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OpenEdition Books

Le développement durable à découvert

 | 
Agathe Euzen
, 
Laurence Eymard
, 
Françoise Gaill

Sixième partie – Nouvelles approches dans la recherche

20. Les transports du futur

Frédérique Battin-Leclerc

Texte intégral

1Les transports contribuent de façon significative à la consommation de pétrole et à l’émission dans l’atmosphère de gaz polluants. La combustion des carburants dans les moteurs conduit, en particulier, à la formation de gaz à effet de serre*, principalement de dioxyde de carbone (CO2) dont les émissions au niveau mondial sont en constante augmentation. Les moteurs sont aussi responsables de la formation de composés toxiques, soit directement, comme les aldéhydes* ou les particules de suies, soit indirectement comme les hydrocarbures imbrûlés et les oxydes d’azote (NOx) qui sont liés à la présence d’ozone dans les atmosphères des villes et de leurs périphéries (cf. V.6).

2Équiper les voitures en moteurs électriques peut sembler la solution idéale pour éviter la production de CO2 liée au transport automobile. Mais c’est oublier que pour garantir l’absence totale de formation de CO2, il faut que l’électricité soit produite par des énergies renouvelables (hydrauliques, éoliennes…), ou par des centrales nucléaires dont les problèmes environnementaux spécifiques sont connus. En outre, le problème du stockage de l’énergie reste une limitation importante au développement des voitures électriques, dont l’autonomie est actuellement d’environ 160 km (cf. III.7). Les batteries de type lithium-ion, même si elles ont révolutionné le stockage de l’énergie électrique, pèsent environ 20 fois plus que la quantité de carburant liquide nécessaire pour développer la même puissance à la roue (cf. VI.14). Cette différence de poids explique pourquoi les moteurs à combustion interne sont depuis, et probablement pour longtemps, la principale solution technologique pour les transports non ferroviaires. Le poids d’hydrogène nécessaire pour obtenir cette puissance en moteur à combustion interne serait encore plus faible, mais sous réserve qu’il soit à l’état liquide ou comprimé (700 bar), ce qui pose d’importants problèmes de stockage, les mêmes qui limitent l’usage de ce composé pour alimenter une pile à combustible* liée à un moteur électrique. Notons aussi que la solution la plus efficace pour limiter la production de CO2 reste la réduction du poids du véhicule.

Moteurs actuels

3Il existe actuellement deux types de moteur à combustion interne pour le transport routier, le moteur à allumage commandé, utilisant de l’essence, et le moteur Diesel consommant du gazole. Le fonctionnement du moteur à allumage commandé, inventé par Nikolaus Otto en 1876, réside dans la combustion, provoquée par l’étincelle d’une bougie, d’un mélange air/carburant initialement prémélangé. Avec l’utilisation d’un pot catalytique, ce moteur conduit à de faibles émissions de polluants. La combustion dans un moteur Diesel débute par la compression d’une charge d’air, dans laquelle est injecté le carburant grâce à un spray liquide. De par la présence de fortes inhomogénéités en température et en concentration dans la chambre de combustion de ce type de moteur, une émission importante de particules de suies et de NOx est observée à l’échappement. Elle peut néanmoins être fortement diminuée par l’utilisation de post-traitements (filtre à particules ou à NOx). Le gros avantage du moteur Diesel sur le moteur à essence est son rendement environ 50 % supérieur grâce, en particulier, à l’utilisation de taux de compression* élevés. Le taux de compression, dans un moteur à allumage commandé, est limité par le problème de cliquetis (une auto-inflammation indésirable en amont du front de flamme). Certaines améliorations technologiques (injection directe, suralimentation) peuvent permettre d’augmenter sensiblement le rendement du moteur à essence, mais la voie la plus prometteuse du point de vue technologique réside dans le développement de nouveaux types de moteur.

