lundi 1 février 2021

Les principaux carburants pour moteurs thermiques

 

Les enjeux des biocarburants

Les enjeux des biocarburants sont multiples, les plus importants sont certainement de réduire les effets négatifs des hydrocarbures sur notre santé et celle de la planète. Les biocarburants permettent de limiter les gaz à effet de serre et de protéger la santé des citadins exposés aux rejets nocifs d’un nombre croissant de véhicules.

Le but est d’anticiper la fin des ressources pétrolières, mais également de réduire la dépendance énergétique des pays non producteurs.

Face à la prolifération des déchets et des sous-produits, les biocarburants peuvent contribuer à leur recyclage en les valorisant. En évitant de détourner les produits agricoles de leur principale destination alimentaire, ils peuvent constituer, pour les agriculteurs, un complément de production.

Le principe repose sur le fait que le CO2 (dioxyde de carbone) émis lors de la combustion soit compensé par celui qui a été absorbé durant la croissance des plantes utilisées.

Les composants d’un carburant biodiesel

L’EMAG (éthers méthyliques d’acides gras)

Les EMAG peuvent être issus de différentes provenances de corps gras comme les déchets graisseux industriels. L’appellation diffère suivant l’origine des graisses et permet d’identifier la matière première utilisée.

Il peut s’agir d’éthers méthyliques d’huile animale (EMHA), d’éthers méthyliques d’huile végétale (EMHV), d’éthers méthyliques d’huiles végétales alimentaires usagées (EMHU).

Les composants d’un carburant bio-essence

L’éthanol

En France, l’éthanol est essentiellement fabriqué à partir de betterave sucrière, de canne à sucre, de pommes de terre et de céréales comme le blé ou le maïs. Le marc de raisin, la lie de vin sont des sous-produits également utilisés. Le sucre est transformé en alcool par fermentation, il est ensuite distillé.

Les restes constitués de pulpes et de drêches peuvent être récupérés pour l’alimentation des animaux. En France, le bioéthanol est fabriqué à partir de 83% de matières premières produites sur le territoire. Environ 8% d’énergie renouvelable est actuellement incorporée dans l’essence. Environ 3% de la surface agricole française est dédiée à la production d’éthanol. Le bioéthanol est d’origine 100% renouvelable.

L’ETBE (éthyl tertio butyl éther)

C’est un composé issu d’éthanol d’origine agricole et d’isobutène d’origine chimique. L’inconvénient de l’ETBE est qu’il n’est que partiellement d’origine renouvelable.


© matériel agricole

Il serait dommageable que les constructeurs cessent leurs efforts de recherche. Il ne faudrait pas interdire l’usage des moteurs thermiques alors que les solutions alternatives proposées n’en sont qu’au stade de prototype.


Les noms des différents types d’énergie assurant la mobilité

Carburants pour moteur Diesel (du nom de son inventeur). C’est un moteur à allumage par compression :

Le gazole est un fioul léger issu du raffinage du pétrole. C’est un hydrocarbure fossile. Il faut éviter de nommer ce carburant « le diesel » car c’est une antonomase.

© DR

Peut-être visionnaire, Rodolphe Diesel avait conçu son moteur pour fonctionner avec de l’huile végétale.

Le gazole B7

Le gazole B7 est le carburant pour moteur Diesel le plus utilisé. Il possède 7% de biocarburant : EMAG (éther méthylique d’acide gras).

Le gazole B10

Le gazole B10 possède 10% de biocarburant : EMAG (éther méthylique d’acide gras). Ce carburant est pour l’instant réservé aux moteurs Diesel récents. Il n’est disponible que dans peu de stations.

Le gazole B30 et B100

Il possède 30 ou 100% d’EMAG (éther méthylique d’acide gras). Ce carburant est destiné à des flottes captives utilisant des moteurs adaptés. L’approvisionnement est dédié, on ne trouve pas ces produits dans les stations-service.

Le gazole XTL (GTL gaz to liquid)

C’est la désignation d’un gazole synthétique développé par la société des pétroles Shell. Il n’est pas dérivé du pétrole brut.

Il s’agit d’un carburant pour moteur Diesel. Ce carburant paraffinique est fabriqué à partir de matières renouvelables comme les huiles végétales ou bien fossiles comme le gaz naturel. La fabrication s’effectue par synthèse ou hydrotraitement.

Ce carburant n’exige aucune modification du moteur. Il est dépourvu de soufre, d’aromatiques et de métaux. L’indice de cétane, plus élevé que celui du gazole améliore le démarrage à froid.

Pour les véhicules lourds routiers soumis à la norme Euro, le gazole XTL permet de réduire de 10 à 35% les émissions de particules fines et de 5 à 30% les émissions de NOx (monoxyde d’azote NO + dioxyde d’azote NO2). Il limite également les émissions de monoxyde de carbone CO et d’hydrocarbures imbrûlés HC.

L’ED95

Sous l’appellation de ED95 l’éthanol est incorporé dans le carburant à hauteur de 95%. L’ED95 est destiné à des moteurs spéciaux de type Diesel à allumage par compression.

