2 PRESENTATION DE L INVENTAIRE DES EMISSIONS LIEES AU TRAFIC ROUTIER EN ILE-DE-FRANCE POUR L ANNEE 1998 : METHODOLOGIE ET DONNEES D ENTREE UTILISEES

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1 2 PRESENTATION DE L INVENTAIRE DES EMISSIONS LIEES AU TRAFIC ROUTIER EN ILE-DE-FRANCE POUR L ANNEE 1998 : METHODOLOGIE ET DONNEES D ENTREE UTILISEES 2.1 Caractéristiques principales de l inventaire des émissions pour l année Contexte Parmi les éléments d information à recueillir pour caractériser la qualité de l air, ses effets et contribuer à fixer les stratégies de lutte contre la pollution figure la disponibilité d inventaires des émissions polluantes, ainsi que de cadastres, décrivant la répartition spatiale et l évolution temporelle de ces émissions. Dans le cadre de ses activités de modélisation et de prévision, AIRPARIF a été amené, depuis 1997, à développer des méthodologies et des outils de production de cadastre d émissions, à fines résolutions spatiale (de l ordre du km2) et temporelle (heure). Sur la base des informations sur les émissions polluantes qui lui ont été transmises dans le cadre de trois groupes de travail «sources fixes», «facteurs d émissions et parc automobile» et «trafic», mis en place par le Préfet de Région en 1997, Airparif a ainsi pu produire des premiers cadastres d émissions atmosphériques, à l échelle de la région Ile-de-France, avec une résolution spatiale de 3 x 3 km2, pour l année L élaboration de ce cadastre a par ailleurs fait l objet d un suivi régulier dans le cadre d un comité de pilotage qui regroupait différents experts dans le domaine des émissions et/ou de la modélisation atmosphérique. Les informations qui ont été collectées comprenaient l ensemble des émissions atmosphériques qui ont des impacts directs ou indirects significativement importants sur la qualité de l air ou encore qui jouent un rôle dans les processus physico-chimiques de l atmosphère, à l exception notable des particules dont les informations n ont été collectées que pour le trafic routier. Dans ce contexte, l absence critique d inventaire des émissions de particules, tant au niveau national que dans ses déclinaisons locales, ne peut qu être soulignée Les catégories de sources d émissions On distingue les sources d émissions selon des considérations géométriques. Trois grandes catégories d émission ont ainsi été prises en compte dans l inventaire 1998 : - Les sources linéiques qui correspondent au trafic routier principal - Les grandes sources ponctuelles qui regroupent les sources suffisamment importantes pour être prises en compte individuellement : émissions dues aux cheminées industrielles, centrales thermiques, incinérateurs, chauffage urbain, stockages industriels de combustibles ou de solvants Nous avons également pris en compte dans cette catégorie les émissions liées au trafic aérien qui ont été traitées, en l absence d informations disponibles précises, comme des chapelets de sources ponctuelles le long de trajectoires de référence pour les phases de décollage et d atterrissage 3

