Décarbonés : carburants, combustion - Vers des transports - Mediachimie
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Sophie Jullian Vers des transports décarbonés : carburants, combustion et post-traitement pour les transports routiers Sophie Jullian est directrice scientifique de l’Institut Français du Pétrole Énergies Nouvelles1 (IFPEN). La chimie est une des sciences veut remonter aux sources fondamentales mises en jeu de l’énergie disponible sur la pour faire progresser la ques- Terre, on aboutit invariable- tion du transport. Dans cet ou- ment à l’énergie solaire qui vrage, le Chapitre de S. Candel a permis, par le phénomène le met en évidence en ce qui de photosynthèse, de créer concer ne l a combustion des liaisons entre atomes de (motorisations thermiques), carbone, à partir de la rup- mais c’est vrai de façon plus ture des liaisons carbone- générale. En effet, quels oxygène du gaz carbonique qu’ils soient, les véhicules ont et ox ygène-hydrogène de besoin d’énergie pour rem- l’eau – autant de phénomènes plir leur usage de mobilité. entièrement chimiques. C’est Et l’énergie, c’est avant tout la photosynthèse qui par ces de la chimie – puisqu’elle est transformations a produit associée à la transformation toute la biomasse, laquelle de la matière et provient de la a donné naissance au pé- rupture de liaisons à l’échelle trole et au charbon ; c’est moléculaire. Ainsi, si l’on l’énergie de cette liaison 1. www.ifpenergiesnouvelles.fr
Chimie et transports
carbone-carbone que l’on les transports et des ques-
récupère en brûlant les com- tions de portée plus large,
bustibles fossiles. Ainsi, le comme l’impact environne-
lien entre chimie et transport mental ou la disponibilité des
apparaît tout naturellement ressources.
au travers des considérations
énergétiques.
Depuis ses origines, l’histoire
des transports est également
1 Le contexte
de l’évolution
des transports
indissociable de la notion d’ef-
ficacité énergétique : afin de 1.1. Besoins et utilisation
diminuer la quantité d’éner- des énergies
gie nécessaire pour un dé-
placement donné. En effet, la Le contexte énergétique dans
capacité à déplacer des biens lequel nous vivons impose de
et des personnes par l’usage réduire la dépendance vis-à-
efficace de ressources est vis des énergies fossiles, par
l’un des fondements de notre nature finies ; c’est pourquoi
civilisation actuelle et c’est il faut diversifier les sources
par exemple la disponibilité d’énergie. En parallèle s’im-
d’énergies fossiles liquides, à pose aussi la nécessité de
fort contenu énergétique, qui contrôler le réchauffement
a permis l’essor de la mobilité climatique en s’attaquant aux
individuelle. Cependant, « di- rejets de gaz à effet de serre.
minuer la quantité d’énergie » Par ailleurs, évidemment, il
ne se limite pas à diminuer la reste fondamental d’accom-
consommation de carburant ; pagner les besoins et les
il faut aller au delà et donc re- usages de la mobilité, dont
garder l’ensemble du cycle qui la société fait de plus en plus
conduit à minimiser l’impact usage.
de cette utilisation de carbu- La Figure 1 présente des pro-
rant sur l’écosystème global jections de la demande totale
de la planète. Ceci amène à en énergie, des émissions de
prendre en considération les CO2 et de la production de pé-
couplages importants entre trole. Le monde requiert de
Figure 1
Demande mondiale Émissions de CO2 Pic du pétrole ?
La question de l’énergie entre en énergie 2008/35 : + 21 %
la demande énergétique mondiale, 2008/35 : + 36 %
les émissions de CO2 2015, 2040... ?
et le peak oil.
+ 1,2 %/an + 0,7 %/an 35
+ 1,9 %/an 16,7 + 1,9 %/an
12,2 29
21
8,7
1990 2008 2035 1990 2008 2035 1970 2010 2100
Gt équivalent Gt
pétrole
196
Vers des transports décarbonés : carburants, combustion et post-traitement pour les transports routiers
plus en plus d’énergie mais à son avec l’accroissement de
partir de ressources fossiles, la consommation d’électricité.
cela conduit à de plus en plus L’amélioration du PIB des pays
d’émissions de CO2. émergents – donc de leur ni-
Premier défi : il faut maîtriser veau de vie – se traduit naturel-
cette évolution pour éviter des lement par un accroissement
catastrophes climatiques et de leur demande en énergie
environnementales comme électrique (courbe orange),
par exemple le réchauffement pour des usages domestiques
climatique ou l’acidification visant à l’amélioration de la
des océans. La question de la qualité de vie. Mais l’accrois-
disponibilité des ressources sement est encore plus mar-
constitue un deuxième défi. qué pour la consommation
Elle est résumée par la notion liée au surcroît de demande
de « peak oil », qui marque le pour la mobilité (courbe rouge).
moment où s’amorcera une Derrière ce constat, se des-
décroissance des réserves sine l’extension du modèle de
fossiles connues ou escomp- société occidental qui a fait du
tées. Même si la date précise libre accès à la mobilité indivi-
de ce peak oil – qui englobe duelle un de ses fondements.
toutes les ressources fossiles,
pétrole et gaz, qu’ils soient ou
non conventionnels – reste 1.3. Dans quelle mesure
incertaine, elle se situe à un peut-on compter sur les
horizon assez proche selon motorisations alternatives ?
la plupart des scénarios (cer- Malgré les efforts importants
tains considèrent même qu’on qui sont faits pour développer
l’a déjà franchi !). des motorisations alternatives
(moteurs électriques, mo-
teurs hybrides) et malgré les
1.2. La demande en mobilité
succès techniques auxquels
est en forte croissance
on peut encore s’attendre de
La Figure 2 illustre la corréla- ce point de vue, les moteurs
tion entre la mobilité et l’évo- thermiques (conventionnels)
lution du PIB, par comparai- resteront très largement
Figure 2
Millions de tonnes équivalent pétrole
3 500
Impact du PIB sur la demande
3 000
2030 énergétique.
