l'automobile du futur : les technologies moteurs et

L'automobile du futur : les technologies moteurs et carburants développées par l'IFP

Conférence de presse

Date : 06/05/2004

Lieu : Paris

Face aux défis du changement climatique et des réserves de pétrole, face au renforcement continu de la réglementation antipollution appliquée à l'automobile (Euro IV et V), les avancées de la recherche ouvrent plusieurs pistes possibles pour répondre aux besoins de mobilité des prochaines décennies.

L'IFP fait le point sur les enjeux auxquels le secteur automobile est confronté et sur les réponses que les progrès technologiques peuvent apporter.

Télécharger :

• Synthèse de l'intervention de Olivier Appert, Président, et Philippe Pinchon, Directeur Moteurs-Energie de l'IFP (PDF - 120 Ko)

• Présentation de Olivier Appert et Philippe Pinchon [slides] (PDF - 1.3 Mo)

• Futures évolutions des motorisations dans l'automobile (PDF- 530 Ko)

• Moteurs/Carburants : quelles évolutions sur le long terme [Colloque Panorama 2004] (PDF - 490 Ko)

• Le Diesel aux Etats-Unis [Colloque Panorama 2004] (PDF - 460 Ko)

• Les Biocarburants en Europe [Colloque Panorama 2004] (PDF - 380 Ko)

• Réduction de la pollution du diesel : résultats performants du procédé IFP de combustion Diesel NADI (TM) (PDF - 110 Ko)

http://www.ifp.fr/IFP/fr/espacepresse/Dossier_AutomobileDuFutur/1-1_ConfPresseIFP-SyntheseAutomobileFutur.pdf




http://www.ifp.fr/IFP/fr/espacepresse/Dossier_AutomobileDuFutur/1-2_ConfPresseIFP-SlidesPresentationIFP.pdf

http://www.ifp.fr/IFP/fr/espacepresse/Dossier_AutomobileDuFutur/1-2_ConfPresseIFP-SlidesPresentationIFP.pdf

http://www.ifp.fr/IFP/fr/espacepresse/Dossier_AutomobileDuFutur/2_ConfPresseIFP-FuturesEvolutionsMotorisations.pdf

http://www.ifp.fr/IFP/fr/espacepresse/Dossier_AutomobileDuFutur/2_ConfPresseIFP-FuturesEvolutionsMotorisations.pdf

http://www.ifp.fr/IFP/fr/espacepresse/Dossier_AutomobileDuFutur/3-1_IFP-Panorama04_Moteurs.pdf



http://www.ifp.fr/IFP/fr/espacepresse/Dossier_AutomobileDuFutur/3-2_IFP-Panorama04_Diesel.pdf

http://www.ifp.fr/IFP/fr/espacepresse/Dossier_AutomobileDuFutur/3-2_IFP-Panorama04_Diesel.pdf

http://www.ifp.fr/IFP/fr/espacepresse/Dossier_AutomobileDuFutur/3-3_IFP-Panorama04_Biocarburants.pdf

http://www.ifp.fr/IFP/fr/espacepresse/Dossier_AutomobileDuFutur/3-3_IFP-Panorama04_Biocarburants.pdf

http://www.ifp.fr/IFP/fr/espacepresse/Dossier_AutomobileDuFutur/4_ComPresseIFP_NADI.pdf



• Les Rencontres Scientifiques de l'IFP : "Which Fuels for Low CO2 Engines ?" - 22-23 septembre 2004 (PDF - 100 Ko)

• Positionnement stratégique de l'IFP (PDF - 90 Ko)

• IFP moteurs et carburants : un avantage concurrentiel [brochure] (PDF - 1.9 Mo)

• Innover pour un développement durable dans le domaine de l'énergie [brochure] (PDF - 950 Ko)

Contact presse : Anne-Laure de Marignan Tél : 01 47 52 62 07 Fax : 01 47 52 70 96 [email protected]

http://www.ifp.fr/IFP/fr/espacepresse/Dossier_AutomobileDuFutur/5_AnnonceRencScientif-IFP-MoteursSept04.pdf



http://www.ifp.fr/IFP/fr/espacepresse/Dossier_AutomobileDuFutur/6-1_PositionnementStrategiqueIFP.pdf

http://www.ifp.fr/IFP/fr/espacepresse/Dossier_AutomobileDuFutur/6-1_PositionnementStrategiqueIFP.pdf

http://www.ifp.fr/IFP/fr/espacepresse/Dossier_AutomobileDuFutur/6-2_IFPmoteursOffre.pdf

http://www.ifp.fr/IFP/fr/espacepresse/Dossier_AutomobileDuFutur/6-2_IFPmoteursOffre.pdf

http://www.ifp.fr/IFP/fr/espacepresse/Dossier_AutomobileDuFutur/6-3_IFP-Innovation-DevDurable.pdf

http://www.ifp.fr/IFP/fr/espacepresse/Dossier_AutomobileDuFutur/6-3_IFP-Innovation-DevDurable.pdf

mailto:[email protected]

L'automobile du futur plus propre et multi-énergiesConférence de presse du 6 mai 2004

Synthèse de l'intervention de Olivier Appert, Président et Philippe Pinchon, Directeur Moteurs-Energie de l'IFP

Il n’existe pas une solution unique contre la pollution automobile, mais une grande variétéd'approches technologiques. On peut donc parler de «voitures propres» avec des technologiesdont le développement, d'ores et déjà engagé, se poursuivra sur de nombreuses années.

A quoi ressembleront les technologies moteurs et carburants de la voiture du futur ? «Dans laprochaine décennie, les véhicules qui seront sur nos routes seront proches de ceux que l'on connaîtaujourd’hui mais ils seront plus efficaces», a souligné Olivier Appert, Président de l’IFP (Institutfrançais du pétrole). En fait, ce sont les motorisations classiques, essence et diesel, qui vont répondreaux besoins des automobilistes pendant encore un bon moment. Pour l’instant, on n’a rien trouvémieux et…. «c’est le client qui décide d’acheter ou non le véhicule en fonction du prix», rappellePhilippe Pinchon, directeur Moteurs-Energie de l’IFP. Avec un parc mondial de plus de 500 millionsde véhicules et une croissance de 80 % prévue dans les 30 prochaines années, tirée essentiellementpar les pays émergents (Chine, Inde), le pétrole va être mis à forte contribution. Les constructeursvont devoir toutefois relever de véritables défis. Il va falloir, en effet, limiter la consommation desvoitures (malgré un poids en hausse de 15 kg en moyenne par année), tout en réduisant les gaz à effetde serre dont le CO2 (rejets limités à 140 g de CO2/km en 2008, 120 g en 2012), améliorerl’efficacité des filières énergétiques tout en préparant l’avenir. Face à la problématique des réservesde pétrole par nature finies - celles-ci sont actuellement estimées à 40 ans - et avant l'avènement desolutions alternatives applicables en série, la transition pourrait s’opérer via le gaz naturel, lescarburants synthétiques et la combinaison de plusieurs sources d’énergie dont peut être l’hydrogène.

2005 : année des carburants propres

Une première étape sera franchie dès l’année prochaine par l’application de la norme Euro IV,édictée par Bruxelles. Outre des seuils encore plus sévères pour les rejets polluants, la législation vasurtout se traduire par l’arrivée de carburants plus propres. La teneur en soufre va passer à 50 ppm, cequi favorisera une meilleure combustion des moteurs à injection directe (essence comme diesel) etsurtout une plus grande efficacité des systèmes post-traitement (filtres à particules/FAP, pièges àNox), nécessaires pour la dépollution. La prochaine étape est déjà programmée avec un abaissementdu taux de soufre à 10 ppm en Europe, entre 2005 et 2009. Cependant, les systèmes de traitement desoxydes d’azote et des particules entraînent une surconsommation (+ 5 à 8 % si l’on cumule le FAP etle catalyseur DeNOx). Il faut donc travailler à la fois sur les moteurs et les carburants si l’on veutobtenir un résultat global satisfaisant. L’IFP propose d’ailleurs une solution innovante pour optimiserla combustion, tout en réduisant la pollution, à travers le concept NADI. Celui-ci repose sur leprincipe d'une combustion pré-mélangée et s'effectuant à basse température. Des tests sont en coursavec les constructeurs.