2 - Les sources surfaciques qui représentent les sources d émissions qui n ont pas été comptabilisées dans les autres types de sources. On peut citer par exemple : le chauffage domestique, les sources biogéniques, les petites sources industrielles, le trafic diffus, les émissions diffuses générées par les plate formes aéroportuaires La nomenclature SNAP adaptée La nomenclature SNAP (Selected Nomenclature for sources of Air Pollution, EMEP/CORINAIR 1997) a été utilisée pour classer les activités génératrices d émissions atmosphériques. Cette nomenclature, qui constitue la référence européenne, comporte 11 niveaux, chacun étant lui-même divisé en sous-niveaux. Les 11 niveaux principaux sont : 01 Combustion dans les industries de l énergie et de la transformation d énergie 02 Combustion hors industrie 03 Combustion dans l industrie manufacturière 04 Procédés de fabrication 05 Extraction et distribution de combustibles fossiles 06 Utilisation de solvants et autres produits 07 Transport routier 08 Autres sources mobiles et machineries 09 Traitement et élimination des déchets 10 Agriculture, sylviculture et aquaculture 11 Autres sources et puits Chaque activité génératrice d émissions est classifiée selon son code SNAP de niveau le plus fin (SNAP niveau 3). Pour les activités de type transport routier (SNAP 07), un quatrième niveau a été créé permettant de distinguer entre les types de circulation (urbaine, route, autoroute). La nomenclature complète utilisée est présentée en annexe Les polluants Les polluants qui sont pris en compte peuvent être classés en trois grands types : - les polluants qui sont soumis à une réglementation au niveau national ou européen et/ou qui font l objet d une surveillance de la part des réseaux de surveillance : NO, NO 2, NOx (exprimé en équivalent NO 2 ), CO, SO 2, NH 3, HCl. Faute de données disponibles pour les sources ponctuelles et surfaciques, l évaluation des tonnages émis en terme de particules (PA) n a été possible que pour les émissions liées au trafic routier. - deux gaz à effet de serre : CO 2, CH 4 - les principaux composés organiques volatils non méthaniques (COVNM) qui interviennent en tant que précurseurs de la pollution photo oxydante et qui intéressent donc la modélisation physico-chimique. Il n existe en général pas de données directes d émission pour chacun des composés organiques volatils considérés. Aussi est-il nécessaire d utiliser des matrices de spéciation de COVNM totaux qui permettent d estimer les émissions de chacun des composés à partir d une quantité totale de COVNM émis. Connaissant la catégorie SNAP d une source donnée et la quantité totale de COVNM émise, les matrices de spéciation permettent d accéder aux pourcentages de chaque composé ou groupe de composés chimiques dont il faut calculer les émissions. Airparif a acquis auprès de l université de Stuttgart (IER) une matrice de spéciation développée dans le cadre du programme de recherche européen Genemis. Par défaut, les décompositions en espèces chimiques ont été réalisées sur la base de cette matrice. 4

3 2.1.5 Voies de progrès Malgré l important travail réalisé par Airparif et en l absence pour différents types d émetteurs des données élémentaires nécessaires ou de méthodologies d inventaires suffisamment structurées, différentes voies de progrès relatives à l inventaire existant peuvent être mentionnées. Elles concernent : - l inhomogénéité des années de référence pour les différentes sources de données ; en particulier, les données concernant les émissions surfaciques sont issues de l inventaire produit par le CITEPA pour l année 1994 [4] et nécessiteraient d être actualisées, - le manque d évaluations concernant les émissions en particules pour les sources surfaciques et ponctuelles, - l évaluation académique du trafic en Ile-de-France et de ses évolutions pour un jour ouvrable «moyen» qui ne correspond à aucun jour en particulier, - le manque de connaissances structurelles précises en terme de répartition du trafic selon les grandes catégories de véhicules sur certains axes (part de poids lourds, de deux-roues motorisés sur les différentes autoroutes par exemple ) Les deux derniers points relatifs à la connaissance du trafic sont en cours d amélioration puisque dans le cadre du projet européen Heaven (Healthier Environment through Abatment of Vehicle Emission and Noise, cf. site internet Airparif devrait disposer, d ici la fin de l année 2002, d outils permettant la description en temps quasi-réel, au pas de temps horaire, de l état du trafic (en terme de flux et de vitesse) et des émissions associées, au niveau des principaux axes routiers de la région Ile-de-France (environ brins). Nous allons maintenant présenter plus en détails la méthodologie de calcul des émissions liées au trafic routier. Les méthodologies relatives au traitement des autres sources (ponctuelles et surfaciques) ne sont pas ici abordées. Pour plus d informations à ce sujet, le lecteur est invité à se reporter à l annexe Données d entrée et méthodologie de calcul des émissions liées au trafic Le calcul des émissions de polluants liées au trafic routier principal en région Ile-de-France a été effectué en utilisant une chaîne de calcul développée autour du logiciel EMITRA (EMIssion TRAfic), acquise auprès de la société ARIA Technologies, dans le cadre du projet Simpar. Cette chaîne de calcul est alimentée par les données suivantes : Données sur le réseau routier principal et le trafic routier, Données sur le parc automobile, Facteurs d émission unitaires, Caractéristiques du carburant, Données météorologiques (température). La figure 3 présente de façon schématique la méthodologie de calcul employée. 5