2 500
2 000 2000
1 500
1 000 1971
500
0
0 20 000 40 000 60 000 80 000 100 000 120 000
PIB (milliards de $ 1995)
Mobilité Demande en électricité
197
Chimie et transports
bustibles) sont ce que nous
500
avons appelé les motorisa-
400 tions alternatives ; tous les
Millions de véhicules
autres utilisent en totalité ou
300
en partie des motorisations
200 thermiques alimentées par
des carburants constitués
100
d’hydrocarbures liquides.
0
Autres Hybrides Conventionnel Autres Hybrides Conventionnel
Dans le scénario dérégulé,
2010-20 2020-30 celui où aucune contrainte
OCDE Non-OCDE forte ne vient orienter les
choix des usagers, il n’y
a quasiment que le véhi-
cule à motorisation tradi-
Figure 3 majoritaires dans les décen- tionnelle qui apparaît ; en
nies à venir, à l’échelle plané- revanche, s’il y a un accom-
Taux de véhicules alternatifs taire, tirés notamment par les pagnement réglementaire
ou traditionnels dans les pays (scénario régulé), on observe
besoins des pays émergents.
occidentaux et émergents
En effet, même s’il se des- alors l’émergence progres-
pour 2010-2020 et 2020-2030.
sine une tendance forte sur sive d’une proportion de véhi-
les pays occidentaux à aller cules alternatifs. Toutefois,
vers des solutions à l’effica- même dans ce cas, cette pro-
cité énergétique accrue, via portion restera à un niveau
l’hybridation et des motori- modéré : vraisemblablement
sations alternatives, cette moins de 10 % du marché en
tendance mettra davantage 2030. Même s’il ne s’agit que
de temps à apparaître dans de scénarios prévisionnistes,
les pays émergents. Cette on peut considérer qu’ils
situation est résumée sur la fixent tout de même le cadre
Figure 3, issue d’une publica- d’un avenir probable sur le-
tion de l’OCDE2. quel se fonde la justification
Ces tendances générales des axes de recherche et des
ressortent aussi d’une étude moyens qui y sont consacrés.
de prospective récente du Or, à cet égard, il faut bien
World Energy Council. Deux constater que la solution du
scénarios extrêmes y ont été problème de l’énergie dans
envisagés : l’un dit « régulé » les transports ne reposera
grâce à des actions incita- pas seulement sur l’arrivée
tives ou dissuasives des États des motorisations alterna-
(Figure 4A), l’autre « déré- tives. La priorité d’action pour
gulé » (Figure 4B). Ces figures améliorer les motorisations
représentent, dans chacun conventionnelles se justifie à
des scénarios, l’évolution à la fois pour des questions de
2050 de la répartition entre ressource (efficacité énergé-
les modes de motorisation tique et rejet de CO2) du fait
utilisés pour les véhicules de l’urgence relative qu’il y
terrestres. Les rectangles a à maîtriser les émissions
rouges (voitures électriques) de CO 2 (voir ci-après), mais
et gris (voitures à pile à com- aussi pour des questions en-
vironnementales (émissions
2. Global Transport Scenarios 2050 polluantes et qualité de l’air)
198 – Worls Energy Council, 2011. qu’il ne faut pas négliger.
Vers des transports décarbonés : carburants, combustion et post-traitement pour les transports routiers
A B
2 200
2 000 2 000
1 800 1 800
Scénario « régulé » Scénario « dérégulé »
1 600 1 600
1 400 1 400
1 200 1 200
1 000 1 000
800 800
600 600
400 400
200 200
0 0
05
10
15
20
25
30
35
40
45
50
05
10
15
20
25
30
35
40
45
50
20
20
20
20
20
20
20
20
20
20
20
20
20
20
20
20
20
20
20
20
Pile à combustible à hydrogène Diesel de type ICEV Essence de type hybride Diesel de type hybride
Véhicule électrique Gaz fioul ICEV Gaz fioul hybride Hydrogène hybride
Essence de type ICEV Combustible liquide pour voiture électrique rechargeable
Figure 4
A) Évolution du mix énergétique pour la mobilité (cas régulé). Le déploiement de solutions « exemptes
de thermique » va se situer durablement entre marginal et modéré (< 10 % dans le monde en 2030).
B) Évolution du mix énergétique pour la mobilité (scénario dérégulé).
ICEV = « Internal Combustion Engine Vehicle » (véhicule avec moteur à combustion interne).