La solution du downsizing

Small is beautiful…. En réduisant la cylindrée des moteurs, tout en conservant les performances, lesconstructeurs vont pouvoir à la fois contenter leurs clients et limiter les rejets de CO2. Un moteur 3 Lessence peut ainsi être abaissé à 1,8 L de cylindrée, sans pour autant diminuer les performances.Hormis quelques différences à très bas régime, le moteur conserve la même puissance, mais avec uneconsommation réduite de 21 %. Des travaux sont conduits dans ce domaine par l'IFP en collaboration

avec des constructeurs. Cette voie très prometteuse devrait inciter les constructeurs à regarder avecun œil neuf le moteur essence dont les progrès ont été moins rapides que ceux du moteur diesel.

L’écart entre diesel et essence va se réduire

Avec une part de marché de 47 % en Europe, le diesel ne cesse de progresser d’année en année. Ildoit cet engouement à la technologie d’injection directe common rail ainsi qu’à la présence d’unturbo. La combinaison de ces deux équipements se traduit par plus de couple, plus de performanceset moins de consommation. Les ingénieurs ont même réussi à supprimer la pollution la plus nocivedes moteurs diesel, les fines particules, grâce à la mise au point d’un filtre à particules. Plus connusous le nom de FAP chez PSA Peugeot Citroën, qui en a déjà équipée 600 000 véhicules, et passeulement des modèles haut de gamme, les filtres ont également été adoptés par Audi, BMW,Mercedes, Opel, Toyota et Volkswagen. Selon les constructeurs, il s’agit d’un filtre à particules avecou sans entretien, l’intervalle de maintenance étant fixé à 120 000 km. Dans la perspective desfutures normes Euro V, dont on ne connaît pas précisément le contenu à ce jour, il sera sans douteamené à être encore moins polluant et à se rapprocher des valeurs d'émissions fixées pour le moteur àessence.

Vif intérêt pour les biocarburants

Les carburants liquides seront encore largement prépondérants dans le futur. Des alternatives auxproduits pétroliers se développeront. Malgré une appréhension, liée à des explosions de réservoirsnon encore équipés de soupapes de sécurité, le GPL (gaz de pétrole liquéfié) reste une solutionalternative à l’essence. Le parc est de 190 000 véhicules en France. Quant aux biocarburants, ilsrencontrent un vif intérêt. D’ores et déjà, on peut trouver à la pompe des biocarburants, issus descultures céréalières ou betteravières. Le biodiesel pour sa part se caractérise par un bon bilan CO2, dupuits à la roue. La part de marché des biocarburants sera plus importante à l’avenir. De plus, cescarburants verts seront aussi fabriqués à partir de la biomasse (bois, déchets). Autre piste : laformulation de carburants synthétiques issus du gaz naturel ou du charbon, selon le procédé Fischer-Tropsch, piste également étudiée par l'IFP.

Un réel potentiel pour l’hybride

Le véhicule électrique reste toujours confidentiel, faute d’une autonomie suffisante. Dans cesconditions, le véhicule hybride apparaît, selon l'IFP, comme doté d'un réel potentiel permettant, àmoyen terme, d’atteindre les résultats les plus intéressants en matière de réduction de consommation.D’ores et déjà, des constructeurs ont mis sur le marché des modèles (Toyota Prius, Honda CivicIMA) alimentés à la fois à l’essence et à l’électricité, et dont les batteries n’ont pas besoin d’êtrerechargées sur le secteur. On verra par ailleurs, dès cette année, un ou plusieurs modèles dont lemoteur se coupe automatiquement au feu rouge, par le procédé stop and start. Il va falloir attendre2008 pour voir apparaître les premiers volumes conséquents d’hybrides légers (avec un moteurélectrique qui vient apporter une assistance au moteur classique), puis 2015 pour que se diffuse latechnologie de l'hybride total (puissances électrique et thermique comparables). L’hybridation ne serad’ailleurs pas limitée à l’essence, puisque l'on pourra marier l’électricité avec le diesel, lesbiocarburants ou encore le gaz naturel et le GPL. L’hybride à l’hydrogène, bien que prometteur enthéorie sur le papier, ne sera peut être pas aussi performant que d’aucuns pourraient le croire.

Quel avenir pour l’hydrogène ?

Annoncée comme la solution pour les transports, l’hydrogène reste cependant une vision à longterme. C’est une piste intéressante, mais qui soulève encore de nombreuses questions. Car, sil’hydrogène ne rejette que de la vapeur d’eau, il demande beaucoup d’énergie pour être produit (parexemple par l'électrolyse de l’eau) et peut paradoxalement contribuer à une augmentation desémissions de CO2 s'il est produit à partir d'énergie primaire fossile. D’autre part, des développementsimportants sont nécessaires pour transporter et stocker ce carburant à bord des véhicules. Les

conditions de sécurité devront être garanties en toute circonstance. Mais surtout, la viabilitéfinancière est loin d’être assurée avec un prix de la pile à combustible 100 fois supérieur à celui d’unmoteur conventionnel. Même en grande série, le surcoût serait de 10 000 € par véhicule… C’est laraison pour laquelle les experts n’entrevoient pas de débouchés concrets avant 2025-2030.

Conclusion : une histoire de la voiture propre qui reste à écrire

Les automobilistes consomment encore du pétrole, comme il y a un siècle. Il faut rappeler que lesniveaux de rejets polluants ont été divisés, grâce aux efforts de la recherche, par plus de 10 en 30 ans,alors que le trafic a fortement augmenté dans le même temps. Et le contexte économique et politiqueva encore favoriser des évolutions sensibles dans l’automobile. Tout est une question de calendrierd’introduction des innovations, de législation et de coûts.

Le calendrier des futures motorisations

- 2005 : Normes Euro IV, filtres à particules, carburants sans soufre, downsizing diesel- Entre 2005 et 2010 : downsizing essence, moteur dédié au gaz naturel, piège à Nox- De 2010 à 2015 : diesel HCCI, biocarburants, catalyse 4 voies, distribution variable sur le diesel,hybrides légers- 2015 : injection essence haute pression, combustion homogène essence CAI, hybride total- Entre 2015 et 2020 : hybride gaz naturel, , hybride diesel- En 2020 ou au delà : pile à combustible, hybride hydrogène

Conférence de presse

L’automobile du futur :

Les technologies moteurs et

carburants développées par l’IFP

Olivier Appert, Président

Philippe Pinchon, Directeur Moteurs-Energie

L’automobile du futur : Les technologies de l’IFP - 6 mai 2004

• L’automobile reste un outil indispensable pour satisfaire lesbesoins de mobilité des citoyens

• Le parc mondial représente plus de 500 millions devéhicules et continue à croître

• Les alternatives restent marginales malgré les incitationsmises œuvre pour les développer

• Cependant elle est source de nuisances qu’il faut maîtriserdans un objectif de développement durable :– émissions de polluants atmosphériques (CO, HC, NOx, particules)– émissions de gaz à effet de serre (CO2 )– émissions sonores– déchets (production et véhicules en fin de vie)


Des progrès à mener sous contraintes

Les évolutions de l ’automobile sontpilotées par :– les exigences d’un marché très

concurrentiel sur le plancommercial et technologique

– la réglementation (émissionspolluantes, recyclage, sécurité, etc)

– la fiscalité

ConstructeursPouvoirs Publics

CLIENT

Nécessité d ’uneprise en compte des

contraintes spécifiques des parties prenantes

logique Marché

logique Industrielle logique Intérêt Général

1990 2000 2010 2020 20301990 2000 2010 2020 2030Source : OECD Environment Directorate

Plus de 80% de croissance sur 30 ans900

Véhicules (millions)

Reste du Monde

Camions

2 roues

Veh. utilitaires Automobiles

100

200

300

400

500

600

700

800

OCDE

+40%

+180 %

Croissance du parc« véhicules routiers» mondial



Futurs enjeux du couplemoteur/carburant

• Réduire la pollution locale : CO, HC, NOx, finesparticules, O3

• Réduire la pollution globale : Gaz à effet de serre(CO2)

• Améliorer l’efficacité énergétique des filières

• Garantir l’approvisionnement des filièresénergétiques pour le transport

Dans des conditions économiques acceptables...