4 (Source : COPERT III) Facteurs d émission unitaires Données sur le carburant (Source : COPERT III, EPEFE) Jour standard ~ brins Nombre de véhicules Vitesse moyenne par heure (Source DREIF) Données sur le parc automobile Sources : ADEME / INRETS Mairie de Paris Sallès et al. Description des variations des émissions dues au trafic au cours de la journée Le réseau routier Figure 3 : Méthodologie de calcul des émissions du trafic Les données relatives au réseau routier et au trafic linéique (i.e. non diffus) pour la région Ilede-France ont été fournies par la DREIF, sous la forme de 24 fichiers horaires décrivant une journée ouvrable «moyenne». Elles concernent brins caractérisés par les paramètres suivants : - Les descriptions géographiques (coordonnées, longueurs) de chacun des brins ; - Les typologies DREIF (21 types de voie selon les coefficients DAVIS de débit/vitesse) ; - Les trafics horaires, en nombre de véhicules par heure ; - Les vitesses moyennes des véhicules. Les données brutes de la DREIF ne sont pas dans un format de fichier directement reconnaissable par EMITRA (Aria Technologies); elles sont transformées en fichier trafic normalisé EMITRA par l intermédiaire du logiciel RTRAFI (Aria Technologies). Cette première étape de traitement permet, par ailleurs, de géoréférencer le réseau routier, de compléter les informations manquantes à l aide de valeurs par défaut, de déterminer le nombre de classes de véhicules du modèle et de regrouper les 21 typologies de voies en un nombre de voies pour lesquelles la composition du parc automobile est estimée. 6

5 Dans notre cas, compte tenu des informations disponibles, - une classe unique de véhicules est utilisée : tous les véhicules (aussi bien les véhicules particuliers que les poids lourds) roulent à la même vitesse, la vitesse moyenne du brin, - les 21 typologies de voies ont été regroupées en 3 classes principales (urbain, route, autoroute) en prenant en compte les coefficients, les correspondances utilisées, après avis de la DREIF, sont présentées dans le tableau 1 suivant : Numéro typologie DREIF Descriptif typologie DREIF (coef Davis) Classes principales 1 Voirie secondaire (0.40) urbain 2 Voirie secondaire (0.45) urbain 3 Voie de desserte grande couronne (0.50) urbain 4 Routes principales hors agglo (chaussées séparées) (0.55) route 5 Routes principales hors agglo (chaussée unique) (0.60) route 6 Voie Rapide Urbaine (0.90) route 7 Autoroute (0.70) autoroute 8 Non utilisé non utilisé 9 Reservé : Giratoire urbain 10 Reservé : Arcs Fictifs Connecteurs non utilisé 11 Voie Rapide Urbaine (0.80) autoroute 12 Grandes artères urbaines (0.55) route 13 Autoroute (0.88) autoroute 14 Périphérique (0.90) autoroute 15 Autoroute (0.92) autoroute 16 Voie Rapide Urbaine (0.60) urbain 17 Voie Rapide Urbaine (0.50) urbain 18 Arcs fictifs extérieurs à l'idf (0.00) urbain 19 Boulevards des Maréchaux (0.50) urbain 20 Voie de desserte Paris (0.40) urbain 21 Voie de desserte proche banlieue (0.40) urbain Tableau 1 : Classification des voies en fonction des conditions de circulation - en l absence d informations sur les pentes et compte-tenu de la topographie générale de l Ilede-France, des pentes nulles ont été insérées. Le schéma de la figure 4 présente le nombre de kilomètres parcourus en fonction du type de voie et de l heure de la journée. Il permet de : Constater que la pointe de trafic du soir est plus étalée que la pointe de trafic du matin, Constater que le nombre de kilomètres parcourus sur voies urbaines est sensiblement égal au nombre de kilomètres parcourus sur autoroute, Constater que le nombre de kilomètres parcourus sur route est inférieur au nombre de kilomètres parcourus sur voie urbaine ou sur autoroute. 7