2 Les recherches
pour l’amélioration
des motorisations
maires d’énergie conduisant
à une diversité des solutions
énergétiques pour les mo-
et la diversification torisations. D’un côté, plu-
des ressources sieurs ressources alimentent
en carburant la production de nombreux
vecteurs énergétiques utili-
Un champ de progrès impor- sables pour mettre en œuvre
tant pour les motorisations la mobilité. De l’autre, diffé- Figure 5
conventionnelles se trouve rentes motorisations mettent
dans l’amélioration de leur Évolution dans le temps de
en jeu un ou plusieurs de ces l’énergie nécessaire à fournir selon
efficacité, comme l’illustre vecteurs. La multiplicité de les véhicules.
la Figure 5 tirée d’une publi-
cation de l’Agence internatio-
nale de l’énergie3 (AIE).
180
Celle-ci fournit une indication
du poids énergétique de dif- 160 Référence pour l’utilisation
des combustibles
férentes formes de mobilité, 140
dont il ressort que le trans-
120
Énergie utilisée (EJ)
port routier offre une marge
de gain considérable. En ac- 100
croissant l’efficacité des mo-
80
torisations associées, on peut
donc espérer des réductions 60
importantes des émissions de 40 Combustible restant
CO2 qui seront déterminantes avec amélioration de son économie
pour l’objectif de limitation 20
du réchauffement climatique. 0
2010 2020 2030 2040 2050
La Figure 6 fournit par ail-
leurs une présentation des Économies en :
dif férentes sources pri- Camions et bus : référence haute Véhicules légers Carburants de remplacement
et transfert modal
Camions et bus : référence efficace Écart sur la route
3. Technology Roadmap - Fuel Eco- Évolution de la demande énergétique selon le le scénarion de réchauffement climatique
de l’IAE à + 2 %
nomy of Road Vehicles/AIE – 2012. 199
Chimie et transports
Figure 6 ces derniers et des chemins Si la nature et la qualité des
possibles, qui sont autant de carburants contribuent signi-
Panorama des ressources filières, met en évidence la ficativement à la réduction des
et des vecteurs énergétiques
pour les différentes formes
diversité des voies possibles émissions de polluants, dans
de motorisation. et pointe ainsi les besoins en le cas du CO2, une part essen-
R&D pour arriver aux solu- tielle des progrès est venue
tions requises, voies pour d’avancées dans les technolo-
lesquelles la chimie est une gies « moteur ». Comme indi-
clé d’entrée majeure. qué dans cet encart, différents
Les progrès accomplis au axes d’innovation ont contri-
cours des deux dernières bué à ce résultat, aussi bien
décennies ont permis de ré- pour les moteurs à essence
duire bien entendu les rejets que diesel.
polluants en Europe, grâce L’amélioration des carburants
aux règlements édictés (au- se fait d’une part dans une
jourd’hui Euro V), mais aussi logique de meilleure adéqua-
la consommation des véhi- tion avec les nouvelles tech-
cules et donc les émissions de nologies de moteur pour per-
CO2. On observe donc que ces mettre leur fonctionnement
améliorations ont été supé- optimal. On est alors dans
rieures depuis 2001, essen- une démarche d’évolution
tiellement sous l’impulsion continue des formulations. Il
de la réglementation (voir peut aussi s’agir de proposer
l’Encart : « Axes de progrès des formulations avancées
pour les motorisations ther- plus complexes qui seront
200 miques »). élaborées pour permettre le
Vers des transports décarbonés : carburants, combustion et post-traitement pour les transports routiers
meilleur fonctionnement pos-
sible de moteurs utilisant de Axes de progrès pour les motorisations
nouveaux modes de combus- thermiques
tion, comme par exemple la
combustion diesel homogène. Essence
Cependant, le contexte régle-
Distribution variable : – 10 %
mentaire est l’un des drivers
principaux de ces évolutions, Injection directe – combustion par auto-inflammation :
aboutissant à des contraintes – 15 %
de formulation de plus en plus Injection directe d’essence – downsizing : – 25 %
sévères pour les carburants. Hybridation et moteur optimisé : – 40 %
Un autre axe de progrès, mo-
tivé par la finitude des res- Diesel
sources fossiles mais aussi Downsizing : – 10 %
sur des critères de durabilité, Hybridation et moteur optimisé : – 30 %
porte sur l’introduction pro-
gressive de carburants alter-
natifs, plus pérennes ou plus
propres (carburant gazeux,
biocarburant, carburant syn- rants non fossiles puisque la
thétique). 1re génération est déjà sur le
marché, en mélange avec les
Dans tous les cas, bien en-
carburants traditionnels. Ce
tendu la chimie et la catalyse
sont d’un côté l’éthanol pour
sont des disciplines essen-
la filière essence, et d’autre
tielles : pour adapter les
part les esters d’huiles végé-
procédés tant aux nouvelles
tales pour le gazole.
exigences réglementaires
qu’aux nouvelles ressources, D’impor tants effor ts sont
comme dans le cas des bio- actuellement consacrés au
carburants, mais aussi pour développement des nou-
en concevoir de nouveaux ou velles générations de bio-
pour optimiser ceux existant carburants liquides, mais
d’un point de vue du coût il faut aussi garder à l’es-
énergétique (voir l’Encart : prit que les biocarburants
« Recherches sur les carbu- peuvent aussi être gazeux,
rants à l’IFPEN »). par exemple le biogaz, le
b ioDME (dim éthy léth er ),
L’utilisation croissante du gaz
ou bien encore l’hydrogène
naturel véhicule (GNV) appel-
bio-sourcé. Pour l’accès au
lera aussi de plus en plus de
marché, on peut donc imagi-
développements faisant appel
ner qu’à un horizon plus ou
à la chimie et au génie des
moins lointain, les biocarbu-
procédés, pour amener ce
rants liquides se retrouvent
type de carburant aux stan-
concurrencés par ceux-ci, au
dards requis et pour optimiser
même titre que par l’élec-
les motorisations correspon-
tricité.
dantes.
