Pollution automobile: faisons le point!

Concernant l’écologie et l’automobile, on entend de plus en plus parler du CO2, responsable entre autre d’une certaine pollution atmosphérique, surtout dans nos grandes villes. Mais est-ce le seul méchant loup? nos belles voitures n’émettent-elles pas d’autres gaz nocifs pour nous et notre environnement? le CO2 est-il une façon indirecte de « faire payer les riches » avec leurs grosses cylindrées? Allé, c’est parti pour un petit cours sur la combustion d’une énergie fossile qui fera plaisir aux écolos et au gouvernement.

Les gaz d’échappement

On entend par gaz d’échappement les déchets gazeux devenus inutilisables qui sont générés par un processus de combustion. ils contiennent des produits non toxiques tels que la vapeur d’eau, le dioxyde de carbone et l’azote, mais aussi des substances toxiques pour l’homme et/ou polluantes pour l’environnement, à savoir le monoxyde de carbone (CO), les hydrocarbures (HC, ce qui n’est pas brûlé) et l’oxyde d’azote (NOx).

Le CO2, c’est quoi? pourquoi est-il le vilain petit canard?

Le dioxyde de carbone est l’un des premiers gaz (avec la vapeur d’eau) à avoir été décrit comme étant une substance distincte de l’air. Au XVIIe siècle, le chimiste et médecin flamand Jean-Baptiste Van Helmont observa qu’en brûlant du charbon de bois en vase clos, la masse des cendres résultantes est inférieure à celle du charbon. Son interprétation était que la masse manquante s’était transmutée en une substance invisible qu’il nomme « gas » ou spiritus sylvestre (« esprit sauvage »).

C’est dans les année 1970 que Joseph Black, un physicien et chimiste écossais, a identifié pour la première fois le dioxyde de carbone. A température ambiante (20-25 degrés), le dioxyde de carbone est un gaz sans couleur ni odeur, qui est faiblement acide et inflammable. La formule moléculaire du dioxyde de carbone est CO2.

Il est obtenu de la combustion de ressources énergétiques fossiles (charbon, gaz naturel, pétrole), de ressources énergétiques renouvelables (biomasse) ou de dérivés de ces ressources.

Cette combustion est une réaction libérant de l’énergie et faisant intervenir:
– un réducteur: le combustible (charbon, fioul, gaz, biomasse…).
– un oxydant aussi appelé comburant: généralement l’oxygène contenu dans l’air (l’air est un mélange d’azote N2 pour 78%, d’O2 pour 21 % et d’autres espèces – moins de 1 % notamment du CO2).

C’est donc pour cela que notre moteur à « explosion » fabrique/rejette du CO2.

Maintenant, côté santé, sachez que ce dioxyde de carbone (CO2) est essentiel pour la respiration dans le corps humain. La respiration est un procédé par lequel l’oxygène est transporté dans les tissu du corps humain qui rejette alors le dioxyde de carbone. Il est un gardien du pH du sang, qui est essentiel à notre survie. Bien entendu, à haute concentration, il devient alors nocif. Les dangers sanitaires du dioxyde de carbone sont: asphyxie, gelure et problème rénaux.

D’un point de vue environnemental, pour les océans, cela devient plus compliqué (mode TontonGreg sauveur de la planète enclenché) car l’absorption du CO2 par les océans est considérée comme un processus bénéfique, qui réduit sa concentration dans l’atmosphère et atténue son impact sur les températures globales. Ce gaz réagit avec l’eau de mer et se transforme en acide carbonique (H2CO3), qui est graduellement neutralisé par les coquillages fossiles carbonés au fond de l’océan. Cependant, comme pour l’être humain, trop de CO2 tue l’océan: si l’apport de dioxyde de carbone est trop massif et trop rapide, les océans peuvent s’appauvrir en ions carbonate, nécessaires à la production des récifs et des coquilles par les coraux, mollusques et différents types de plancton. En exemples: les barrières de corail se fragilisent et nos mollusques se retrouvent avec des coques plus fines et poreuses.

Et le NOx dans tout ça?

Le gouvernement et l’Europe nous ont bien formaté avec leurs histoires de voitures sales et leurs rejets de CO2. Mais qu’en est-il du NOx, cette fine particule qui est responsable des nuages de pollution au-dessus de nos villes?

Les oxydes d’azote (NOx) sont en fait les oxydes gazeux de l’azote (N). Ils sont désignés NOx car il y a plusieurs combinaisons possibles avec un nombre variable d’atomes : N2O, NO, N2O3, NO2, etc… Lorsqu’ils sont mélangés à l’eau (même sous forme de brouillard), des acides se forment pouvant irriter les muqueuses et entraîner partiellement des lésions pulmonaires. Unique exception : le protoxyde d’azote également connu sous le nom de gaz hilarant (N2O). Il s’agit d’ailleurs d’un gaz à effet de serre qui attaque la couche d’ozone protectrice dans l’atmosphère supérieure.