6 6.0E E+06 autoroute route urbain Kilométrage parcouru : (jour moyen ouvrable) 4.0E E E E+06 Sur voie urbaine : millions de véh.km soit 36 % du kilométrage Sur route : millions de véh.km soit 28 % du kilométrage Sur autoroute : millions de véh.km soit 36 % du kilométrage 0.0E Temps (h) Le parc automobile Figure 4: Répartition du nombre de kilomètres parcourus en fonction du type de voie et de l heure de la journée (jour moyen ouvrable) Il s agit de définir la répartition des véhicules en circulation en termes de classes technologiques (ensemble de véhicules homogène au regard de leurs émissions, c est-à-dire soumis aux émissions limites réglementaires normalisées en vigueur à leur date de mise en circulation) et de kilométrage moyen annuel de chaque classe par type de voirie. On parle ainsi de parc automobile roulant. La liste des classes technologiques considérées est fournie en annexe 4. Depuis 1994, différents facteurs significatifs de réduction des émissions associées au trafic routier méritent d être soulignés : L introduction des pots catalytiques sur les véhicules neufs à essence s est généralisée pour respecter les normes européennes rendues obligatoires au 1 er janvier 1993 pour les véhicules particuliers, et au 1 er octobre 1994 pour les véhicules utilitaires légers (Euro I) ; En ce qui concerne les véhicules neufs diesel, les normes européennes de réduction d émissions, conduisant généralement à un pot catalytique d oxydation, sont applicables depuis le 1 er janvier 1997 pour les véhicules particuliers, et le 1 er octobre 1998 pour les véhicules utilitaires légers (Euro II) ; Pour les poids lourds neufs, une étape de réduction des émissions de monoxyde de carbone, d oxydes d azote et de particules est appliquée depuis le 1 er octobre Des réglementations plus sévères ont été adoptées (par exemple, pour les véhicules particuliers essence, la norme Euro II réduit les émissions de CO et de COV+NOx de 30% et 55% par rapport à la norme Euro I) ou sont prévues avec les étapes 2000 et 2005 ; Pour les deux roues motorisées, la mise en place de la réglementation antipollution ne démarre qu en

7 La répartition du kilométrage effectué par les véhicules en circulation a été définie à partir de la thèse de B. Bourdeau préparée à l INRETS [5], seul document national de «référence» sur cette question. Il s agit de données nationales hors deux roues. Ces données ne s appliquent donc pas directement à la région Ile-de-France et nécessitent des hypothèses complémentaires pour les deux roues motorisées. Elles ont été corrigées à partir des rapports et des statistiques suivants : 1. Le rapport «Composition du trafic routier dans Paris en 1998» fourni par la Mairie de Paris [6] stipule, entre autres, que : - La part des Poids Lourds est en moyenne de 4 à 5% en ville (3% PL, 1 à 2 % Bus), - La part des 2 roues est en moyenne de 8% en ville. 2. L article publié par Sallès et al. en 1996, «Mobile Source Emission Inventory Model Application to Paris Area» [7], a permis d introduire une modulation temporelle des Poids Lourds sur route (6 % en moyenne sur 24 heures) et autoroute (10 % en moyenne sur 24 heures). 3. Les statistiques nationales indiquent une répartition cyclomoteurs/motocycles à 70/30. La mise en place de la réglementation antipollution ne démarrant qu en 1999, le parc des deux roues n est constitué en 1998 que de véhicules Pré CEE. Ainsi, nous disposons de fichiers décrivant la composition du parc automobile par tranche horaire soit au total 24 fichiers parcs, et ce, pour chaque type de catégorie de voirie (urbaine, route, autoroute). Le tableau 2 suivant présente, pour chaque type de voirie, le profil moyen de décomposition en grandes catégories de véhicules qui a été retenu : Type de voie % VP % VUL % PL % 2Rm % Bus Urbain Route Autoroute Tableau 2 : Composition du parc par grande catégorie de circulation (estimation 1998) Le graphique présenté à la page suivante (figure 5) décrit la répartition journalière du parc roulant pour chaque grande typologie de voie. Il apparaît très clairement que le nombre de poids lourds et de véhicules utilitaires légers augmente fortement la nuit au détriment du nombre de véhicules particuliers (essence et diesel) pour n importe quelle typologie de voie. 9