La Figure 8 montre l’évolu-
tion prévisible des carburants
2.1. Les biocarburants
alternatifs d’ici à 2030. On voit
Les biocarburants, issus de que la 1ère génération occu-
la biomasse, sont une forme pera encore une part signi-
déjà très avancée de carbu- ficative mais relativement 201Chimie et transports
Recherches sur les carburants à IFPEN
Quelques mots autour des travaux qui ont été menés à IFP énergies nouvelles !
De nombreux travaux ont été menés dans le domaine de la catalyse. Ils ont conduit à une
amélioration régulière de la qualité de l’essence. Un certain nombre de nos lecteurs ont
connu les essences plombées. Depuis de nombreuses années, il n’y a plus de plomb dans
l’essence, sans déperdition en termes de performance. Pour ne pas perdre en performance
et puisque le plomb est un booster d’octane*, il a fallu améliorer les indices d’octane des
essences, donc modifier la composition moléculaire des essences.
En parallèle à cette modification, il a fallu désulfurer les essences et les gazoles de façon
à éliminer les émissions d’oxydes de soufre mais aussi d’éviter l’empoisonnement et la
désactivation des catalyseurs de post-traitement des émissions polluantes. Par ailleurs,
l’amélioration de la qualité des gazoles est aussi un axe important de travail dans le domaine
du raffinage (hydrotraitement, procédé d’hydrocraquage,…). Dans tous ces programmes,
il s’agissait de travaux de chimie, de catalyse ; à partir du pétrole, le but était d’avoir des
procédés de production d’essence, de gazole ou de kérosène, de meilleure qualité.
Ces recherches ont été bien entendu des travaux de chimie, des travaux traditionnels
de catalyse, d’analyse pour mesurer les compositions, caractériser les catalyseurs, les
effluents, etc. Mais il faut souligner l’intense utilisation qui est faite de la « chimie compu-
tationnelle** », ce qu’on appelle du « in silico pre-screening ». Tous les travaux de chimie
prédictive à base de modélisation moléculaire jouent un rôle essentiel pour accélérer la
mise au point de nouveaux catalyseurs (par exemple le catalyseur de la Figure 7).
Figure 7
Modélisation à l’échelle atomique des sites actifs d’un catalyseur versatile basé sur
des nano-cristallites hexagonaux de CoMoS.
Source : Krebs E., Silvi B.,
Daudin A., Raybaud P. (2008). Journal of Catalysis, 260 : 276.
*Un booster d’octane permet d’améliorer l’indice d’octane d’un carburant. On ajoute des produits anti-
détonants (par exemple du tétraéthyle de plomb, maintenant interdit dans le monde entier pour les
carburants automobiles, et encore utilisé dans les essences aviation) comme inhibiteur de cliquetis. Ces
produits permettent l’utilisation du carburant additivé dans un moteur à plus haut taux de compression,
et donc dans un moteur à plus haut rendement.
**La chimie computationnelle (ou chimie numérique, ou chimie informatique) est une branche de la
chimie qui utilise les lois de la chimie théorique exploitées dans des programmes informatiques afin
de calculer structures et propriétés d’objets chimiques (molécules, solides, surfaces…), appliqués à des
problèmes chimiques réels. Les propriétés recherchées peuvent être la structure (géométrie, relations
entre constituants), l’énergie totale, l’énergie d’interaction, les charges, fréquences vibrationnelles,
réactivité ou autres quantités spectroscopiques…
202Vers des transports décarbonés : carburants, combustion et post-traitement pour les transports routiers
Figure 8
5,0
Les carburants alternatifs en
Millions de barils par jour équivalent pétrole
4,5
2030 seront en pleine croissance.
4,0 Ils représenteront près de 10 %
des carburants pour transports
3,5 terrestres (estimation Axens –
3,0
mai 2011).
2,5
2,0
1,5
1,0
0,5
0
2005 2006 2011 2015 2020 2025 2030
est. est. est. est. est.