Alors, d’où vient-il? comment est-il « fabriqué »? Les températures de combustion atteintes dans un moteur à combustion interne (de l’ordre de 2500 K) entraînent la formation d’oxyde nitrique NO, qui va subir ensuite une oxydation en NO2,  lente, et va se poursuivre durant l’échappement. La situation d’équilibre entre ces deux constituants se trouve à des pourcentages de NO2 très faibles dans les NOx pour les moteurs essence et atteignant jusqu’à 0,3 pour les diesels. La vitesse de formation des NO augmente de manière exponentielle avec la température de combustion, c’est donc le facteur prépondérant qui régit les émissions du moteur. Vient en deuxième ordre la richesse, les émissions sont maximales pour une richesse de 0,9 à 0,95: au delà il n’y a plus assez d’O2 disponible et en deçà la température de combustion diminue.

Notez aussi que ce NOx ne provient pas seulement de nos voitures mais de tout système à combustion, comme les chaudières équipant nos maisons ou tout simplement les éruptions volcaniques.

Est-il nocif seulement pour l’homme? non, ce gaz est aussi responsable de l’effet de serre. Pour en savoir un peu plus sur son effet sur l’environnement, cet article est plutôt bien écrit.

Essence ou diesel?

Quel est donc le mauvais élève entre ce doux nectar inflammable et son cousin le diesel, préféré des français?

Pour le CO2, le calcul est simple: pour un litre de carburant « brûlé », il en ressort 2.3kg pour l’essence et 2.6kg pour le diesel. Quant au NOx, si on se fie aux normes en vigueur (Euro V), le diesel, au kilomètre, est 3 fois plus polluant qu’un moteur essence et émet 4 fois plus de particules (PM10) par kilomètre parcouru.

Pour synthétiser:
– un moteur diesel et un moteur essence ne polluent pas de la même façon.
– les polluants rejetés ne sont pas de même nature ni de même quantité.
– un moteur diesel rejette en moyenne 20 % d’hydrocarbures imbrûlés (irritants et cancérigènes) en moins qu’un moteur essence.
– un moteur diesel rejette en moyenne 20 % de gaz carbonique (CO2) en moins qu’un moteur essence (dû à sa faible consommation de carburant au km).
– un moteur diesel rejette d’avantage d’oxydes d’azote (NOx) qu’un moteur essence.
– un moteur diesel rejette d’avantage de particules de carbone qu’un moteur essence.

En résumé, un bloc diesel pollue plus en NOx et en PM10 qu’un essence mais moins en CO2. D’autant plus que le parc automobile s’est « dieselisé » comme nulle part ailleurs dans le monde passant de 14,2% de voitures particulières diesel en 1990 à 58 % en 2011.

Plus d’information sur cette page.

La petite anecdote: dans les camps nazis, à partir de 1941, les allemands utilisaient les gaz d’échappement de leurs camions diesel afin d’intoxiquer leurs victimes au monoxyde de carbone.

Notez quand-même que ces informations sont valables pour les VL et non les poids lourds, qui représentent presque 5 % du kilométrage parcouru en Île-de-France mais 27 % des émissions d’oxydes d’azote des transports routiers.

Vous l’avez donc compris, les diesels sont vraiment à montrer du doigt. Par contre, aujourd’hui, les constructeurs automobiles regorgent d’ingéniosité pour les faire moins polluer, la tendance commence à s’équilibrer.

Alors, essence ou diesel? la réponse est simple: cela dépend de vos déplacements. S’ils sont courts et ponctuels, optez pour un essence, son entretien sera d’ailleurs moins onéreux, un diesel, c’est fait pour rouler!

Comment réduit-on ces gaz?

Quelques éléments permettant de réduire les émissions d’oxyde d’azote, directement à la source:
– réduction de l’avance à l’allumage ou à l’injection et des rapports volumétriques permettant d’avoir une réduction des températures maximales dans la chambre de combustion.
– réglages en mélange très pauvre pour les moteurs essence atteignant une richesse de 0,3 à 0,4 ce qui se situe en basse émissions de NOx.
– refroidissement de l’air de suralimentation qui agit également sur toutes les valeurs de températures atteintes au cours du cycle.
– injection de gaz d’échappement à l’admission (EGR) par un circuit dérivé piloté par le boîtier de contrôle moteur. C’est la solution la plus répandue depuis des années, elle permet de ralentir la combustion par injection d’un gaz contenant peu d’oxygène en remplaçant l’air, ce qui fait chuter les températures.
– le filtre à particules (FAP) en diesel: ce système n’amène pas directement une réduction des NOx mais il faut savoir que les stratégies EGR amènent toujours une augmentation des émissions de particules (le manque d’O2 empêche la post-oxydation des suies) et il est difficile de trouver un compromis entre ces deux contraintes. L’installation du FAP autorise des taux d’EGR importants et permet d’atteindre les objectifs de réductions de NOx en sachant que les particules émises seront captées ce qui élargit le compromis sur les réglages.