Les réponses possibles :une grande diversité de solutions

Moteurs conventionnelsMoteurs conventionnels

• à allumage commandé et injection directeou indirecte de carburant : moteur àessence

• à allumage par compression etinjection directe de carburant : moteurdiesel

Carburants conventionnelsCarburants conventionnels

• issus du pétrole, évoluant avec lesexigences technologiques des moteurs

• avec composants oxygénés et additifs

Moteurs alternatifsMoteurs alternatifs

• moteurs dédiés (GNV, GTL, DME, etc.)

• motorisation électrique (batteries ou pile à combustible)

• motorisation hybride thermique/électrique

Carburants alternatifsCarburants alternatifs

• gazeux: GPL, GNV, DME, H2

• GTL, BTL

• bio-carburants (ethanol, methanol, ETBE,MTBE, EMHV)

Pollution locale Pollution localeApprovisionnementsApprovisionnements

en en éénergienergieEmissions de GESEmissions de GES


g/km 2000 2005MVEG

CO 2,3 1Essence HC 0,2 0,1

NOx 0,15 0,08

CO 0,64 0,5Diesel NOx 0,5 0,25

HC+NOx 0,56 0,3PM 0,05 0,025

0

5

10

15

20

25

30

1972 1976 1980 1984 1988 1992 1996 2000 2005

CO

HC+NOx

Normes VP Europe> 70 g/km

Evolution de la réglementationantipollution européenne

2010 ?


Des résultats très importantsen matière de pollution locale

0

20

40

60

80

100

120

1990 1995 2000 2005 2010 2015 2020 2025

Year

CO

NOx

VOC

Benzene

PM Diesel

CO2

SO2

CO2

polluants

Emissions UE

Auto Oil 2000, EU

Année


Des objectifs ambitieux pour la réductiondes émissions de CO2 en Europe

120

140

160

180

200

220

1990 1995 2000 2005 2010 2015

Année

CO

2 (g

/km

)Engagement ACEA

Véhicules Essence

Véhicules Diesel

Total véhicules UE


Un défi important : poursuivre les progrès etréduire l’écart entre moteurs diesel et essence

• Réduire encore les émissions depolluants notamment pour le moteurdiesel (NOx, particules)

• Réduire encore les émissions de CO2

notamment pour le moteur à essence


Deux technologies clédu moteur diesel d’automobile

Système d’injection Common Rail Turbocompresseur à géométrie variable


Système de post-traitement dieseldes NOx et particules

Piège à NOxpotentiel : (70% à 90% d’efficacité)

Filtre à particules(90% à 99% d’efficacité) Mais:

• Nécessite du carburant sans soufre• Entraîne une surconsommation en carburant• Complexe et coûteux


De grands progrès sont à attendrede la maîtrise de la combustion

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0 2 4 6 8 10Charge du moteur (PME en bars)

part

icul

es (

g/kW

h)

Diesel conventionnel

NADI

0

0,5

1

1,5

2

2,5

0 2 4 6 8 10

Charge du moteur (PME en bars)

NO

x (g

/kW

h)

Diesel conventionnel

NADI

Procédé de combustion « homogène » IFP : procédé NADI

Particules Oxydes d’Azote

1500 t/min

Il reste cependant à maîtriser la combustion pour toutes les conditionsd’utilisation et à annihiler les émissions parasites de HC et CO


La modélisation 3D est un outil remarquable pourl’optimisation du système de combustion


Projets européens sur la combustion « homogène » diesel

• Projet FOUR SPACE

– piloté par l ’IFP

– regroupant 6 partenaires européens

• Réseau d’excellence ECO-ENGINES

– piloté par l ’IFP

– regroupant 24 partenaires européens de 9 pays différents

• Projet intégré NICE

– piloté par EUCAR, association de recherche des constructeursautomobiles européens

– l ’IFP participe au WP1 consacré à la combustion « homogène »diesel


Quelles solutions potentielles pour réduirela consommation du moteur essence ?

0 20 40 60 80 100 120

Véhicule Hybride

Downsizing

Combustion CAI

IDE Combustion stratifiée

Distribution variable

Moteur essence conventionnel

moteur diesel Moteur diesel

Moteur essence

Consommation en carburant


« Downsizing » du moteur essence :l’approche IFP

0 2 4 6 8 10

6 cyl de 3l

4 cyl 1,8 l

Temps d ’accélération de 0 à 100 km/h

0 2 4 6 8 10 12

6 cyl de 3 l

4 cyl de 1,8 l

Gain en consommationsur cycle normalisé (NEDC)

-21 %

Simulation d ’un véhicule1800 kgmême boîte de vitesse

0

50

100

150

200

250

300

350

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000Régime moteur (tr/min)

Co

up

le m

axim

um

(N

.m)

Moteur atmosphérique IIE cylindrée: 3 l

Moteur Turbo IDE cylindrée : 1,8 l


« Downsizing » du moteur essence :l’approche IFP

Temps d’accélération de 0 à 100 km/h

Gain en consommationsur cycle normalisé (NEDC)

Simulation d ’un véhicule1800 kg boite de vitesse adaptée

0 2 4 6 8 10 12

6 cyl de 3 l

4 cyl de 1,8 l

-25 %

boîte de vitesse adaptée

0 2 4 6 8 10

6 cyl de 3l

4 cyl 1,8 l+ 0,5 sec

0

50

100

150

200

250

300

350

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000Régime moteur (tr/min)

Co

up

le m

axim

um

(N

.m)




Motorisations non conventionnelles

• VEHICULES ELECTRIQUES– pollution locale nulle– autonomie et performances trop réduites– solution adaptée à certains usages urbains

• VEHICULES HYBRIDES– émissions et consommation très faibles– surcoût très important– l ’alterno-démarreur est une solution de compromis

• PILE A COMBUSTIBLE– pollution locale très faible– émissions de CO2 potentiellement faibles mais qui dépendent

du procédé de production de l ’hydrogène– complexité et coût très élevés, sécurité à traiter– si H2 stocké à bord, problème du mode de stockage et de sa

distribution


Schéma hybride (série /parallèle)Thermique/Electrique

RéservoirCarburant

Moteurthermique

MoteurElectrique

Contrôleur

Batterie

Génératrice

W

W

W

W

E

E

EH

E Energie ElectriqueH Energie ChimiqueW Travail Mécanique


Schéma Pile à Combustible

RéservoirH2

Moteur/GenElectrique

Controleur

Batterie

Pile à Combustible

H

E

E

W

E Energie ElectriqueH Energie ChimiqueW Travail Mécanique

Pile à Combustible

E

H


0 100 200 300

Moteur à combustioninterne optimisé

Motorisation hybridethermique/électrique

Pile àcombustible

CO2 (g/km)

essencegazole

GPL

gaz naturel GTL DMEH2 comprimé ex GN H2 liquéfié ex GN

EMHV EthanolH2 ex biomasse

H2 ex électrolyse (France)H2 ex électrolyse (Europe)

PETROLE

GAZ NATUREL

BIOMASSE

ELECTRICITE

Bilans CO2 « du puits à la roue »


Coûts de production et de distributiondes filières énergétiques pour le transport

0 0,5 1 1,5 2

essencegazole

GPL

gaz naturel GTL DMEH2 comprimé ex GN H2 liquéfié ex GN

EMHV EthanolH2 ex biomasse

H2 ex électrolyse (France)

€/litre équivalent gazole

PETROLE

GAZ NATUREL

BIOMASSE

ELECTRICITE


Compromis coût/efficacité

Coût production+distribution relatif par rapport à l ’essence

Emissions de CO2 du puits à laroue relatives par rapport à EMVH

Hypothèse : Motorisation Hybride et Pile à combustible pour H2

0,00 1,00 2,00 3,00 4,00 5,00 6,00 7,00

EMVH

H2 ex biomasse

H2 ex électrolyse (France)

Ethanol

Gaz naturel

H2 comprimé (ex gaz

naturel)

GPL

gazole

DME

essence

H2 liquéfié (ex gaz

naturel)

GTL

émissio

ns d

e CO

2 croissan

tes


Calendrier de mise en application - PAC - Hybride H2- Hybride gaz naturel

- Bio-carburants (E)- Hybride diesel (D)

2005 2010 2015 2020 ……

Ince

rtitude cr

oissante

Risque

- Bio-carburants (D)- Diesel HCCI (D)- Distribution variable (D)- Catalyse 4 voies (D)- Hybrides légers (E)