8 Voies urbaines 100% 80% 60% 40% Deux-roues Poids Lourds VUL VP diesel VP essence 20% 0% Route 100% 80% 60% 40% Deux-roues Poids Lourds VUL VP diesel VP essence 20% 0% Autoroute 100% 80% 60% 40% Deux-roues Poids Lourds VUL VP diesel VP essence 20% 0% Figure 5: Répartition journalière du parc roulant pour chaque grande typologie de voie (1998). 10

9 En moyenne, les véhicules particuliers participent à 70 % environ du kilométrage total, les poids lourds et les véhicules utilitaires légers à 25 %, les 5% restants étant les deux roues (figure 6). Notons également que le kilométrage effectué par les véhicules particuliers diesel apparaît sensiblement équivalent à celui effectué par les véhicules particuliers essence pour l année 1998 en Ile-de-France. VUL 18% Poids Lourds 8% Deux-roues 4% VP essence 35% VP diesel 35% Figure 6: Répartition du kilométrage effectué pour chaque grande catégorie de véhicule (1998) Nous nous sommes également attachés à la répartition du kilométrage effectué par les véhicules en fonction de leur technologie (figure 7). Véhicules particuliers à essence Véhicules particuliers diesel Avant Véhicules utilitaires légers 10 Avant Poids lourds Avant Avant Figure 7: Répartition du kilométrage effectué par les grandes catégories de véhicule d après l année du modèle (1998). 11

10 On peut ainsi constater que plus de 50 % du kilométrage des VPE, des VUL et des PL serait effectué par des véhicules construits avant 1992, c est-à-dire non catalysés. La forte diésélisation du parc dans les années 90 explique que le kilométrage des VPD est en majeure partie effectué par des véhicules construits entre 1992 et 1996 c est-à-dire obéissant à la norme EURO I. L application plus tardive des limites d émissions pour les VUL explique que seulement 10 % du kilométrage des VUL en 1998 est effectué par des véhicules de norme EURO II, contre environ 20 % pour les VPE, VPD et PL Les facteurs d émission Les facteurs d émissions unitaires représentent l émission d un véhicule. Ils ont été calculés à partir de la méthodologie COPERT [8] qui repose sur une banque de données européenne réunissant les résultats de mesures réalisées sur cycles réels, segmentée en classes technologiques. Pour chaque classe technologique, elle propose des fonctions «consommation» et «émission de polluant» dépendant de la vitesse, de la pente, du cycle moteur et de la température. Pour construire le cadastre d émission d Airparif, nous avons utilisé la version COPERT III qui consiste en une mise à jour importante de la base de donnée COPERT II à partir des travaux du COST 319 et du projet européen MEET (methodologies for estimating air pollutant emissions from transport). 105 classes de véhicules sont prises en compte (cf. annexe 4) ; elles reflètent les différentes réglementations communautaires et les différentes avancées technologiques (jusqu à 2005). Les quantités de polluants émises varient fortement selon que le moteur a ou non atteint sa température de fonctionnement stable. Pour la plupart des polluants, la quantité de polluants émise pendant cette phase de mise en température (surémissions «à froid») est de plusieurs fois la quantité de polluants émis dans des conditions de température stable (émissions «à chaud»). Par ailleurs, les pertes par évaporation sont une source importante d émissions de composés organiques volatils (COV). En effet, les véhicules à essence perdent une part significative de leur carburant par évaporation, alors que les émissions dues à ce phénomène sont négligeables pour les véhicules diesel, le gazole possédant une température d ébullition plus élevée que l essence. Les pertes par évaporation dépendent essentiellement de la température et de la volatilité de l essence (RVP : Reid Vapor Pressure). On distingue trois causes d émissions de COV par évaporation en provenance des véhicules : les «diurnal losses» : pertes par évaporation durant le stationnement du véhicule dues aux variations de la température ambiante ; les «running losses» : pertes par évaporation pendant que le véhicule circule ; les «hot soaks» : pertes par évaporation se produisant immédiatement après l arrêt du moteur. Les facteurs d émission à chaud et les facteurs de surémissions à froid qui ont été pris en compte dans l étude sont conformes aux spécifications de la méthodologie COPERT [8]. Les schémas de l annexe 5 donnent la consommation de carburant et les émissions des polluants à chaud en fonction de la vitesse, pour quelques classes technologiques de voitures particulières, d utilitaires légers et de poids lourds. 12