Fig. 1 – Schémas de fonctionnement des moteurs à combustion interne existants et en développement. D’après R. Dibble, Université de Californie

Nouveaux moteurs et carburants

4Les nouveaux types de moteur se rapprochent du moteur HCCI (Homogeneous Charge Compression Ignition) dont le fonctionnement réside dans l’allumage par compression d’un mélange air/carburant initialement prémélangé. L’allumage par compression permet d’avoir un rendement proche de celui du moteur Diesel, mais avec de faibles émissions de particules de suies et de NOx, grâce à l’utilisation d’un mélange pauvre en carburant et l’absence d’inhomogénéités en température et en concentration dans la chambre de combustion. Néanmoins, la combustion n’étant pas provoquée par un dispositif extérieur, comme la bougie pour le moteur à essence ou l’injecteur de spray liquide pour le moteur Diesel (figure 1), le contrôle du fonctionnement du moteur HCCI est très délicat et dépend fortement de la chimie initiant la combustion du carburant.

Fig. 2 – Exemples de dispositifs expérimentaux pour l’étude de la chimie de la combustion en laboratoire. a) Réacteur agité par jet-gazeux, qui permet d’appréhender les premières étapes de la combustion en moteur HCCI. b) Brûleur à flamme plate prémélangée, qui sert à analyser les polluants formés lors de la combustion de carburants et biocarburants

5En parallèle, de nouveaux carburants contenants des quantités croissantes de molécules d’origine végétale sont à l’étude pour limiter la production globale de CO2, avec un effort nécessaire pour favoriser les carburants issus de sources ligno-cellulosiques (bois, feuilles, paille…) ou même d’algues microscopiques (cf. VI.15), afin de ne pas concurrencer la production de denrées alimentaires et de valoriser d’autres ressources disponibles. Là aussi, il est nécessaire de comprendre la chimie de la combustion des composés organiques oxygénés*, qui sont proposés comme biocarburants, et de vérifier qu’ils ne conduisent pas à une formation plus importante de certains polluants, comme les aldéhydes, par rapport aux carburants d’origine pétrolière.

6De nombreux laboratoires, en France et à travers le monde, s’intéressent ainsi à la chimie de la combustion des carburants et biocarburants. Ces réactions sont reproduites dans des dispositifs expérimentaux modèles évidemment beaucoup plus simples qu’un moteur à combustion interne (figure 2).

7En souhaitant qu’une technologie permettant de réduire plus drastiquement les émissions polluantes voie rapidement le jour, une solution transitoire pour préserver notre environnement consiste à optimiser les solutions actuelles, en particulier en développant des véhicules hybrides où la batterie d’un moteur électrique peut être alimentée par un moteur à allumage commandé pour rouler à grande vitesse, mais aussi par récupération d’énergie lors du freinage et par le réseau électrique.

Bibliographie

Références bibliographiques

• J.-C. GUIBET – Carburants et moteurs, tomes I et II. TECHNIP, 1997.

• D. BALLERINI – Les biocarburants : état des lieux, perspectives et enjeux du développement, TECHNIP, 2006.

Table des illustrations

Légende Fig. 1 – Schémas de fonctionnement des moteurs à combustion interne existants et en développement. D’après R. Dibble, Université de Californie
URL http://books.openedition.org/editionscnrs/docannexe/image/10866/img-1.jpg
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Légende Fig. 2 – Exemples de dispositifs expérimentaux pour l’étude de la chimie de la combustion en laboratoire. a) Réacteur agité par jet-gazeux, qui permet d’appréhender les premières étapes de la combustion en moteur HCCI. b) Brûleur à flamme plate prémélangée, qui sert à analyser les polluants formés lors de la combustion de carburants et biocarburants
URL http://books.openedition.org/editionscnrs/docannexe/image/10866/img-2.jpg
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Auteur

Cinéticienne de la Combustion, Directrice de Recherche au CNRS, LRGP, Nancy.
frederique.battin-leclerc@univ-lorraine.fr

© CNRS Éditions, 2013

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