- Moteur dédié gaz naturel- Downsizing et injection directe (E)- Piège à NOx (D)

- Downsizing (D)- Piège à NOx (E)- IDE Combustion stratifiée (E)- Filtres à particules (D)- Distribution variable (E)

- Injection directe haute pression (E)- CAI (E)- Hybride total parallèle/série (E)


Conclusions

• Indispensable pour assurer la mobilité individuelle, l’automobile doitcependant s’inscrire dans le cadre du développement durable

• Des progrès considérables ont été réalisés depuis les années 70 tant surle plan des émissions de polluants que sur celui de la consommation encarburant

• Il est nécessaire de poursuivre ces améliorations : les technologiesmoteurs et carburants tant conventionnelles qu’alternatives serontamenées à jouer un rôle important notamment pour la réduction desémissions de gaz à effet de serre (CO2)

• L ’analyse de nouvelles filières énergétiques doit prendre enconsidération les critères suivants :– les émissions de CO2 du puits à la roue et les émissions locales– l ’efficacité énergétique de la filière– les coûts de production, distribution et utilisation de l ’énergie– la disponibilité et la sécurité des approvisionnements

• Sur le plan des émissions de CO2, les filières énergétiques alternativesles plus intéressantes sont le gaz naturel -notamment en motorisationhybride- et la biomasse

L'automobile du futur : les technologies de l'IFP - 6 mai 2004 1

FFuuttuurreess éévvoolluuttiioonnss ddeess mmoottoorriissaattiioonnss ddaannss ll''aauuttoommoobbiilleePPhhiilliippppee PPiinncchhoonn,, DDiirreecctteeuurr MMootteeuurrss--ÉÉnneerrggiiee

1. Enjeux environnementaux Page 31.1 Réduire la pollution locale due à l'automobile1.2 Réduire les émissions de CO2

2. Évolutions des technologies moteurs Page 9

2.1 Les moteurs diesel2.2 Les moteurs à essence

3. L'avenir des motorisations non conventionnelles page 17

4. Quelles échéances pour l'application des technologies futures ? page 22

5. Conclusion page 23


L'automobile a connu un développement remarquable au cours des dernièresdécennies. Elle est aujourd'hui confrontée à de nombreux défis dont l'un desplus importants est celui de la maîtrise de son impact sur l'environnement etparticulièrement sa contribution aux émissions de gaz à effet de serre, aupremier rang duquel le gaz carbonique. De nombreux leviers doivent être activéspour placer l'automobile et plus généralement le transport routier dans uncadre de développement durable. Parmi ceux-ci, les innovations et les progrèstechnologiques sont amenés à jouer un grand rôle, particulièrement pour ce quiconcerne les systèmes de motorisation.

Le secteur des transports constitue aujourd'hui une composante essentielle des économiesmodernes. La grande mobilité des marchandises et des personnes est non seulement unecaractéristique des pays développés mais plus encore une condition au développement. Demême, la mobilité individuelle qui s'appuie largement sur les véhicules automobiles a connu unecroissance continue au cours des dernières décennies ; cette observation ne fait que traduire uneaspiration profonde de la majorité de nos contemporains à une grande liberté de déplacement.L'automobile répond à un vrai besoin pour la satisfaction duquel il n'existe pas de véritablealternative. Le développement considérable des transports routiers, l'augmentation continue duparc mondial de véhicules associée à la croissance du nombre de trajets et à celle des distancesmoyennes parcourues, tout cela amène à s'interroger sur le caractère pérenne de cedéveloppement. Des questions fondamentales sont posées. En particulier, alors que le secteur dutransport consomme aujourd'hui près de 70% du pétrole dans l'Union Européenne, sera-t-on enmesure d'assurer un approvisionnement énergétique suffisant et à un coût économiqueacceptable pour accompagner le développement du secteur dans les décennies à venir ? Sera-t-on capable dans ce contexte, de réduire la pollution atmosphérique locale ? Dans quelle mesureparviendra-t-on à juguler l'accroissement des émissions de gaz à effet de serre dans le secteurdes transports, voire à les réduire ? Telles sont les principales interrogations qui accompagnentle développement programmé du transport routier.

Relever tous ces défis nécessitera à coup sûr la conjonction de nombreuses actions volontaristesdans le domaine des équipements et infrastructures, de la réglementation, des comportementssociaux et de la technologie.

L'objectif de cet article est précisément de faire le point sur la contribution des technologies pourrépondre aux enjeux du développement durable dans l'automobile.


1. Enjeux environnementaux

1.1 Réduire la pollution locale due à l'automobile

Les véhicules automobiles sont dans leur quasi totalité équipés de moteurs thermiques alimentésavec des carburants liquides (essence ou gazole) issus de la transformation du pétrole. Lacombustion de ces hydrocarbures génère un certain nombre de polluants, émis à l'échappementdes moteurs à la suite du processus de combustion. Certains de ces polluants font l'objet d'uneréglementation : il s'agit en particulier du monoxyde de carbone (CO), des oxydes d'azote (NO etNO2, notés NOx), les hydrocarbures imbrûlés (HC) et les particules de suies. Le CO, les HC etles suies sont le résultat d'une combustion incomplète alors que les oxydes d'azote sont issus dela réaction entre l'oxygène et l'azote de l'air portés à haute température. Le secteur des transportscontribue majoritairement aux émissions de NOx et de CO (figure 1) et reste un contributeurimportant quoique minoritaire pour les particules et les hydrocarbures imbrûlés. L'effet de cespolluants s'exerce d'abord à l'échelle locale, notamment urbaine. Le premier effet est celui despolluants primaires c'est à dire ceux issus directement du pot d'échappement et la pollution vaalors s'exercer à proximité immédiate des sources d'émissions, en particulier dans les zones decirculation dense et difficile. Un cas particulièrement critique est celui des rues "canyon", malventilées et bordées d'immeubles qui bloquent la dispersion des polluants atmosphériques Lespolluants primaires peuvent dans certaines conditions climatiques, caractérisées en particulierpar un fort ensoleillement et peu de vent, être à l'origine d'une pollution dite secondaire, c'est àdire provoquée par une transformation chimique dans l'atmosphère. C'est notamment le cas del'ozone qui est produit par un ensemble de nombreuses réactions chimiques complexes, activéespar le rayonnement solaire et faisant intervenir les NOx et composés organiques volatils (COV)dont font partie les hydrocarbures imbrûlés. L'ozone est la cause de la plupart des pics depollution estivaux qui se manifestent en général au voisinage des grandes agglomérations.

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Figure 1 : en grisé, contribution des transports aux émissions globales de polluants en Europe (2001)

C'est pourquoi la réglementation anti-pollution automobile a adopté des cycles de conduitecaractéristiques d'une circulation urbaine et periurbaine pour l'homologation des véhicules. Cescycles correspondent à des conditions de fonctionnement pour lesquelles le moteur estrelativement peu chargé. A titre indicatif, la vitesse moyenne du véhicule sur l'ensemble ducycle européen est de 32 km/h et ce dernier commence par un démarrage à froid. Les systèmesanti-pollution sont donc conçus pour être pleinement efficaces lors de conditions defonctionnement difficiles mais représentatives des modes d'utilisation réelle des véhicules,même si la remise en cause du profil du cycle d'homologation pour défaut de réellereprésentativité, est régulièrement portée à l'ordre du jour.

Depuis les années 70, les normes anti-pollution ont connu des sévérisations successivesnotamment en Europe et aux USA. Sous l'impulsion des Pouvoirs Publics les limites d'émissions

L'automob

ont été réduites dans un facteur 10 à 100 en quelques décennies (figure 2). Il est frappant deconstater que ces objectifs ambitieux ont été effectivement atteints et ce résultat doit êtreessentiellement mis au crédit des progrès remarquables réalisés dans le domaine de latechnologie.