11 2.2.4 Les caractéristiques du carburant Le parc automobile de l année 1998 est constitué de véhicules Pre-EuroIII, i.e. mis en service avant l année 2000 (cf. annexe 4). Ces véhicules sont alimentés par les carburants essence et diesel répondant à la norme Euro 96 dont les caractéristiques moyennes du marché sont présentées dans le tableau 3 ci-dessous : Essence Euro 96 Diesel Euro 96 Soufre (ppm) 165 Indice cétane 51 RVP (kpa) 68 (été), 81 (hiver) Densité à 15 C (kg/m3) 840 Aromatiques (vol, %) 39 T 95 ( C) 350 Benzène (vol, %) 2.1 HAP (%) 9 Oxygène (masse, %) 0.4 Soufre (ppm) 400 Oléfines (vol, %) 10 Aromatiques (%) 28 E100 (%) 52 E150 (%) 86 Plomb (g/l) Tableau 3 : Caractéristiques moyennes du marché des carburants «Euro 96» Les données météorologiques La température est un paramètre qui influence fortement les surémissions à froid et les évaporations. Par exemple, pour un véhicule particulier à essence obéissant à la norme Euro I et dont la cylindrée du moteur est comprise entre 1.4 L et 2.0 L, circulant à 30 km/h, le rapport de surémission à froid pour le CO est de à 20 C, à 10 C, 8.39 à 0 C, 5.53 à 10 C, 2.85 à 20 C et 1 à 30 C. Autre exemple, les évaporations à l arrêt moteur chaud, en hiver de ce véhicule valent 0.07 g/arrêt à 10 C, 0.17 g/arrêt à 0 C et 0.43 g/arrêt à 10 C. Pour construire notre cadastre d émissions, nous avons donc utilisé les profils mensuels de température (cf. figure 8) T ( C) Janvier Février Mars Avril Mai Juin Juillet Août Septembre Octobre Novembre Décembre Moyenne heure Figure 8: Evolution de la température mensuelle moyenne en

12 2.2.6 Les hypothèses supplémentaires Le tableau 4 suivant présente les hypothèses supplémentaires que nous avons utilisées pour le calcul des émissions liées au trafic routier. Type Evaporations Fraction à froid 1 Vitesses Hypothèses Diurnal losses : véhicules répartis le long des tronçons urbains Running losses : flux calculé sur la base du nombre de véhicules circulant Hot Soaks : nombre d arrêts calculés à partir de la longueur moyenne de parcours fixée à 7 km (d après l Enquête Globale des Transports). 35 % sur les tronçons urbains et les routes, 0% sur les autoroutes Les vitesses inférieures à 10 km/h et supérieures à 130 km/h sont ramenées respectivement à 10 et 130 km/h. Tableau 4 : Hypothèses supplémentaires de calcul 1 Fraction à froid : pourcentage de véhicules circulant avec un moteur froid i.e. qui n ont pas atteint leur température de fonctionnement stable. 14