Les technologies des véhicules lourds et les émissions de gaz à effet de serre associées

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1 Les technologies des véhicules lourds et les émissions de gaz à effet de serre associées Gabriel PLASSAT DONNEES ET REFERENCES Juin 05 Après qu'une grande diversité de carburants ait été utilisée au commencement du développement des transports (huile, pulvérisation de charbon, électricité, gaz...), le pétrole s'est rapidement imposé comme l'unique source d'énergie, et cela depuis plus d'un siècle. 45 L'essor des transports et de Energie volumique (MJ/litre) 40 notre économie sont ainsi 35 directement liés à cette ressource fossile. La formidable densité énergétique (voir ci 15 contre), la disponibilité 10 géographique et le faible coût 5 0 de fabrication des carburants issus du pétrole expliquent en partie ce choix. Confrontés en premier lieu à des problèmes de pollution locale, les industries pétrolières et les constructeurs, guidés par des normes internationales, procèdent depuis les années 1970, à des modifications permanentes de leurs produits (véhicules et carburants), grâce notamment aux progrès de l'électronique, de la catalyse et des moyens de production en grande série, pour réduire leurs émissions de polluants, tout en maîtrisant les consommations de carburants et les coûts. gazole EMHV Mais cette dépendance complète et singulière des transports à l'or noir se noue, depuis peu (malgré une connaissance très antérieure de ces sujets), à deux autres défis majeurs : l'augmentation conjointe des émissions de gaz à effet de serre (GES) et des températures, et le maintien de la disponibilité d'une énergie dont les réserves sont épuisables. Pour faire face à ces défis, il est nécessaire d'optimiser l'ensemble des technologies et des procédés de fabrication (véhicules et carburants), mais aussi de choisir les modes de transports les moins énergétivores et de réduire les flux par l'organisation des transports. Cette synthèse présente ce que l'on peut attendre des progrès technologiques dans le domaine des véhicules lourds. Il est ainsi détaillé les liens existants entre les émissions polluantes et l'efficacité énergétique, les résultats des évaluations de l'ademe sur les filières 1 énergétiques actuelles et futures, et une proposition d'évolution des technologies à l'horizon. essence propane GNL (-270 C) éthanol méthanol LH2 GNV (250bar) H2 (250bar) batterie DEPARTEMENT TECHNOLOGIES DES TRANSPORTS 1 Une filière peut se définir par un couple moteur / carburant.

2 Le compromis émissions polluantes / efficacité énergétique Le fonctionnement du moteur Diesel se caractérise par une combustion hétérogène en mélange pauvre, conduisant à des émissions de polluants, principalement des oxydes d'azote (NO x ), des particules et, dans une moindre mesure, du monoxyde de carbone (CO) et des hydrocarbures imbrûlés (HC). Pour réduire ces polluants, plusieurs solutions sont utilisées 2 : Le filtre à particules (FAP) garantit une élimination des suies à plus de 90 %. Il existe des FAP à utiliser en retrofit 3 ou disponibles en 1 ère monte. Le FAP va conduire à une augmentation de consommation de l'ordre de 1 à 4% selon les technologies et les profils d'usage. Le catalyseur d'oxydation permet de réduire les émissions de polluants CO et HC. A la différence d'un catalyseur d'oxydo-réduction, dit à trois voies, utilisé sur un moteur à allumage commandé fonctionnant à richesse 1, les NO x ne peuvent pas être traitées. Plusieurs voies sont envisagées pour réduire les NO x utilisant des réducteurs (urée, hydrocarbures) ou une recirculation des gaz d'échappement. En parallèle, des progrès continus sont réalisés par les constructeurs pour les réduire et suivre les normes d'émissions : o Système d'injection haute pression et pilotage précis de(s) injection(s), o Augmentation de la pression de suralimentation, o Maîtrise de la température de combustion. Les normes Euro4 et les futures normes Euro5 et 6, nécessitent l'introduction de nouvelles technologies. Il faut également noter que les normes américaines US 07 et 10, et japonaises 03 et 05, pilotent de façon similaire les émissions de polluants, tout en maintenant certaines différences, notamment au niveau des températures d'échappement, lors des cycles d'homologation 4. Compte tenu de la mondialisation des marchés et des offres industrielles, une analyse internationale des normes et des technologies est nécessaire pour appréhender les différentes voies possibles. La plupart des voies technologiques envisagées nécessitent une réduction de la teneur en soufre des gazoles, et ceci sur tous les marchés, pour qu'une solution se généralise. PM : particules en g/kwh NOx : oxydes d'azote en g/kwh Jap : normes japonaises Eu : normes appliquées en Europe US : normes appliquées aux USA A court terme, deux voies majeures se dessinent pour réduire les NO x, sachant que les particules sont réduites en optimisant la combustion et les catalyseurs, et si besoin, par un 2 Voir "Les technologies des moteurs de véhicules lourds et leurs carburants, réf 5218", 3 Voir "Les particules de combustion automobile et leurs dispositifs d'élimination, réf 4783", 4 La température d'échappement conditionne fortement l'efficacité des catalyseurs, donc les émissions de polluants.