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ogies de l'IFP - 6 mai 2004 4

ion des normes anti-pollution européennes (limites d'émissions des véhicules automobiles)

he et développement considérables sont en effet consentis depuis de les bureaux d'étude des constructeurs automobiles et les laboratoires dees progrès les plus importants ont été obtenus dans les domaines suivants

systèmes de post-traitement catalytique des polluants. La catalyse dite "3xemple l'élimination simultanée des NOx, CO et HC (figure 3) avec plus lorsque le catalyseur est chaud. Ces systèmes nécessitent cependant lalange air-carburant stoechiométrique (richesse égale à 1).

nique de la plupart des paramètres de contrôle du moteur, en particuliere et l'alimentation en air.urant. L'apparition de systèmes d'injection directe haute pression parne amélioration sensible des performances du moteur diesel.mbustion. Bénéficiant des progrès de la modélisation numérique, lesstion font l'objet d'une optimisation de plus en plus poussée.rburants. La lutte contre la pollution automobile et la sévérisationormes anti-pollution ont été accompagnées d'un resserrement desarburants. Des paramètres tels que teneur en benzène, en aromatiques, enis réglementés.


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Figure 3 : Principe de fonctionnement d'un catalyseur 3 voies

Force est de reconnaître que cette politique basée sur le double volet réglementaire et progrèstechnologique a porté ses fruits. On a effectivement assisté à une diminution des rejets depolluants atmosphériques liés à l'automobile au cours de la dernière décennie et les projectionseffectuées dans le cadre du programme européen Auto Oil indiquent que les émissions globalesde polluants toxiques vont continuer à baisser en Europe (figure 4). Le rythme de baisse de cesémissions est essentiellement contrôlé par les facteurs suivants :

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1990 1995 2000 2005 2010 2015 2020 2025

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Figure 4 : Evolution prévue des émissions de polluants automobile en Europe (Auto Oil 2000)


La mise en œuvre d'une nouvelle réglementation plus sévère qui accompagne les progrèstechniques. L'intervalle de temps entre deux niveaux de réglementation est d'environ 5 ans.� Le taux de renouvellement du parc de véhicules. Il s'agit d'un facteur particulièrement

important puisque la durée de vie moyenne d'un véhicule automobile est supérieure à 13 ansen France.

� L'accroissement simultané du parc de véhicules automobiles européens et du trafic routier.

La figure 4 montre cependant que les émissions de CO2 n'ont pas suivi les mêmes tendances quecelles des polluants atmosphériques. Le CO2 est en effet un traceur de la consommation decarburant des véhicules et il n'existe pas de solutions réalistes pour l'éliminer dans la ligned'échappement elle-même. La croissance des émissions de CO2 observée au cours des dernièresannées traduit plusieurs facteurs : l'accroissement du parc, l'augmentation du trafic routier etcelle du poids moyen des véhicules du fait de l'amélioration des systèmes de sécurité et deconfort. La stabilisation des émissions prévue au cours des dix prochaines années découledirectement des mesures prises par l'ensemble des constructeurs d'automobiles pour réduire lesémissions moyennes de CO2 des véhicules commercialisés en Europe.

1.2 Réduire les émissions de CO2

Le CO2 est l'un des gaz dits à effet de serre mis en cause dans le processus de réchauffementclimatique et pour lesquels la Commission européenne s'est engagée à réduire les émissions de8% entre 1990 et 2012 dans le cadre de l'accord de Kyoto. Les transports routiers qui contribuentà hauteur de 22% aux émissions de CO2 en Europe sont donc concernés au premier chef. C'estdans ce contexte que les principales associations de constructeurs automobiles dont l'ACEA(Association des Constructeurs européens d'Automobiles), ont pris l'engagement de réduire lesémissions moyennes des véhicules commercialisés en Europe à 140 g/km en 2008, ce quicorrespond à une réduction de 25% par rapport à 1995. Une réduction supplémentaire à unniveau de 120 g/km est également envisagée à échéance 2012. Dans le même temps cependant,les consommateurs continueront à réclamer davantage de sécurité et de confort, ce qui setraduira en général par une augmentation du poids des véhicules.

Pour réduire dans de telles proportions les émissions de CO2 des véhicules automobiles, lesprincipales voies d'actions consistent soit à mettre en œuvre des carburants à faible teneur encarbone ou plus précisément des carburants dont le cycle de vie conduit à des émissions réduitesde CO2, soit à réduire la consommation des véhicules, celle-ci étant, à carburant donné,proportionnelle aux émissions de CO2. Parmi les carburants à faible teneur en carbone on citeraparticulièrement le gaz naturel, dont la combustion, à même dégagement d'énergie, produit prèsde 23% d'émissions de CO2 en moins. Les biocarburants sont également intéressants dans lamesure où la croissance de la plante qui en est à l'origine consomme du CO2 atmosphérique cequi conduit à un bilan net favorable : on retiendra notamment parmi les candidats possibles lesesters méthyliques d'huile végétale, l'éthanol et le méthanol. Cependant, même si lesbiocarburants sont certainement amenés à jouer un rôle important dans le futur, ils ne peuventguère prétendre à un taux de substitution des carburants d'origine pétrolière supérieur à quelquespour cents. La Commission européenne, dans une directive récente, envisage des taux desubstitution de l'ordre de 6% en 2010.

L'essentiel de la réduction de la consommation en carburant devra donc être réalisé via desprogrès technologiques supplémentaires. La figure 5 illustre les différentes voies d'action quipeuvent être envisagées pour réduire la consommation d'un véhicule au cours du cycled'homologation, plutôt caractérisé par un parcours urbain et periurbain. On présente le gain deconsommation (exprimé en %) généré par une amélioration de 20% d'une caractéristique duvéhicule. Le rendement du moteur est le paramètre dont l'action est la plus directe sur laconsommation puisque toute amélioration dans ce domaine est directement répercutée sur laconsommation en carburant. La réduction de la masse est également très efficace mais cette voie


d'action est limitée du fait de la tendance à une augmentation des prestations de confort et desécurité ainsi qu'à la demande croissante des consommateurs pour des véhicules de gammesupérieure, en général plus lourds. L'optimisation de la mise en œuvre des matériauxconventionnels et l'utilisation de nouveaux matériaux plus légers (caisse ou blocs moteur enaluminium, collecteur d'air en matière plastique, etc.) contribueront à l'allégement des véhicules.La réduction des frottements internes au moteur est une piste très intéressante puisqu'elle agitdirectement sur le rendement moteur lui-même. Cette piste a déjà été largement explorée aucours des dix dernières années et a d'ores et déjà permis aux moteurs de dernière génération debénéficier de niveaux de consommation bien inférieurs à ceux de leurs prédécesseurs. Laréduction des pertes par frottements a été rendue possible par une optimisation poussée del'architecture moteur, incluant le dimensionnement de l'ensemble des pièces en mouvement et laconception du circuit de lubrification. La mise en œuvre de matériaux à faible coefficient defriction et de lubrifiants à basse viscosité contribuent également à ce résultat.

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Figure 5 : Principales voies de réduction de la consommation des véhicules automobiles : impact d'une amélioration de 20% de chacun des principaux paramètres.

Longtemps considérée comme un moyen d'accroître les performances pures du moteur,l'augmentation du couple spécifique (couple maximum rapporté au litre de cylindrée) estaujourd'hui considérée comme l'un des moyens les plus efficaces pour réduire la consommation.C'est qu'elle est en réalité associée à une réduction de la cylindrée du moteur avec un maintiendes performances (procédé dit de "downsizing"). Cette solution permet de réduireconsidérablement les pertes internes au moteur avec un effet direct sur le rendement énergétique.Quant à la réduction du frottement de la chaîne de transmission de l'ensemble du véhicule, celle-ci a un impact relativement faible du fait des excellents niveaux de rendement mécanique déjàatteints aujourd'hui et de la faible marge de manœuvre restante pour les faire progresser.


Les gains à attendre d'une réduction de la traînée aérodynamique du véhicule sont égalementrelativement modestes du fait de la vitesse moyenne relativement faible du cycled'homologation. Bien entendu, ce paramètre devient au contraire prépondérant pour les grandesvitesses observées sur autoroute (130 km/h).

En conclusion, la méthode la plus efficace et la plus directe pour réaliser une réductionsignificative de la consommation en carburant des véhicules automobiles passe parl'amélioration du Groupe Moto Propulseur (GMP) constitué du moteur et de sa transmission. Lesdeux voies de progrès principales sont : d'une part l'augmentation du rendement du moteur etd'autre part, l'augmentation du couple et de la puissance spécifique en vue d'une réduction de lacylindrée à même performances.