Charbon liquide + liquéfaction directe du charbon
Gaz transformé en liquide
Éthanol 2e génération
Biodiesel à partir de la biomasse transformée en liquide
Éthanol 1re génération
Biojet (huile végétale hydrogénée)
Biodiesel (ester méthylique d’acides gras + huile végétale hydrogénée)
s tabilisée, tandis que les rifères, amylacées ou oléagi-
autres formes s’appuyant sur neuses, utilisent la biomasse
des ressources qui ne sont ligno-cellulosique, c’est-
pas en compétition avec l’ali- à-dire du bois, de la paille,
mentaire devraient représen- des matières premières non
ter une proportion croissante comestibles, et ne posent pas
de la demande en carburants de problème en termes de
pour la mobilité, à la fois ter- concurrence avec les filières
restre et aérienne. Il existe alimentaires. Deux voies à
ainsi plusieurs voies paral- forte composante chimique
lèles dont on prévoit le dé- sont étudiées (Figure 9) :
bouché sur le marché malgré −− une voie biochimique : à
leurs contraintes respectives l’interface chimie-biologie,
en termes de performance, cette voie recourt aux bio-
de coût et d’investissements technologies pour opérer les
à l’horizon 2020-2025. Pour transformations de la cel-
produire ces différents car- lulose, et s’appuie sur des
burants, des travaux de re- cultures dédiées pour produire
cherche importants sont en de l’éthanol dit de deuxième
cours dans le but de dévelop- génération (donc pour la filière
per les procédés. essence) ;
Aujourd’hui, une grande part −− une deuxième voie ther-
de ces travaux porte sur les mochimique, qui consiste à
biocarburants de deuxième décomposer thermiquement la
génération, qui, au lieu d’uti- ressource (paille, bois…) pour
liser des ressources saccha- aboutir au gaz de synthèse, 203Chimie et transports
Résidus agricoles Voie thermochimique Synthèse
Gaz de Mélange
(pailles) Hydro- au gazole
et forestiers (gazéification) synthèse carbures
Cultures dédiées Fermentation
(taillis à croissance Voie biochimique Mélange
Sucres à l’essence
rapide) (hydrolyse
Éthanol
enzymatique)
Voie thermochimique :
différents produits possibles à partir du gaz de synthèse (y compris carburants d’aviation)
Voie biochimique :
moins de contraintes de taille d’installation
possibilité d’une ligne dédiée au sein d’une éthanolerie G1
Figure 9 composé de monoxyde de car- l’enjeu est avant tout énergé-
bone et d’hydrogène, puis pour tique et autour du bilan car-
Voies thermodynamique et les recomposer, comme dans bone, et passe notamment par
biochimique de production de
biocarburant.
un jeu de lego, sous forme la voie catalytique, grâce à la-
Source : IFPEN d’hydrocarbures de synthèse quelle il est possible d’abais-
via une synthèse de type Fis- ser les barrières d’énergie
cher-Tropsch (ce sont les car- pour la transformation. Mais
burants synthétiques appelés il s’agit aussi d’améliorer les
Btl, « biomass to liquids »). rendements des procédés, en
Cette voie, qui fait appel à terme opératoire.
des conditions de pression et
À l’inverse, la voie biochi-
température élevées, est plus
mique, plus douce, requiert
énergivore et passe par une
surtout des travaux de com-
phase gaz : elle offre l’avan-
tage de produire des subs- préhension et de maîtrise
tituts du gazole d’excellente des processus enzymatiques,
qualité (sans aromatiques, avec la nécessité de dévelop-
sans soufre) mais aussi des per une ingénierie de concep-
substituts du jet Fuel, puisque tion/sélection des enzymes
il est possible par la chimie les mieux adaptées.
de reconstruire des hydrocar- Mais dans les deux cas, l’enjeu
bures au choix. économique reste primordial,
Pour le développement de ces d’où le besoin d’optimiser
biocarburants de deuxième l’ensemble des opérations,
génération, les objectifs de l’agencement des procédés
progrès qui guident la re- et leur coût de développement
cherche diffèrent (Figure 10). qui pèse aussi sur leur ren-
204 Pour la voie thermochimique, tabilité.Vers des transports décarbonés : carburants, combustion et post-traitement pour les transports routiers
Température (°C)
Gaz de synthèse Synthèse Fischer-Tropsch
1 400 (CO, H2, CO2, CH4) d’hydrocarbures
Gazéification (PCShydrocarbures = 44 MJ/kg4)
700
Liquéfaction Thermo-chimique
Résidus agricoles 500 Upgrading
(pailles)
Pyrolyse rapide
et forestiers
(PCShuile de pyrolyse = 20 MJ/kg1)
Mise en œuvre catalytique
300
Quelles sont les réactions pertinentes à catalyser ?
Cultures dédiées
(taillis à croissance
Voie Biochimique Mélange
rapide) < 100
à l’essence
Extraction des sucres Fermentation alcoolique Bioéthanol
fermentiscibles (PCSéthanol = 30 MJ/kg1)
1[Huber et al., 2006] 2[Goudriaan et al., 2000] 3[Kleinert et al., 2008] 4[Norton et al., 1999]
2.2. L’hydrogène carburant sité énergétique volumique Figure 10
Le fort contenu énergétique par comparaison avec les car-
burants liquides. Gammes de température
massique de la molécule pour la production
d’hydrogène (illustré par sa Il y a tout d’abord les ques- des biocarburants de deuxième
propension à engendrer des tions de sécurité des réser- génération.
réactions explosives lorsqu’il voirs qui sont très prégnantes
interagit avec l’oxygène), cou- dans le cas du stockage sous
plé à sa grande abondance sur pression et qui ont fait l’objet
Terre – puisque c’est l’un des de développements techno-
constituants des hydrocar- logiques multiples, dont on
bures… mais aussi de l’eau –, peut penser qu’ils pourraient
a suffi à convaincre les futu- aboutir à cour t ou moyen
rologues qu’ils tenaient là le terme, sous réserve d’accep-
carburant du futur. Ressource tation sociale. Ce n’est en tout
illimitée et combustion sans cas plus un verrou technique.