En résumé, le but est clairement de réduire la température de combustion dans les chambres du moteur mais d’un autre côté, on augmente la consommation de carburant.

On peut aussi les réduire en post-traitement:

– par catalyse: oxydation des HC et CO, et réduction du NO (5 réactions au total, seulement applicable au moteurs essence). Ces réactions chimiques se produisent dès que la température du pain catalytique dépasse les 250°C (il doit monter vite en température afin d’être « utile »). Les oxydations se produisent pour une richesse inférieure à 1 et les réductions pour une richesse supérieure à 1. Pour que ces 5 réactions soient quantitativement significatives, il faut que la richesse soit parfaitement ajustée à 1 grâce au bouclage réalisé à partir de l’information de la sonde « lambda » implantée dans l’échappement. La fenêtre de réglage est donc étroite. Une raison supplémentaire de viser une richesse de 1 est aussi d’agir sur une réaction qui produit de l’oxyde nitreux (N2O) lors de la catalyse, qui est minimale exactement à richesse 1. Si les quantités de N2O émises restent faibles, sachez que ce produit est lui-même un puissant gaz à effet de serre (300 fois plus élevé que le CO2 et les autres types de NOx).

– avec un additif: injecter de l’ammoniac ou de l’urée à l’échappement. Le rapport ammoniac/oxyde nitrique doit être de l’ordre de 0,7 à 1 afin d’éliminer 70 à 80% du NO des gaz d’échappement avec une température de réaction adaptée au diesel (280 à 400 °C). Cette technologie appelée SCR est rarement appliquée sur nos voitures mais on en entend de plus en plus parler (exemple: système Denoxtronic de Bosch, technologie AdBlue).

– par la méthode de stockage par piège à NOx: pain catalytique particulier contenant du Rhodium. Le principe est assez simple mais soulève trop de contraintes: fenêtre de température plus étroite qu’un catalyseur traditionnel (280 à 450°C), création de souffre (surtout pour le diesel), vieillissement thermique plus rapide que les systèmes traditionnels.

– par traitement des NOx par plasma froid: la technologie est très difficile à maîtriser mais est prometteuse avec une efficacité globale supérieure à 70% (insensibilité à l’empoisonnement par le souffre et processus efficace à  moins de 100°C).

Nos ingénieurs regorgent donc d’ingéniosité pour dépolluer les gaz d’échappement, en ajoutant toujours de nouveaux systèmes plus performants. Le revers de la médaille: on aura de plus en plus d’organes prêts à tomber en panne 🙁

Petit ou gros moteur?

Là, j’aime la remarque de Caradisiac:

Les Lamborghini Murcielago LP640 (500g/km de CO2) font en moyenne 3000km par an, ce qui nous fait donc la bagatelle de… 1,5 tonne de CO2 rejetée annuellement. Faisons maintenant le même test avec la Smart ForTwo CDI et ses 88g/km de CO2. Là, la moyenne des kilométrages tourne plutôt autour des 17 000km par an, ce qui nous fait… 1,5 tonne de CO2, soit un score identique à celui de la Lamborghini.

Du haut de ses 45ch, la petite citadine émet 0,208g de NOx par kilomètre, tandis que la Lamborghini, avec ses 640 pur-sangs, n’en libère que 0,050. En poussant le vice jusqu’à multiplier par les moyennes kilométriques annuelles, on aboutit à 3,5 tonnes de NOx émises par an pour la ForTwo contre 150kg pour la Murcielago. De là à qualifier l’italienne de meilleure voiture urbaine que la Smart, il n’y a qu’un pas qu’il est tentant de franchir.

Amusant calcul, n’est-ce pas? 🙂

La norme Européenne

La première norme Européenne d’émission, Euro 1,  a été mise en service en 1993. Elle ne prenait d’ailleurs pas en compte les NOx, cela a été corrigé avec Euro 3 en 2000.

Et pour contrôler votre véhicule en temps réel, le système eODB (European On Board Diagnostics, depuis 2000) a été mis en place. Calculateur, il repère les ratés de combustion et permet de contrôler la gestion moteur.