L'évolution du système de transmission est également un moyen très efficace pour réduire laconsommation. Les différents systèmes proposés (transmission continue, boîte automatique,systèmes hybrides, etc.) sont tous basés sur un découplage plus ou moins poussé entre vitesse duvéhicule et régime de rotation du moteur. Cela permet une plus grande optimisation du point defonctionnement du moteur en fonction des conditions d'utilisation.

La figure 6 présente l'évolution des émissions moyennes de CO2 des véhicules européens prévueselon les engagements pris par l'ACEA ainsi que celle constatée de 1996 à 2002. Elle montreque les engagements de réduction ont jusqu'à présent pratiquement été tenus. Ces résultats sonten grande partie attribuables à la diésélisation croissante des véhicules neufs (près de 45% en2003) et notamment des plus lourds et à l'amélioration du rendement des moteurs essence etdiesel. On note en particulier, pour ce dernier, un passage rapide de la technologie de l'injectionindirecte à l'injection directe (ce qui correspond à environ 15% de gain en rendement) et la miseen œuvre du "downsizing" à l'aide de la turbosuralimentation. Cette tendance à la substitutiondes moteurs à essence par des moteurs diesel va certainement se poursuivre ; elle a cependantune limite liée d'une part au surcoût engendré par la technologie du moteur diesel, difficile àadmettre pour les véhicules d'entrée de gamme et d'autre part à de possibles tensions surl'approvisionnement en gazole si la demande s'accroît encore de manière très importante. Lapoursuite de la réduction des émissions de CO2 dues à l'automobile passe donc par de nouveauxprogrès, notamment pour les moteurs à essence.

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Figure 6 : Evolution des émissions de CO2 des véhicules européens


2. Évolutions des technologies moteurs

2.1 Les moteurs diesel

Le moteur diesel à injection directe présente du fait de son principe de combustion, uneconsommation en carburant et des émissions de CO2 inférieures d'environ 30% à celle du moteurà essence de même performance. Cette propriété est d'autant plus intéressante qu'il possèdeencore un potentiel de progrès via l'approche "downsizing", c'est à dire la réduction de cylindréeavec maintien des performances. Les principaux constructeurs européens ont ainsi mis sur lemarché des familles de moteur diesel de modeste cylindrée (1,2/l à 1,5/l) mais dotées deperformances spécifiques très élevées (couple spécifique de 150 Nm/l et puissance spécifique de50 kW/l). Venant en remplacement de moteurs de cylindrée plus élevée ils présentent parrapport à ceux-ci une réduction de consommation supplémentaire de 5 à 10%. Cette évolution aété rendue possible par le développement de deux technologies clés : l'injection directe hautepression et la turbosuralimentation à géométrie variable. L'injection diesel à rampe communepermet d'atteindre d'ores et déjà des pressions maximales d'injection de 1600 à 1800 bars alorsque la technique d'injecteur-pompe unitaire dépasse les 2000 bars. La haute pression d'injectionassure une introduction rapide du carburant à pleine charge tout en réalisant une excellentepulvérisation. La turbosuralimentation récupère l'énergie disponible à l'échappement sur uneturbine pour entraîner un compresseur, lequel introduit l'air d'admission sous pression.L'augmentation de la quantité d'air introduite permet de brûler d'avantage de carburant et doncde produire plus d'énergie de combustion. Lorsque la turbine est équipée d'un système àgéométrie variable, des ailettes orientables dévient le flux de gaz entrant. Leur orientation,pilotée par le calculateur moteur en fonction des conditions d'utilisation, permet une meilleurerécupération de l'énergie échappement sur toute la gamme du régime moteur. Le moteurbénéficie ainsi d'un couple élevé à bas et haut régime.

Le véritable enjeu pour le futur du moteur diesel n'est pas relié au niveau de rendement qu'ildevra atteindre puisqu'il est déjà excellent et que les évolutions attendues de l'injection et de laturbosuralimentation vont conduire à de nouveaux progrès. Le véritable enjeu du moteur dieseltient plutôt dans sa capacité à respecter les futures normes d'émissions de polluants.

Les normes 2000 (EURO III) et de 2005 (EURO IV) (tableau 1) sont en effet différentes pourles véhicules équipés de moteur diesel et ceux munis de moteur à essence. Le moteur diesel, dufait de son mode de combustion avec excès d'air ne peut pas bénéficier de la catalyse 3 voiespour la réduction des oxydes d'azote. Cette particularité explique que la limite réglementaired'émission de NOx du moteur diesel soit moins sévère que celle du moteur à essence. Toutefoisle traitement des émissions de NOx par le biais de l'optimisation de la combustion ne suffira pluspour atteindre les niveaux exigés par les futures normes en 2005 et au-delà. De même lesémissions de particules de suies devront faire l'objet d'un post-traitement à l'échappement demanière à satisfaire une réglementation toujours plus sévère.

EURO III EURO IVg/km

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0,025Tableau 1 - Normes antipollution des automobiles européennes


C'est ainsi que de nombreuses technologies innovantes sont en préparation dans le but d'untraitement efficace et radical des émissions des moteurs diesel. Nous allons citer ci-après lesprincipales.

Les systèmes d'injection sont amenés à bénéficier de nouveaux progrès grâce notamment à lamise en œuvre de systèmes de commande piezo-électrique. La grande précision de la commandepermet de répartir la quantité injectée en de multiples injections (5 à 7 injections différentes) aucours du cycle thermodynamique. Cette technique permet, en modulant le processus decombustion, de réduire très fortement les émissions de CO, NOx et particules à la source. Ainsila petite quantité injectée la première (l'injection pilote) a pour objectif la réduction du bruit etdes NOx, celle injectée juste après l'injection principale, la réduction des émissions de suie.L'augmentation des pressions d'injection (1800 à 2000 bars) rendra possible une nouvelleréduction du diamètre des orifices d'injection pour atteindre des dimensions de l'ordre de 100 µ.L'amélioration de la pulvérisation du carburant qui en est une conséquence, permet ainsi deréduire également les émissions de suies. Les équipementiers fabricants de systèmes d'injectiontravaillent aussi sur des injecteurs à orifice de section variable : des trous de petite section sontutilisés à faible charge pour assurer la qualité de la pulvérisation et on augmente la taille desorifices pour augmenter le débit massique de carburant à pleine charge.

Les chambres de combustion feront l'objet de nouvelles optimisations pour tirer tout lebénéfice des futurs équipements d'injection. La qualité de la combustion et les émissions depolluants sont en effet très sensibles à des détails géométriques de la chambre de combustion. Laforme du piston doit donc être dessinée avec beaucoup de précision : les progrès considérablesqui ont été réalisés ces dernières années dans la modélisation tridimensionnelle de la combustionbénéficieront aux bureaux d'études.

Les systèmes de post-traitement des gaz d'échappement font aujourd'hui l'objet dedéveloppements importants dans le but d'éliminer les NOx et les particules de suies émis par lemoteur diesel.

Pour la réduction des émissions de NOx, deux technologies principales sont envisagées : laréduction catalytique sélective (SCR) et les pièges à NOx. La catalyse SCR dont l'application estsurtout envisagée pour les Poids Lourds, nécessite d'installer un réservoir supplémentaire remplid'un agent réducteur spécifique, en général de l'urée. L'urée est injecté dans la ligned'échappement, en amont du catalyseur qui libère de l'ammoniac suite à une réactiond'hydrolyse. L'ammoniac est produit en proportion stoichiométrique pour réduire les NOx, afinque leur élimination soit quasi complète au sein du catalyseur SCR et qu'il ne subsiste plusd'ammoniac en sortie. Un capteur de NOx est donc nécessaire pour assurer le contrôle del'injection d'urée. L'efficacité de ce système est assez importante : plus de 90% des NOx sontéliminés lorsque les gaz d'échappement sont situés dans la bonne fenêtre de température (200°C,550°C). Un avantage important de ce dispositif est que son efficacité est indépendante dusystème de combustion, l'inconvénient principal réside dans l'obligation d'embarquer unréservoir relativement volumineux d'urée.