3 filtre à particules. Le graphique ci-dessous présente les normes européennes, américaines et japonaises et les voies technologiques pour les atteindre: Particules en g/kwh Euro 2 Euro 3 Euro 4 Euro 5 US 02 US 07/10 Jap 03 Jap 05 Normes & Voies Technologiques DIESEL EGR + FAP EGR + FAP EGR Sans EGR Optimisation consommation 0.04 Combustion standard 0.02 SCR (+FAP) SCR / NOx ads. + FAP SCR ou Combustion homogène NOx en g/kwh Source Renault Trucks / ADEME La voie SCR 5, privilégiée en Europe, permet de découpler optimisation de la combustion et réduction des NO x. En effet, une combustion optimisée (haut rendement et faible consommation) crée des NO x par des températures de combustion élevées. Mais ces polluants peuvent être traités de façon efficace par l'urée 6, qui se transforme à l'échappement en ammoniaque, réducteur de NO x. Cette voie permet donc de réduire fortement la consommation, mais nécessite un réseau de distribution d'urée en Europe et des stratégies de contrôle et de répression pour s'assurer d'une utilisation systématique d'urée. Par ailleurs, cette solution permet de positionner le compromis NO x /particules 7 vers de faibles émissions de particules, les émissions de NO x étant traitées par l'urée. Source Global Insight La voie EGR 8, prévue en Amérique du Nord utilise une recirculation de plus en plus importante de gaz d'échappement pour réduire les émissions de NO x. Cette solution 5 SCR : Réduction Catalytique Sélective des oxydes d azote. Assure aussi l oxydation des hydrocarbures imbrûlés et de 30 % environ des particules. 6 L'urée (NH 2 -CO-NH 2 ), obtenue à partir d'ammoniaque (NH 3 ), va se décomposer à l'échappement en NH 3 pour réduire les NO x 7 Il existe un lien entre émissions de NO x et de particules, toutes choses égales par ailleurs. Si on procède à une réduction des émissions de particules en modifiant l'avance à l'injection, les émissions de NO x augmentent et inversement. 8 EGR : Exhaust gas recirculation ou recirculation des gaz d'échappement.

4 présente l'avantage de ne pas nécessiter de fluide supplémentaire et de réseau de distribution associé, mais comporte des inconvénients en termes de surconsommation de carburant, de maintenance accrue des moteurs. Il faut noter cependant que certains constructeurs européens, MAN notamment, affichent une stratégie EGR pour Euro4. En complément, la solution de piège à NO x (NO x adsorber) est étudiée, essentiellement aux USA. Elle nécessite également la gestion des SO x qui empoisonnent le catalyseur. L'application de ces normes permet une réduction importante des polluants dans l'atmosphère. Ainsi, les émissions de NO x dans les pays de l'ocde vont suivre l'évolution cicontre dans les années à venir (source étude regroupant des constructeurs et des pétroliers mondiaux). Cette évolution relativement lente vient du taux de renouvellement de ce type de véhicule. source SES Cependant, il existe bien un lien fort entre émissions polluantes, NO x et particules, et consommation de carburant 9. Les normes futures, qui restent à définir, vont donc influencer directement les émissions de GES. Le choix d'une sévérisation de type US 10 ou la prise en compte d'un nouveau polluant, seront à mettre en relation avec les émissions de GES associées. 9 L'ordre de grandeur de l'impact de l'application des normes d'émissions sur les consommations est de l'ordre de 5%.

