiliser majoritairement le moteur thermique dans ses zones de fonctionnement à plus haut rendement; de gérer le démarrage du moteur thermique à des moments choisis (coupure à l arrêt du véhicule) ; d atténuer le bruit et les vibrations (confort à bord) durant les phases d arrêt du moteur thermique ; de récupérer l énergie de freinage. Les véhicules hybrides aujourd hui commercialisés sont la preuve de cette efficacité. La Toyota Prius d une masse de 1300 kg émet sur cycle normalisé 104 gco 2 /km, ce qui correspond à une consommation moyenne sur cycle de 4,4 litres d essence, représentant une baisse d environ 40% par rapport à un véhicule à moteur essence de prestations équivalentes. La contre partie à ces performances est aujourd hui le coût et la complexité liée au schéma d hybridation. 1.3 Point sur le post-traitement Quelle que soit l approche retenue, monocarburation ou bicarburation, le post-traitement est optimisé en fonction du carburant. Pour le gaz naturel, les émissions d hydrocarbures imbrûlés, composés en majorité de méthane, sont difficiles à oxyder. La Figure n 10 compare les courbes d'efficacité représentatives d'un catalyseur 3 voies pour le CO, les NOx et le méthane, dans des conditions de richesse optimale. La température requise pour atteindre une efficacité de 50% de conversion du méthane est supérieure d'environ 175 C à celle du CO. 20

21 100 Efficacité catalyseur 3 voies essence pour différentes espèces (richesse optimale) CO NOx CH Température entrée catalyseur [ C] source IFP Figure 10 - Comparaison des efficacités d'un catalyseur 3 voies pour différentes espèces de polluants Les optimisations peuvent être différentes selon le fonctionnement : en bicarburation les phases de démarrage et de mise en action du catalyseur peuvent s envisager avantageusement à l essence. En réponse à la stabilité des hydrocarbures émis avec le gaz naturel, les imprégnateurs proposent des catalyseurs 3 voies avec des formulations fortement chargées en métaux précieux, Platine ou Palladium, d où un surcoût pour ces catalyseurs gaz naturel. Le Rhodium est également présent pour le traitement des NOx. L efficacité du post-traitement, sa longévité et ce surcoût induit constituent donc des préoccupations importantes pour les constructeurs. Même s il est difficile de connaître les formulations développées pour un véhicule, les mécanismes réactionnels au sein d un catalyseur sur un véhicule gaz naturel sont bien identifiés. En raison de la plus forte proportion d eau dans les gaz d échappement et du niveau thermique élevé (dans les conditions de puissance maximale), les réactions de vaporéformage et de «water/gas shift» s opèrent (elles produisent notamment de l hydrogène), ainsi que les phénomènes de désoxydation du Palladium à haute température, conduisant ainsi à des sensibilités et des efficacités des catalyseurs gaz naturel atypiques. A l instar des véhicules essence, le post-traitement revêt une importance capitale en vue de satisfaire les prochaines échéances en terme d émissions de polluants (Euro V), et à ce titre, l optimisation du positionnement du catalyseur sur la ligne échappement (le plus proche possible de la culasse selon les architectures véhicule et moteur), et la mise au point de stratégies efficaces de mise en action du catalyseur (régime de ralenti augmenté, sous-avance à l'allumage pour l'augmentation de la température des gaz d'échappement, maîtrise de la richesse, etc) sont indispensables. Dans le cas des moteurs turbocompressés, un soin particulier doit être apporté sur la fonction catalyseur compte tenu des conditions thermiques en aval de la turbine d autant plus dégradées à froid (détente des gaz et inertie thermique de l échappement augmentée). Des solutions existent, notamment la mise en place de pré-catalyseurs métalliques entre la sortie de la culasse et le turbocompresseur, ceci pour bénéficier de l enthalpie des gaz échappement le plus tôt possible (Photo n 3). L utilisation d'un mélange hydrogène/gaz naturel peut également être un avantage sur l efficacité du post-traitement. 21