Le piège à NOx fonctionne sur la base d'une alternance entre des périodes où le piège stocke lesNOx sous forme de nitrates et des périodes pendant lesquelles les NOx sont désorbés pour êtreréduits sur un catalyseur spécifique de type 3 voies. La régénération du piège s'effectue dans desconditions très précises de température et de mélange air-carburant : les gaz d'échappementdoivent être le résultat d'une combustion en excès de carburant par rapport à la stoichiométriepour que la réduction de NOx puisse être réalisée. Le contrôle moteur joue ici un rôlefondamental puisqu'il doit assurer que la succession des périodes de réglage pauvre et riche parrapport à la stoichiométrie ne se traduise ni par une augmentation des émissions des autrespolluants (HC, CO, suies) ni par des à-coup sur le couple moteur. Ce système nécessiteégalement un bon contrôle de la température d'échappement pour assurer un piégeage optimum


des NOx, entre 250°C et 550°C. Il exige également l'utilisation de carburant sans soufre (< 10ppm) faute de quoi, le piège se sature très rapidement de sulfates et devient inopérant. Dans lesconditions optimales, l'élimination des NOx est supérieure à 90% au prix d'une surconsommationmoyenne de 2 à 3%.

La deuxième grande technologie qui équipe déjà de nombreux véhicules de la gamme PSAPeugeot Citroën est le filtre à particules. L'efficacité de filtration de ces systèmes, en généralbasés sur des monolithes en céramique (carbure de silicium, cordiérite, etc.), est supérieure à95%. La principale difficulté réside dans la régénération du filtre après une période dechargement en suies : il s'agit de brûler la masse carbonée sans provoquer des contraintesthermiques excessives pour le matériau. La régénération spontanée du filtre s'effectue à unetempérature supérieure à 600°C, température rarement rencontrée dans les conditionsd'utilisation courante des véhicules diesel. Toutes les technologies de filtre à particules pourapplication à l'automobile proposent donc des dispositifs d'aide à la régénération. Toutesutilisent le contrôle de l'injection directe du carburant pour réaliser les conditions optimales detempérature en amont du filtre afin de faciliter la régénération : l'augmentation de la températureéchappement est obtenue notamment via le décalage de l'injection ou une post injection en fin dedétente.

L'ajout d'un additif catalytique dans le carburant permet d'abaisser la température de combustiondes suies à environ 450°C. Les additifs les plus connus sont à base de cérium et de fer. Lesystème FAP de PSA Peugeot Citroën inclut ainsi un réservoir supplémentaire pour l'additif quiest automatiquement ajouté au carburant à chaque remplissage. L'avantage de cette approcheréside dans sa fiabilité ; l'inconvénient principal est lié à l'accumulation de cendres dans le filtrece qui oblige à une opération de maintenance pour nettoyage à 120 000 km. PSA a cependantrécemment annoncé qu'il allait bientôt porter cette distance à 200 000 km.

Le filtre à régénération continue (CRT : Continuously Regenerating Trap) proposé notammentpar la société Johnson Matthey est basé sur l'utilisation de NO2 comme agent oxydant des suieset ne nécessite pas de procédure spécifique pour la régénération. Un catalyseur d'oxydation placéen amont du filtre transforme NO en NO2 lequel est utilisé pour oxyder les suies dans le filtre aufur et à mesure de leur piégeage. L'inconvénient de ce système est qu'il nécessite unetempérature d'entrée des gaz de l'ordre de 300°C ce qui n'est que rarement le cas lors de lacirculation en ville. Par ailleurs il est nécessaire de maintenir les émissions de base de NOsuffisantes pour oxyder les suies ce qui est une contrainte difficile à satisfaire. Enfin, la durée derégénération est relativement importante. Le filtre à régénération continue n'est donc guèreenvisagée pour l'automobile ; c'est en revanche un bon candidat pour les applications aux PoidsLourds qui du fait de leurs conditions d'utilisation (moteur fortement chargé) sont mieuxadaptés. Ce filtre nécessite cependant également l'utilisation d'un carburant à faible teneur ensoufre de manière à éviter la formation de particules de sulfates sur le catalyseur d'oxydation.

Le filtre imprégné sur les parois duquel un catalyseur d'oxydation a été déposé permet égalementd'abaisser la température de régénération. Ici encore l'augmentation de la température au niveaurequis pour la régénération est obtenue via une action du contrôle moteur sur l'injection decarburant. Ce type de filtre est également très sensible à la teneur en soufre du carburant qui doitêtre limitée (< 50 ppm) pour éviter l'émission de particules de sulfates.

Le couplage du piège à NOx et du filtre à particules permettra l'élimination des deux polluantssimultanément. Cependant, cela pose le problème du positionnement respectif des deuxdispositifs dans la ligne d'échappement. Celui-ci doit rester compatible avec les conditions detempérature nécessaires aux deux systèmes pour assurer leur bon fonctionnement et une duréede vie suffisante. Par ailleurs les deux dispositifs présentent des phases de régénérationpériodique (dénitratation et désulfatation pour le piège à NOx, combustion des suies pour lefiltre) opérées selon des processus différents. Les stratégies de contrôle moteur doivent donc


garantir un déroulement optimum de ces phases, en évitant les interactions néfastes voire enrecherchant les synergies. En général on préférera positionner le piège à NOx en amont du filtreà particules de manière à maintenir des conditions de température suffisantes.

La solution "ultime" est la catalyse dite "4 voies" qui élimine les 4 polluants (NOx, HC, CO,particules) simultanément. Il s'agit d'un filtre imprégné d'un revêtement de type piège à NOx quiréalise les fonctions de filtration des suies et de piégeage des NOx sur le même support.TOYOTA commercialise ainsi le système DPNR qui fonctionne selon ce principe. La difficultéde cette approche réside dans la nécessité de laisser les sites actifs qui assurent le piégeage et laréduction, des NOx, accessibles à la surface du filtre et éviter qu'une couche trop importante desuie ne les recouvre. La porosité du matériau céramique est donc particulièrement étudiée afinde limiter ce phénomène. La conception du support céramique doit de même éviter unaccroissement excessif de la perte de charge due à la présence du revêtement catalytique.

De nouveaux procédés de combustion sont également à l'étude dans le but de réduireconsidérablement les émissions de NOx et de suies à la source sans pénalité sur la consommationet les émissions de CO2. Le principe de ces nouveaux procédés de combustion est de rendre lemélange air-carburant beaucoup plus homogène dans la chambre de combustion. En abaissant latempérature de combustion et en évitant les zones trop riches en carburant, on réduit trèsfortement la formation des NOx et de suies. Alors que dans un moteur diesel traditionnel, lacombustion est contrôlée par le taux d'injection, ici c'est principalement le processus d'auto-inflammation qui doit être maîtrisé.

A titre d'exemple, le procédé IFP NADI (Narrow Angle Direct Injection) exploite un système decombustion constitué d'un injecteur dont l'angle du cône d'injection est très fermé (60° contre150° pour les systèmes traditionnels) et une chambre de combustion adaptée dans le piston. Cesystème permet d'injecter le carburant très tôt dans le cycle moteur sans risque de mouillage desparois du cylindre, évitant ainsi la dilution du carburant dans le lubrifiant. Cela permetd'augmenter le temps consacré à l'homogénéisation du mélange air-carburant avant que l'auto-inflammation ne se produise. Une adaptation du taux de compression et du taux de recyclage desgaz brûlés est utilisée pour assurer un calage quasi-optimum de la combustion, en modulant lavitesse des réactions d'auto-inflammation. Le procédé NADI permet de réduire les émissions deNOx dans un rapport 20 à 100 et les émissions de particules de suies dans un rapport de 5 à 10(figure 7). Les inconvénients de ce type d'approche résident dans une tendance à l'augmentationdes émissions de bruit, de CO et d'hydrocarbures imbrûlés. Ces problèmes sont résolus là encorepar le recours à des stratégies d'injection multiple adaptées pour la maîtrise du bruit et parl'utilisation d'un catalyseur d'oxydation pour l'élimination des HC et du CO. Une combinaisonentre nouveau procédé de combustion réduisant les émissions à la source et système de post-traitement avancé devrait donc permettre au moteur diesel de respecter les futuresréglementations anti-pollution malgré leur sévérité croissante.