5 Les progrès continus sur l'efficacité énergétique Les constructeurs, depuis les années 1970, améliorent l'efficacité énergétique sur ce marché concurrentiel des véhicules industriels en développant et intégrant de nouvelles technologies : turbocompresseur, échangeur, 4 soupapes, injection de carburant haute pression et gestion électronique de l'injection. Ces évolutions progressives permettent de respecter les normes Euro, d'améliorer la consommation et de réduire le bruit. source Global Insight Les consommations américaines et européennes sont présentées ci-dessous. Le progrès, à puissance du véhicule constante, est en moyenne d'un pourcent par an. source Global Insight source Renault Trucks Cependant ces gains en consommation ne se retrouvent pas intégralement car les véhicules achetés sont de plus en plus puissants (malgré des limitations de vitesse constantes) ce qui engendre des surconsommations. Répartition des ventes par puissance Influence de la puissance sur la consommation 100% 80% 60% 40% % 0% > 450 ch 400 à 440 ch 350 à 390 ch < 350 ch consommation (l/100km) puissance (kw) source données issues du site

6 Les émissions de GES 10 et les différentes filières énergétiques Pour limiter le dérèglement climatique, il est demandé aux pays industrialisés une réduction d'un facteur 4 de leurs émissions de GES à l'horizon 50. Au niveau mondial, cette réduction devra être d'un facteur 2. Les projections proposées par le WBCSD présentent les résultats suivants : Emissions de GES du puits à la roue par mode Influence des technologies sur les émissions Les gains apportés par la "technologie" ne permettent qu'une stabilisation des émissions à l'horizon 50. Cette étude permet de montrer globalement ce que l'on peut attendre des progrès technologiques. Parmi les différentes filières présentées ci-dessous, certaines existent, d'autres sont en développement ou en recherche. L'ADEME suit l'évolution de ces filières qui présentent de grandes différences en terme d'efficacité énergétique du puits à la roue et de bilan économique. Source WBCSD 10 GES : gaz à effet de serre

7 Prix en % réf moteur essence Sur véhicule léger GES puits à la roue (g/km) Source WBCSD Ainsi pour connaître les applications les mieux adaptées, développer les marchés correspondants, promouvoir ces nouvelles filières, l'ademe a mis en œuvre un programme d'évaluation pour les véhicules lourds basé sur une méthodologie robuste et reproductible. Pour cela, des véhicules cibles ont été définis compte tenu de leurs profils d'usage, de leur contexte économique et des marchés. Le marché des véhicules lourds peut se présenter par 3 grands groupes : Véhicule spécifiquement urbain : autobus, benne à ordure et autres engins. Le contexte économique est peu concurrentiel, et l'image environnementale est importante. Ce type de véhicule est donc rapidement apparu comme un laboratoire de nouvelles technologies pour le véhicule lourd et même tous les véhicules. Véhicule mixte : autocar, poids lourd livraison marchandises en ville. Le contexte économique est concurrentiel, mais la pression environnementale commence à être importante ce qui oblige les transporteurs à tester quelques solutions. Véhicule grand routier : poids lourd routier. Le contexte est très concurrentiel et le coût des solutions proposées joue un rôle très important. Cette segmentation des véhicules conduit à des pénétrations différentes des technologies d'un point de vue temporel (d'abord sur les bus), et d'un point de vue quantitatif. Ceci s'appliquera sans doute également pour les technologies à venir (pile à combustible notamment). Part de marché en % BUS Routier PL TMV temps source ADEME