C’est un carburant non pétrolier élaboré à partir de résidus viniques, maïs, blé, betterave… il est constitué de 95% de bioéthanol (alcool de fermentation) et de 5% d’additifs non pétroliers. Ce carburant nécessite un moteur Diesel adapté. Il ne peut pas être mélangé à d’autres types de carburant, des cuves de stockage dédiées sont nécessaires, ce qui limite l’utilisation de ce carburant aux flottes professionnelles. Ce carburant n’est pas disponible en stations-service. Il possède un faible pouvoir calorifique, ce qui impacte fortement le rendement kilométrique.

Le principal avantage du carburant ED95 est de réduire de 50% les gaz à effet de serre et de 70% les émissions de particules fines.

Il pourrait constituer une alternative à la circulation des bus et des camions de livraison dans les agglomérations.

Le HVO (huile végétale hydrotraitée)

C’est un carburant qui peut être produit à partir d’huile de vidange recyclée, de graisse animale, d’huile de colza ou de palme. Il peut être utilisé pur mais en général 50% de HVO est mélangé à du gazole B7. Il permet de réduire les émissions de NOx (monoxyde d’azote NO + dioxyde d’azote NO2), et celles de CO2 (dioxyde de carbone) d’environ 50%. Les particules fines seraient réduites de 30%. Son pouvoir calorifique étant moindre, il augmente la consommation d’environ 6%. Les motorisations Euro VI des autobus et des poids lourds sont compatibles avec ce type de carburant.

Le HVO est pour l’instant réservé à des flottes professionnelles. Il peut être stocké dans les mêmes cuves que celles utilisées pour le gazole B7.

Le HVP (huile végétale pure)

Ce carburant est autorisé pour le matériel agricole et pour les bateaux de pêche. Il peut être utilisé par des collectivités, avec autorisation, mais pas pour le transport de passagers.

Pollution du moteur Diesel à allumage par compression :

Pour les véhicules légers, automobiles particulières et véhicules utilitaires légers :

La norme Euro 6d-TEMP est entrée en vigueur le 1er septembre 2019.

La norme Euro 6d est entrée en vigueur le 1er janvier 2021.

Limites :

NOx (monoxyde d’azote NO + dioxyde d’azote NO2) 80 mg/km

CO (monoxyde de carbone) 500 mg/km

HC (hydrocarbures imbrûlés) + NOx (monoxyde d’azote NO + dioxyde d’azote NO2)            170 mg/km

Particules PM (en masse) 4,5mg/km

Particules PN (en nombre) 6.1011 /km

Carburants pour moteur Otto (du nom de son inventeur). C’est un moteur à allumage commandé :

L’essence est issue de la distillation du pétrole, c’est un mélange d’hydrocarbures. Un hydrocarbure est uniquement constitué de carbone C et d’hydrogène H.


© DR

Le premier moteur à allumage commandé a été réalisé par Nicolaus August Otto.


L’essence sans plomb E5

L’essence (d’ailleurs, contrairement au « Diesel » on ne dit pas de « l’Otto ») est un des carburants disponibles pour les moteur à allumage commandé.

E5 est le nouveau nom de l’essence sans plomb SP95. 5% de bioéthanol est incorporé dans l’essence E5. Il est également possible d’incorporer un dérivé de l’éthanol l’ETBE (éthyl tertio butyl éther) à raison de 15%.

© andré abadia

Les moteurs à allumage commandé, quelle que soit leur cylindrée, utilisent majoritairement de l’essence sans plomb E5.

L’essence sans plomb E10

Dans le carburant E10, 10% de bioéthanol est incorporé dans l’essence. Il est également possible d’incorporer le dérivé de l’éthanol l’ETBE (éthyl tertio butyl éther) à raison de 22%.

Les anciens moteurs à allumage commandé mis en circulation avant les années 2000 ne sont pas compatibles avec ce mélange de carburants. Actuellement 90% des véhicules en circulation sont adaptés au carburant E10.

L’éthanol E85

C’est la dénomination du super éthanol. Entre 65 et 85% d’éthanol est incorporé à l’essence.

Si le moteur n’a pas été conçu à l’origine pour fonctionner avec de fortes proportions d’éthanol, il doit être adapté au moyen d’un boitier spécial homologué.

Ces véhicules à carburant modulable (VCM) sont souvent commercialisés sous l’appellation  « FlexFuel ».

Actuellement, de nombreux constructeurs proposent des véhicules dont le moteur a été conçu pour fonctionner au super éthanol E85.

Le gaz de pétole liquéfié LPG

Le gaz de pétole liquéfié est essentiellement constitué de butane et de propane associés dans des proportions variables. Le mélange utilisé pour les carburants contient au moins 50% de propane. Le butane est à l’état liquide à partir d’une pression de 1,7 bars, le propane à partir de 7 bars. À pression et température ambiante ils sont à l’état gazeux. Le LPG (gaz de pétole liquéfié) est stocké sous forme liquide à l’intérieur d’un réservoir supplémentaire pressurisé. Un chariot élévateur peut fonctionner avec des bouteilles interchangeables semblables à celles que l’on utilise dans une habitation. Les véhicules particuliers possèdent souvent une bicarburation, les réservoirs sont fixes, ils peuvent indifféremment fonctionner au LPG (gaz de pétole liquéfié) ou à l’essence sans plomb E5.