pollution : rien ne pourrait lui Une autre voie pour le stockage
être reproché ! est la solubilisation dans des
S’il est vrai que l’utilisation solides, lequel lève la barrière
de l’hydrogène pourrait utile- de la sécurité mais pose des
ment contribuer au mix éner- problèmes fonctionnels dans
gétique, il demeure un certain le contexte des véhicules : à
nombre d’écueils avant qu’il la fois en termes de quantité
devienne un vecteur énergé- stockable et de réversibilité
tique banalisé pour les trans- (cinétique de désorption). Cette
ports. De grosses difficultés question relève très fortement
existent depuis sa production de la chimie et des maté-
jusqu’à son usage, qui toutes riaux. Différentes voies sont
ont trait à sa très faible den- étudiées : par chimisorption 205Chimie et transports
(cas des hydrures) ou par le véhicule est une autre
physisorption sur des solides voie, plus « rupturiste », qui
poreux, dotés de grandes sur- a déjà été envisagée et qui
faces spécifiques (charbons permettrait de résoudre les
actifs, zéolithes, nanotubes de problèmes de sécurité liés au
carbone, etc.). stockage mais dont la mise en
Le stockage cryogénique est œuvre se heurte à de nom-
une autre manière d’augmen- breuses difficultés. Le prin-
ter la densité du stockage mais cipe employé repose alors
qui est très énergivore et pose sur un processus réactionnel
également des problèmes de qui libère l’hydrogène : par
mise en œuvre auxquels la exemple, un processus de
chimie pourrait apporter des déshydrogénation d’un com-
améliorations, notamment posé hydrocarboné.
en termes de réservoirs de
stockage (isolation thermique/
matériaux). 2.3. Autres carburants
À ce jour, la production d’hy- Pour terminer sur ces pistes,
drogène est essentiellement encore au stade de la R&D,
basée sur des processus qui concernent les carbu-
d’extraction chimique à par- rants alternatifs, on se doit
tir de ressources fossiles : il de citer celles visant à l’uti-
repose ainsi de manière très lisation plus efficace du gaz
majoritaire sur des procédés naturel, comme le système
Figure 11 de raffinage (ex : vapore- dual fuel (gazole/gaz) étudié
Coût de production formage du gaz naturel) qui par IFPEN. Les recherches
de l’hydrogène en fonction offrent la voie la plus écono- ne portent pas sur le car-
des filières de production actuelles mique, par comparaison aux burant proprement dit mais
ou potentielles. procédés électrolytiques (voir concernent la technologie
SMR : Steam methane reforming la Figure 11), mais qui sont
(reformage du méthane
moteur : système de com-
émetteurs de CO2. bustion, d’injection, et aussi
à la vapeur).
EVHT = électrolyse vapeur d’eau Sa production in situ par des les systèmes d’allumage pour
à haute température. procédés embarqués dans améliorer l’initiation de la
10
9
8
Coût de l’hydrogène en €/kg
7
6
5
4 Coût électricité futur
(prévision rapport
3
Energie 2050)
2
Coût électricité actuel
1
(centrales nucléaires amorties)
0
SMR sans SMR avec pénalité CO2 : Électrolyse EVHT Électrolyseur alcalin
compensation CO2 50 €/t haute T° couplé à un champ
d’éoliennes et sans
connection au réseau
206Vers des transports décarbonés : carburants, combustion et post-traitement pour les transports routiers
combustion du gaz. Le prin- leur optimisation au sein
cipe des systèmes dual fuel d’un moteur est loin d’être
consiste à générer un allu- atteinte. L a maî trise des
mage « chimique », obtenu multiples paramètres (de
par injection initiale de gazole température, de pression,
dans un cycle diesel, ce qui de concentration des consti-
permet d’améliorer le rende- tuants, d’injection), qui dé-
ment de combustion. De cet terminent le cours de la ré-
usage du gaz comme carbu- action de combustion et qui
rant, il résulte des émissions sont extrêmement variables
de fumée quasiment nulles en fonction des conditions
grâce à l’homogénéité opti- de fonctionnement, est une
male du mélange air/carbu- réelle difficulté (Figure 12).
rant et à l’absence en son L’optimisation de la réac-
sein de précurseurs de suie tion de combustion néces-
(aromatiques, naphtènes). site leur maîtrise, laquelle
En outre, le post-traitement s’appuie sur l a connais-
se trouve simplifié par l’uti- sance de l’hydrodynamique
lisation d’un catalyseur trois des gaz au sein du moteur.
voies. Ainsi, la question de la com-
bustion n’est pas seulement
chimique, mais s ollicite
3
aus si l a compr éhension
La combustion (cas
des phénomènes aérodyna-
du moteur diesel)
miques lors du remplissage
du moteur (turbulence, écou-
3.1. Rappel du principe lement…).
de fonctionnement Figure 12
Pour les moteurs diesel,
Si les réactions chimiques cette interaction entre turbu- La combustion : résultat
mises en jeu dans la com- lence et chimie conditionne d’interactions entre turbulence
bustion sont bien connues, l’optimisation du mélange et chimie (cas du Diesel).