8 Pour les différents véhicules cibles, l'évaluation comporte un bilan énergétique et environnemental au départ, puis après une année avec un suivi des performances et des incidents durant cette année d'exploitation en usage réel. T Suivi sur 1 an : consommation moyenne, relevé des incidents T+12 mois Mesures sur cycle polluants consommation phase 1 Mesures sur cycle polluants consommation phase 2 Suivi de l évolution des performances source ADEME Les évaluations en cours et réalisées à l'ademe sont présentées dans le tableau ci-dessous. Il est également détaillé l'origine de la "non disponibilité" d'une solution. Par exemple, la solution GNV pour un tracteur grand routier pose actuellement des problèmes d'autonomie du véhicule. Tableau des disponibilités des technologies selon les applications Bus Car BOM PL urbain PL routier Testé Non dispo GNV Biogaz Autonomie À venir Pas d action Autonomie Renouvellement Retrofit GPL Electrique Hybride bimode Diesel Diesel FAP DeNOx FAP DeNOx Emulsion Diester Autonomie Intérêt? Pour A.P.U. Pas d action Pas d action Pas d action Pas d action Autonomie Autonomie Intérêt? Pour A.P.U. Pas d action source ADEME Pour les poids lourds, les résultats des évaluations de l'ademe peuvent être présentés de plusieurs façons : Les émissions de polluants réglementés et de gaz à effet de serre en gramme par kilomètre. Ceci permet de comparer les filières par critère. En rassemblant dans un tableau les différents paramètres utilisés lors d'une comparaison : émissions, diversification énergétique, coûts, image. En utilisant les coûts externes pour traduire les émissions en g/km en euros/km et comparer ainsi les filières avec un critère unique.

9 Les résultats des évaluations de l'ademe Les émissions de polluants réglementés (NO x et particules) et GES : Le graphique ci-dessous présente les émissions de NO x et particules pour les différentes filières obtenues par des mesures ou des estimations réalisées à partir de données obtenues sur d'autres véhicules. Par ailleurs, la surface du cercle est proportionnelle aux émissions de GES du puits à la roue (fabrication du carburant et émissions sur véhicule des gaz à effet de serre suivants CO 2 et CH 4 ). Il est également présenté des résultats obtenus avec des cycles de vitesse moyenne et 60. comparaison des filières PL 19T Mesures et Estimations(*) Particules (g/km) sans FAP Diester Emulsion Diesel GNV avec FAP avec FAP/DeNOx 60 EFFET de l'usage EFFET du FAP (*) 710(*) (*) NOx (g/km ) (*) Ces valeurs ont été estimées à partir de mesures réalisées sur d'autres véhicules source ADEME L'effet de l'usage (comparaison des cycles à et 60 ) est très important, à la fois sur les émissions polluantes (-50% sur les particules, - % sur les NO x ) et GES (-30%), pour le Diesel et pour le GNV. L'effet des technologies FAP et DeNO x (simulé, en cours d'évaluation sur bus 11 ) est conforme aux attentes de réduction de ces polluants (-90% pour les particules, - 50% pour les NO x ). La filière Diesel avec FAP 12 présente des émissions proches du GNV 13 au niveau des particules mais plus de 2 fois forte pour les NO x, mais des émissions de GES inférieures de 30%. La future filière Diesel avec FAP / DeNO x affiche des résultats d'émissions polluantes identiques au GNV en maintenant de faibles émissions de GES. L'utilisation du Diester devrait permettre, selon nos estimations, de réduire les émissions de GES de 22% en conservant les mêmes émissions de polluants (*) 11 Voir le site rubrique Transport / publications, la note de synthèse des premiers résultats d'un bus Euro5 avec système DeNOx par injection d'urée. 12 Il est rappelé que l'ademe propose une aide à l'équipement en FAP de 30% du coût du FAP, plafonnée à 3000 euros. 13 Pour le GNV, l'ademe propose, dans le cadre des sites pilotes GNV, une aide de 30% du surcoût du véhicule GNV par rapport au Diesel, voir le site