Le passage de l’état liquide à l’état gazeux (pour faire fonctionner un moteur ou bien un appareil de chauffage) absorbe de la chaleur. Les calories nécessaires à la vaporisation sont prélevées dans l’air ambiant ou bien apportées par un dispositif de réchauffage.

Le principal avantage du gaz de pétole liquéfié est de ne pas émettre de particules fines et très peu de NOx (monoxyde d’azote NO + dioxyde d’azote NO2). Les émissions de CO2 (dioxyde de carbone) du réservoir à la roue sont identiques à celles d’un moteur alimenté au gazole ou à l’essence. Cependant, son élaboration à partir du raffinage de pétrole brut libère moins de gaz à effet de serre. 

© matériel agricole


Technologiquement, quel que soit le type de carburant, il est aisé d’en augmenter la quantité injectée. Il faut cependant grâce au turbocompresseur admettre suffisamment d’oxygène pour le brûler. 

Le gaz naturel comprimé CNG

Il s’agit de méthane, ce gaz, extrait du sous-sol est une énergie primaire fossile. Ce gaz naturel, une fois comprimé, peut être utilisé pour faire fonctionner les moteurs à allumage commandé. Le gaz est dans ce cas stocké dans des réservoirs sous une pression de 200 bars. Le secteur de la mobilité utilise depuis de nombreuses décennies le gaz naturel comprimé, le volume dédié au réservoir reste le principal inconvénient.

Du biométhane issu d’installations de méthanisation peut être incorporé au gaz naturel.

Le gaz naturel réduit considérablement les émissions de particules fines, de NOx (monoxyde d’azote NO + dioxyde d’azote NO2) et de CO (monoxyde de carbone). En revanche il n’y a pas de gain concernant les émissions de CO2 (dioxyde de carbone).

Le gaz naturel liquéfié LNG

C’est également du méthane mais stocké sous forme liquide.  À la pression atmosphérique, la température de liquéfaction du méthane est de – 161°C.

La liquéfaction du gaz naturel est obtenue par cryogénie. Ce procédé permet d’économiser 60% du volume occupé par rapport à un stockage sous 200 bars. Un poids lourd, par exemple, peut ainsi atteindre une autonomie semblable à celle qu’il aurait avec du gazole.

La cryogénie est un procédé largement utilisé par les bateaux méthaniers qui transportent ce gaz depuis leur lieu d’extraction. Liquéfier le méthane consomme beaucoup d’énergie, ce qui pénalise le bilan carbone du puits au réservoir.

Comme pour le dioxygène, le méthane liquéfié est conservé dans des réservoirs à double paroi qui doivent être parfaitement isolés.

Une faible fuite compense l’élévation de pression qui résulte des pertes thermiques.

Le gaz naturel liquéfié (LNG) est mieux adapté aux véhicules de transport de fret car la petite fuite qui dépressurise le réservoir (à partir de 15 bars environ) peut sans problème être évacuée durant le trajet. Sur un véhicule particulier, souvent à l’arrêt, ce dégazage pose un problème de sécurité.

Le constructeur motoriste FTP industrial est concepteur d’un moteur spécifique au LNG. D’une puissance de 370 kW (500 chevaux), ce moteur cible le secteur du poids lourd.

L’utilisation de méthane non fossile :

Ce méthane peut être réinjecté dans le réseau de gaz ou bien utilisé comme carburant.

La méthanisation

La méthanisation est la production de méthane par fermentation anaérobie à partir de la décomposition de matières organiques essentiellement d’origine animale ou issues de déchets ménager. Ce biogaz est un carburant qui peut alimenter un moteur thermique ou bien être transformé en électricité ou en chaleur. Il peut être produit à partir de lisier et de matière organique recueillis dans des élevages. Il y a environ 100 unités de méthanisation à la ferme en France.

La méthanation

La méthanation est industrielle, elle permet de fabriquer du méthane (CH4) de synthèse en faisant réagir du gaz carbonique CO2 (dioxyde de carbone) ou du CO (monoxyde de carbone) et du dihydrogène (H2).

À poste fixe, un moteur peut entraîner un alternateur capable de produire directement du courant alternatif.

Pollution du moteur Otto à allumage commandé (essence CNG LNG LPG) :

Limites :

NOx (monoxyde d’azote NO + dioxyde d’azote NO2) 60 mg/km

CO (monoxyde de carbone) 1000 mg/km

HC (hydrocarbures imbrûlés) 100 mg/km

HC (hydrocarbures imbrûlés) non méthaniques 68 mg/km

Particules PM (en masse) 4,5 mg/km

Particules PN (en nombre) 6.1012/km

Les normes Euro 7 prolongeront les normes Euro 6d, de cette manière, les émissions de gaz polluants entre moteurs Otto et moteurs Diesel seront comparables.

© Perkins

Actuellement le dispositif destiné à lutter contre les émissions nocives devient de plus en plus efficace, mais également de plus en plus complexe.

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