207Chimie et transports
des réactifs chimiques, et pement ; cependant, cette
finalement la combustion technologie a un coût et ne
au plan macroscopique – favorise pas le rendement
auto-inflammation, vitesse énergétique global. La modé-
de combustion. Au pl an lisation ouvre une autre voie :
microscopique, on a aussi en indiquant les conditions de
besoin pour progresser de formation de ces polluants,
comprendre comment l a elle permet de comprendre
combustion se déroule et les conditions de leur appa-
comment elle génère les rition et donc de déterminer
molécules parasites qui pro- celles pour lesquelles ils
duisent les polluants – les n’apparaissent plus – ou en
suies, les particules et les tout cas, en moindre quantité.
oxydes d’azote (NOx). Cette Pour les NOx, le recyclage
compréhension s’appuie sur des gaz d’échappement et la
des travaux de modélisation catalyse SCR (réduction cata-
numérique qui font le lien lytique sélective) permettent
entre ces deux échelles. de contrôler ces polluants,
De nombreux laboratoires mais là aussi, la modélisa-
(voir le Chapitre de S. Candel) tion a un apport extrêmement
sont actifs sur ces questions bénéfique.
dont l’enjeu est important Par ailleurs, la modélisa-
aussi bien pour améliorer tion numérique accompagne
l’efficacité énergétique (la de plus en plus les études
consommation de carburant), de chimie expérimentale,
que pour contrôler l’impact et particulièrement dans le
environnemental – et en défi- domaine de la combustion
nitive pour atteindre l’équi- moteur, leur combinaison
libre souhaité entre ces deux joue un rôle fondamental.
impératifs. Elle permet aux motoristes
La modélisation tridimen- de concevoir des chambres
sionnelle, aujourd’hui acces- de combustion mieux adap-
sible grâce aux puissances tées aux besoins, d’optimi-
de calcul des ordinateurs et ser les systèmes d’injection,
aux logiciels adaptés, permet d’améliorer le système éner-
de comprendre finement le gétique global du véhicule,
fonctionnement de la chambre ou même de préciser les
de combustion. Cette connais- potentialités des motori-
sance permet d’ajuster les sations alternatives. Ainsi,
paramètres avec précision quand on parle d’hybridation,
pour réaliser l’équilibre sou- on parle de deux vecteurs
haité entre contraintes d’ordre énergétiques, un vecteur
énergétique (consommation) électrique et un vecteur car-
et d’ordre environnemental burant liquide ou gazeux : il
(rejets). faut associer l’un et l’autre
Dans le cas du moteur die- dans un souci d’optimisation
sel, pour lequel ce dernier de la gestion de l’énergie à
critère est important, notam- bord et d’agrément d’utilisa-
ment pour les émissions de tion. Cette optimisation est
suies et de NOx, un mode de rendue possible par la modé-
remédiation s’appuie sur la lisation de l’ensemble et par
208 filtration des gaz d’échap- la capacité qui en résulte àVers des transports décarbonés : carburants, combustion et post-traitement pour les transports routiers
Figure 13
Traitement des polluants issus
de la combustion.
choisir en continu la source
à utiliser, soit seule soit en Les défis pour le traitement des polluants
combinaison, pour atteindre
la dépense énergétique et Défis technologiques
l’impact environnemental
−− intensification du procédé : vers un catalyseur 4-voies
minimaux.
(CO, CxHyOz, NOx, suies) ;
−− diminution de la quantité de métaux précieux dans le
3.2. Traitement des polluants catalyseur ;
−− impact du carburant utilisé sur la réactivité des suies ;
Quoiqu’il en soit, malgré −− augmentation de la durabilité (de 100 000 à 160 000 km
tous les efforts consacrés à pour la conformité des émissions).
améliorer la combustion, le
problème des polluants émis Solutions développées à IFPEN
demeure. L’intérêt de les éli- −− conception multi-échelles du procédé, du site cata
miner reste donc un enjeu lytique à l’intégration au véhicule ;
fort qui continue à stimuler
des travaux de recherche −− contrôle de l’injection du réducteur (urée) pour éviter
dans le domaine de la cata- l’encrassement de la ligne et la fuite d’ammoniac ;
lyse (Figure 13 et Encart « Les −− minimisation de l’empoisonnement et du vieillissement
défis pour le traitement des du catalyseur (SOx, cendres…).
polluants »). 209Chimie et transports
CO2
Extrémité
bouchée
fai
f (c e NO
ENTRÉE NO2
bl
/s) 2
s
fort NO2
faible c/
NO
f (c/s)
SORTIE NO2
for NO 2
ONO2
for
t c/
t
Exempt de NO
s
particules Ocal fort c/s
Extrémité Paroi du canal O2 O O2 fort c/s NO2 NO
bouchée Suie fort c/s
faible c/s NO2 NO
O fort c/s Pt
CexZr1–xO2
Figure 14
Mécanismes catalytiques pour le traitement des particules diesel.
Un modèle d’oxydation des suies par des mélanges NOx + O2 a été développé prenant en compte le degré de
graphitisation et le rapport massique catalyseur /suie (c/s). Cela a permis de mettre en évidence la contribution
de voies purement thermiques à fort rapport c/s.