10 La comparaison multicritère : Les émissions ne sont pas toujours suffisantes pour comparer des filières et d'autres critères sont à considérer. Dans le tableau comparatif suivant, il est présenté, en référence à la filière Diesel euro3, un positionnement des filières sur différents critères : Impact sur la Santé GES Energie Coûts Perception CO HC NOx Part PNR G.E.S. Puits/roues Diversification Energie Invest Coût exploit Fiablilité Tenue Bruit Odeur Fumées Image GNV OUI Diesel FAP avec Diester NON OUI si Diester Emulsion NON Élec. OUI 60 km autonom Moins bien que Diesel Euro 3 Mieux que Diesel Perspectives d'évolution à court terme : Impact sur la Santé GES Energie Coûts Perception CO HC NOx Part PNR G.E.S. Puits/roues Diversification Energie Invest Coût exploit Fiablilité Tenue Bruit Odeur Fumées Image GNV OUI Diesel FAP DeNOx avec Diester NON OUI si Diester Emulsion NON Hybride Gain gazole et frein Élec. OUI 60 km autonom À confirmer EVOLUTIONS PREVUES à court terme Moins bien que Diesel Euro 3 Mieux que Diesel source ADEME Les progrès attendus sont les suivants : La filière GNV progressera au niveau des émissions de GES par des développements de moteur mieux adaptés au GNV. Les coûts d'investissement et d'exploitation seront réduits par des effets volumes à venir (effet des sites pilotes GNV). La filière Diesel sera complétée par un système DeNO x en 1 ère et 2 ème montes. La filière hybride pourra apparaître avec des motorisations Diesel ou allumage commandé avec des objectifs de réduction des consommations (de l'ordre de 10 à %) et coûts kilométriques.

11 Comparaison en utilisant les coûts externes : Les projets ExternE et Cleaner Drive 14 ont permis de déterminer pour une utilisation urbaine les coûts externes des polluants suivants : CO 3,5 Coûts des polluants en / tonne HC NM NOx Particules CO 2, CH En couplant ces données avec les émissions en gramme par kilomètre, il ressort des coûts kilométriques pour les différentes filières en distinguant les deux vitesses moyennes. Ces calculs permettent, à titre indicatif, de comparer les différentes filières plus que de déterminer des valeurs absolues Vitesse moyenne Coût externe en euro/km coût GES carburant coût GES véhicule coût Part. coût Nox coût HCNM coût CO 0.1 Vitesse moyenne Diesel Diester 30 émulsion FAP GNV Diesel Diester 30 émulsion FAP GNV source ADEME Nous retrouvons les conclusions présentées auparavant, avec trois notions complémentaires : Cette présentation permet d'identifier les progrès principaux à réaliser sur chaque filière. Pour le Diesel avec FAP, les coûts se répartissent également entre les NO x et les GES, alors que pour le GNV, la part des GES est prépondérante. La filière GNV apparaît comme étant plus performante que la filière Diesel avec FAP (la solution DeNO x n'a pas été estimée). L'augmentation de la vitesse moyenne de à 60 réduit les coûts externes de plus de 50%. La vitesse de 60 doit être proche de l'optimum, sachant que les émissions, donc les coûts associés, augmentent si la vitesse augmente après Conclusions sur les évaluations : Les filières étudiées présentent toutes des avantages et des inconvénients spécifiques. Concernant les émissions de GES : Le GNV ne permet pas de gain puisque les solutions actuelles présentent des surémissions et les solutions à venir seront proches du Diesel. Cependant, cette motorisation à allumage commandé peut également utiliser du biogaz ou de l'hythane (mélange H 2 /GNV) qui présentent des émissions de GES inférieures (voir chapitre perspectives). Le Diester permet, sans modification sur les moteurs, de réduire les émissions de GES de plus de %, son usage est donc à généraliser au maximum. 14