Récapitulatif des normes:

Évaluation des émissions annuelles:

Et si on prenait en compte la pollution dès la fabrication?

Vous en avez surement déjà entendu parlé: en 2007, un cabinet américain a lancé une étude démontrant qu’un Humer est plus écolo qu’un Prius, quand on prend en compte toute la durée de vie du véhicule. En fait, ce Humer H3 est fabriqué avec des matériaux simples et plus résistants alors que la Prius est complexe à produire.

La voiture électrique est-elle la solution idéale?

Pour le moment, personne ne peut se prononcer sur le sujet. Certes, cette technologie existe maintenant depuis plusieurs années mais elle est encore jeune car pas encore assez exploitée (notamment pour l’autonomie de la batterie) et son prix reste assez élevé.

Si vous voulez en savoir plus sur les voitures électriques, jettez un oeil à http://www.voiture-electrique-populaire.fr , ils parlent même des BMW i3 et i8 🙂

Chez BMW, où en est-on?

Comme tous les constructeurs automobile, BMW travaille dur pour faire des voitures moins polluantes et par là, qui consomment moins de carburant. D’un côté, ils n’ont pas trop le choix s’ils veulent « rester dans les normes Euro »…alors, envie de sauver la planète ou simple business/marketing?

Ci-dessous quelques graphiques montrant les évolutions du groupe BMW en matière de pollution automobile.

– développement des émissions de CO2 pour les voitures du groupe BMW, sur une base 100.

– émissions de CO2 par véhicule et par année:

– énergie consommée par véhicule produit:

– émission de CO2 par véhicule produit (nette amélioration en 2011):

Comme on peut le voir, le groupe BMW ne fait pas que des efforts pour améliorer ses voitures mais aussi ses chaines de fabrication.

Lire le document officiel de BMW.

BONUS: les quotas d’émission de gaz à effet de serre.

Il y a quelques années, je travaillais pour le service informatique d’une très grand banque française, notamment pour leurs salles de marchés. Je côtoyais donc la vie quotidienne des traders brassant des millions d’euros devant mes yeux. Un demi étage de la tour était consacré aux « commodities » (échange de métal, pétrole, gaz, agriculture…). Je commence à discuter avec de nouveaux arrivants, leur demandant sur quoi ils travaillent. Là, je commence à halluciner: ils achètent et vendent des « quotas d’émission » de gaz à effet de serre!

En effet, l’Union Européenne a mit en place un système d’échange de quotas d’émission de gaz à effet de serre en vue de les réduire de façon économiquement efficace. À l’aide de ce système, l’UE et les États membres cherchent à respecter les engagements de réduction des émissions de gaz à effet de serre prises dans le cadre du protocole de Kyoto. Les installations réalisant des activités dans les secteurs de l’énergie, la production et transformation des métaux ferreux, l’industrie minérale et la fabrication de papier et de carton sont obligatoirement soumises à ce système d’échange de quotas.

En gros, grâce à ce système d’échange de quotas, si une entreprise « pollue moins » que prévu, elle peut revendre ses « crédit d’émission » à une autre. D’un côté, l’une renfloue ses caisses et de l’autre, elle peut tranquillement polluer plus grâce à son argent.

Du côté éthique, on voit que l’argent reste le maître du monde. Mais dans un autre sens, en pensant « global », les émissions restent au même niveau, ce qu’une entreprise n’émet pas, c’est une autre qui le fait…

En résumé

Polluer, on le fait depuis que l’homme respire et encore plus depuis qu’il a découvert le feu. Aujourd’hui, l’industrie a énormément accéléré les émissions de gaz, on cherche à les diminuer, faisons-nous les bons choix? non, pas forcément, on l’a d’ailleurs vu ces dernières années avec les attributions de Bonus/Malus écologiques sur les émissions de CO2 qui ont fait exploser les ventes de véhicules diesel alors que ces derniers émettent trop de NOx. Mais comme je l’ai dit plus haut, les moteurs deviennent de plus en plus « vert », ne perdons pas espoir!

Quoiqu’il en soit, je garde mon 3.0l 6 cylindres essence et je continuerai à le faire grimper à 7000tr/min, pour mon plaisir et aussi celui des fans de mécanique m’entourant.

Et n’hésitez pas à partager ci-dessous votre opinion, vos idées ou vos rêves d’enfants…

Sources:
lenntech.fr
connaissancedesenergies.org
lambdasonde.de/fr
notre-planete.info
educauto.org
wikipedia.org

Intéressant à lire:
paperblog.fr/4605911/la-bulle-du-co2-se-degonfle
paperblog.fr/2262568/comment-calculer-le-co2-degage-par-un-vehicule