En ef fet, la minimisation des contributions physico-
de l’impact environnemen- chimiques mises en jeu à la
tal des motorisations ther- fois à la formation de ces par-
miques repose aujourd’hui ticules et à leur destruction
majoritairement sur le post- (Figure 14).
traitement des gaz d’échap-
pement. Or l’usage des sys-
tèmes de post-traitement est 3.3. Les émissions du puits
une source d’accroissement à la roue
de la consommation d’éner- Un élément déterminant pour
gie, en raison des pertes de le choix des filières repose
charges qu’ils occasionnent. sur l’analyse des cycles de
Par ailleurs, certains font vies. Il s’agit d’une approche
l’objet de régénérations pé- qui consiste à comparer une
riodiques (comme les filtres voie énergétique en termes
à par ticules, les pièges à de rejets de gaz à effet de
NOx), et tous doivent garder serre évalués depuis le mo-
leur efficacité dans la durée. ment de la production de la
L’amélioration de leur fonc- filière énergétique jusqu’au
tionnement sur ces différents moment où l’énergie a été
aspects est donc nécessaire. récupérée sur le véhicule. La
Pour le traitement des par- Figure 15 illustre le position-
ticules de diesel, une dé- nement des ces différentes
marche de compréhension filières en terme d’émissions
des phénomènes a été suivie de gaz à effet de serre ra-
par les chercheurs d’IFPEN. mené à leurs consommations
Elle a consisté à développer énergétiques respectives,
des modèles d’oxydation des et guide quant aux progrès
210 suies et à simuler l’ensemble attendus.Vers des transports décarbonés : carburants, combustion et post-traitement pour les transports routiers
400
Émissions GES WtW (g CO2/100 Km)
300
sans dégrader
Essence les usages ni le coût !
et gazole
200
ref. gas. 2002
100
GNV
0
Bio-diesel
BtL Éthanol
ref. gas. 2002
–100
–200
0 100 200 300 400 500 600
Énergie WtW (MJ/100 Km)
Essence Éthanol de blé Diesel de synthèse à partir de charbon
Gazole Éthanol de cellulose Diesel de synthèse à partir de bois
GPL Éthanol de canne à sucre Diméthyléther à partir de gaz naturel
Gaz naturel comprimé Méthyl t-butyléther/éthyl t-butyléther Diméthyléther à partir de charbon
Biogaz comprimé Biodiesel Diméthyléther à partir de bois
Éthanol de betterave sucrière Diesel de synthèse à partir de gaz naturel
Figure 15
Performance environnementale et énergétique relative des carburants.
Les véhicules à motorisation
thermique de demain :
des défis à relever pour la chimie
Des travaux de recherche importants qui font la
part belle à la chimie, seule ou en combinaison
avec d’autres disciplines, sont nécessaires pour
relever les défis scientifiques dans le domaine
des véhicules à motorisation thermique, c’est-
à-dire via la combustion de carburants liquides
ou gazeux. 211Chimie et transports
Les besoins qu’ils visent à satisfaire en termes
de performance énergétique ou environnemen-
tale seront de plus en plus contraignants, dans la
mesure où le moteur thermique restera pendant
encore de nombreuses années le mode privilégié
pour la propulsion des véhicules terrestres (et
aéronautiques). Cette tendance qui paraît inéluc-
table ressort essentiellement de la demande
croissante de mobilité individuelle des pays
émergents – malgré la tendance escomptée des
pays occidentaux à s’orienter vers des alterna-
tives à dominante électrique.
En résumé, les objectifs de progrès pour l’amé-
lioration énergétique des véhicules sont les
suivants :
– viser des carburants à impact CO2 mini-
misé, en s’orientant vers des biocarburants
qui permettent de tendre vers la neutralité
carbone ;
– continuer à développer de nouveaux carbu-
rants – carburants alternatifs diversifiés ou
traditionnels – et des modes de combustion
adaptés pour optimiser leur usage ;
– pour les carburants conventionnels, il faut
poursuivre l’amélioration de la combustion dans
les moteurs ; mieux comprendre et mieux modé-
liser les phénomènes qui ont lieu à l’intérieur
des chambres de combustion pour améliorer
l’adéquation du carburant au moteur et amélio-
rer leur rendement de combustion (c’est-à-dire
leur taux de transformation), et par la même
occasion minimiser les rejets ;
– enfin, améliorer le post-traitement qui reste
un enjeu fort, en particulier pour le moteur
diesel, notamment sur la question des parti-
cules et des oxydes d’azote.
Pour les chercheurs, l’espace est très ouvert.
De nombreux travaux de recherche et voies de
développement sont aujourd’hui possibles dans
212 le domaine des carburants pour la propulsionVers des transports décarbonés : carburants, combustion et post-traitement pour les transports routiers
des véhicules, qu’ils soient conventionnels
avancés ou alternatifs. Le contexte actuel et à
venir conduira à la diversification des modes
de propulsion et des sources d’énergie mais
il reste beaucoup à faire pour améliorer les
solutions dites conventionnelles. Dans tous les
cas, la palette des améliorations possibles est
large, en combinant le recours aux sciences
dures, dont en grande partie la chimie, avec
un autre ingrédient tout aussi accessible aux
jeunes diplômés, à savoir la créativité.
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