12 L'effet de la vitesse moyenne est important avec des réductions de l'ordre de 30% en passant de à 60. La mise en place de couloir réservé en milieu urbain est à généraliser. Concernant les émissions polluantes : Le GNV confirme son intérêt au niveau des émissions polluantes et de la diversification énergétique. Le Diesel progresse avec le FAP complété à court terme par la DeNO x qui pourront s'utiliser avec du Diester. Les programmes de R&D et les perspectives L'ADEME finance de nombreux projets dans le cadre du PREDIT - groupes 7 et 8. Dans ces projets, tous les paramètres influençant l'efficacité énergétique sont étudiés et des améliorations sont apportées. En cours : Poids lourd livraison silencieux Moteur GNV poids lourd Conduite économique assistée DENOx SCR + FAP Analyse de l usage des TMV Combustion homogène, soup. électrohydraulique Proposé : PL hybride Etude PL hybride V2U phase 2 Etude et réalisation Véhicule usage urbain Sur la base des évaluations et des programmes de recherche en cours, une évolution des technologies est proposée pour les véhicules lourds. Dans un contexte économique concurrentiel, ces évolutions technologiques devront toujours être "rentables" pour les clients. Ainsi un grand nombre de paramètres influence cette "roadmap" technologique : Le prix des énergies et leurs disponibilités (voir les documents du récent congrès Panorama de l'ifp 05, Dans la proposition présentée en page suivante, il est considéré qu'il n'y a pas de "rupture" majeure. Les politiques (nationales) européennes et aides associées visant à promouvoir les carburants dits alternatifs biocarburants, GNV, hydrogène La mise en œuvre de taxes kilométriques calculées selon la distance, la norme du moteur, la masse transportée, (existe déjà en Suisse / Allemagne) Les normes futures euro 6/7 (après 08) selon qu'elles tendent vers une sévérisation (type US 10), ou modération (en donnant priorité aux émissions de GES), ou l'intégration de nouveau polluant (formaldéhyde)? Ceci doit être complété par les valeurs futures de durabilité des émissions (OBD, OBM). La mise en œuvre de norme bruit sévérisée qui influence les cartographies moteur, donc les émissions et la consommation.

13 M icr os oft Cl ipart Ga lle ry Proposition d'évolution technologique à l'horizon -30 GMP 40% Diesel + FAP/SCR Combustion classique puis homogène 30% Hybrid o Diesel/GNV/essence 25% GNV 5% PAC 60% Diesel + FAP/SCR Combustion classique puis homogène % Hybrid o Diesel/GNV/essence % GNV PAC pour APU 90% Diesel + FAP/SCR Combustion classique puis homogène 10% Hybrid Diesel (stop/start) PAC pour APU Carburant Autres Gazole 10ppm, Diester maxi produc o, Bio F.T. capture CO 2 GNV, biogaz maxi produc o, hythane avec H2 renouvelable ou capture CO2 Laboratoire technologie Taxes km Grande diversité énergie Techno étudiée avec Norme bruit sévérisée organisation Site propre Norme bruit sévérisée Taxes km Bruit (carto spécifique) 60 T sur route dédiée? source ADEME Avec la segmentation proposée (urbain, mixte, routier), il apparaît des différences notables d'application des technologies liées aux usages très différents. Plus le véhicule est utilisé en milieu urbain : plus les filières sont nombreuses, notamment gazeuses (GNV, hythane, biogaz, H 2 ), moins le gazole est présent car l'autonomie n'est pas un critère majeur, plus les carburants de niche (biogaz, hythane, H 2 ) peuvent (et doivent) se développer, plus l'hybridation a un sens technique et économique. Les gains en terme d'émissions de GES à attendre sont de l'ordre de 40% 15 pour les véhicules urbains, 30% pour les véhicules mixtes. Plus le véhicule est considéré comme routier (distance parcourue importante, peu d'arrêt) : plus le carburant liquide s'impose par sa densité énergétique, donc l'autonomie du véhicule et le volume disponible sur le véhicule pour transporter la marchandise, moins l'hybridation présente de l'intérêt. Dans ce cas, les gains à attendre sont de l'ordre de 10 à %. Dans tous les cas, les carburants "renouvelables" (Diester, BTL pour moteur Diesel, éthanol 16, biogaz, H 2 issu du renouvelable pour moteur allumage commandé) seront à produire au maximum de leur potentiel. Les carburants de synthèse (GTL, autres) devront être associés à des systèmes de capture de CO Voir calcul effectué sur les bus p8, "Bus propres : quels carburants, quels moteurs : les évaluations de l'ademe", ref 5255, 16 L'éthanol peut être envisagé sur un moteur à allumage commandé à plus de 80%.