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Figure 7 : Emission de particules et de NOx. Comparaison entre diesel conventionnel et combustion HCCI (procédé NADI). 1500 t/mn

2.2 Les moteurs à essence

Le système de post-traitement qui équipe les moteurs à essence est basé sur la catalyse 3 voiesqui élimine simultanément le CO, les HC et les NOx. Ce dispositif qui a depuis son introduction,bénéficié de nombreuses améliorations tant sur le plan de l'efficacité que sur celui de ladurabilité est aujourd'hui particulièrement performant. A titre d'exemple, les véhicules qui ontété homologués en Californie comme étant conformes à la réglementation SULEV (Super UltraLow Emissions Vehicle, avec une limite de NOx six fois plus faible que EURO IV) ne sont pastrès éloignés des véhicules conventionnels. Sur ces moteurs à essence, le post-traitement des gazd'échappement effectué par de la catalyse 3 voies est en général associé à un dispositif contrôlantl'aérodynamique interne et permettant d'améliorer la stabilité de combustion lors du démarrage àfroid, d'un collecteur d'échappement isolé thermiquement pour assurer une montée entempérature plus rapide du catalyseur, d'une injection d'air à l'échappement pour accélérerl'amorçage du catalyseur à basse température, d'un piège à HC qui les stocke à froid puis lesrestitue au catalyseur lorsque celui-ci est en température, d'un catalyseur d'amorçage placé auplus près de la soupape d'échappement et enfin d'un système de régulation de richesse trèsperformant. Il est donc possible d'atteindre des niveaux d'émissions extrêmement bas avec lecatalyseur 3 voies surtout lorsqu'on garde en mémoire que l'on peut en plus envisager de lepréchauffer électriquement avant le démarrage du moteur, solution déjà en série sur certainsvéhicules fortement motorisés.

Ces différents dispositifs ont bien sûr un coût mais sont extrêmement efficaces.

En réalité le véritable enjeu du moteur à essence c'est la réduction des émissions de CO2 et parconséquent l'amélioration de son rendement énergétique.

Le tableau 2 présente les différentes technologies qui peuvent être envisagées pour réduire laconsommation des moteurs à essence de telle sorte à réduire l'écart avec les moteurs dieselestimé aujourd'hui à environ 20%. La plupart des solutions proposées conduisent à une réductiondes pertes liées aux transferts de gaz et aux flux thermiques aux parois, dont l'effet est d'autantplus pénalisant aux faibles charges.


La première approche consiste à utiliser l'injection directe du carburant dans la chambre au lieude l'injection indirecte, quant à elle effectuée en amont des soupapes d'admission. RENAULT aainsi été le premier constructeur européen à mettre sur le marché un véhicule équipé d'un moteurà injection directe. Bien que fonctionnant avec un mélange air/carburant homogène etstoéchiométrique, ce moteur, utilisant le principe d'une forte recirculation de gaz brûléscombinait les avantages d'une consommation en carburant réduite à une augmentation du couplemaximum. Une autre approche vise à réaliser une combustion "stratifiée". Le contrôle del'injection permet de positionner un nuage riche en carburant au voisinage de la bougied'allumage et de remplir le reste de la chambre avec de l'air. Ce type de combustion nécessiteune optimisation poussée de la forme de la chambre et des caractéristiques de l'injection. Lastratification de la combustion est réalisée via un calage d'injection positionné non loin dumoment de l'allumage, au voisinage du Point Mort Haut du piston. La figure 8 donne unexemple de réalisation sur un moteur de 1,2 l de cylindrée. Les gains de consommation sont icide l'ordre de 20% à faible charge. Sur le cycle d'homologation, les gains attendus du fait de lamise en œuvre de l'injection directe et de la combustion stratifiée sont de l'ordre de 10 à 15%.L'inconvénient de ce procédé est qu'il n'est plus compatible avec la catalyse 3 voies du fait deson fonctionnement en mélange pauvre : il est donc nécessaire d'équiper la ligne d'échappementd'un piège à NOx qui a tendance à dégrader le gain en consommation et nécessite unealimentation du moteur avec des carburants peu soufrés (<10 ppm). En Europe, PSA Peugeot-Citroën et Volkswagen commercialisent déjà des véhicules équipés de ce type de moteur.

(à masse et motorisation identique du véhicule)Gain en consommation par rapport au moteur

conventionnel actuel(essence, catalyse 3 voies)

MOTEUR DIESEL

� Injection directe, turbo-suralimentation, "downsizing"20 à 25%

MOTEUR à ESSENCEAction sur la combustion� Injection Directe (IDE), combustion stratifiée� Combustion par Auto-inflammation (CAI)� Distribution variable� VVT, VVL admission + VVT échappement� soupapes électromécaniques ("camless")

Suralimentation par turbo et réduction de cylindrée

� injection indirecte� IDE + VVT, VVL admission� IDE + VVT, VVL admission + VVT échappement� IDE + VVT, VVL adm. + VVT échap. + VCR

10 à 15%10 à 15%

7 à 10%10 à 13%

10 à 15%18 à 20%

25%30%

MOTEUR NON CONVENTIONNEL

� véhicule hybride (essence ou diesel)� pile à combustible (basse température, avec ou sans reformeur

embarqué)

20 à 50%20 à 50%

Tableau 2 - Technologies envisagées pour la réduction de la consommation des moteurs(VVT : soupapes à calage variable, VVL : soupapes à levée variable, VCR : taux de compression variable)

L'automobile du futur : les tec

0

5

10

15

20

25

30

0 13

e

Gai

n en

con

som

mat

ion

(%)

1200 t/mn2000 t/mn

Figure 8 : Gains en consom

Les nouveaux procmêmes résultats qutechnologie du piègeinflammation et nonrétention dans le cylde la dilution du méémissions de NOx tnécessaire. Ce proctravaux d'optimisatigrande zone d'uticonventionnelle lors

Les systèmes de disréduction de la consélectronique, peuved'admission et d'échd'utilisation du motedépendent des posscontente de faire varle combine à un sysnombre de fonctionspécifique pour le "l'augmentation de la"downsizing"), la vsystème Valvetronicsoupape en continu,des gains en consoEnfin, la plupart decommandes hydraulles levées de soupan'importe quel momcoûteuses ouvrent dgain en consommati

ChargFaible charge Pleine

hnologies de l'IFP - 6 mai 2004 15

mation par rapport à la technologie conventionnelle (stoéchiométrie) réalisés avec l'injection directeet la combustion stratifiée ( cylindrée 1,2 l)

édés de combustion de type CAI (Controlled Auto Ignition) visent auxe l'injection directe et combustion stratifiée mais sans le recours à la à NOx. Selon cette approche, le mélange air-carburant est allumé par auto-

plus par la bougie d'allumage. Cette auto-inflammation est provoquée par laindre de gaz chauds issus de la combustion lors du cycle précédent. Du faitlange par une grande quantité de gaz résiduels, les pertes sont faibles et lesrès fortement réduites si bien qu'un système de post-traitement n'est plusédé cible une réduction de la consommation de l'ordre de 10 à 15%. Leson en cours visent à étendre le mode de fonctionnement CAI sur une pluslisation du moteur et à contrôler les transitions CAI-combustion des phases transitoires.

tribution variable constituent également une solution intéressante pour laommation des moteurs à essence. Ces dispositifs, pilotés par le calculateurnt faire varier le moment d'ouverture, voire la levée des soupapesappement et proposer des réglages optimaux en fonction des conditionsur. Les gains en consommation qui peuvent être obtenus (entre 7 et 13%)

ibilités du système. Le système le plus simple, déjà largement utilisé seier le calage angulaire de l'arbre à cames qui commande les soupapes. Si ontème double-levée commandé par l'hydraulique, on peut réaliser un certains induisant une amélioration du rendement : l'augmentation du coupledownsizing" du moteur, la réduction des pertes liées au transfert des gaz, vitesse de combustion, la déconnexion de cylindres (autre approche duariation du taux de compression. Le niveau supérieur est illustré par le mis en série par BMW. Ce dispositif permet de faire varier la levée de la ce qui conduit à une optimisation beaucoup plus poussée des réglages et àmmation relativement élevés (10% de gain sont revendiqués par BMW).s constructeurs étudient la possibilité d'implanter des systèmes, à base deiques ou électromagnétiques, qui seraient totalement flexibles. Dans ce caspe deviennent indépendantes d'un arbre à cames et peuvent se produire àent du cycle. Ces solutions, malheureusement relativement complexes ete nouvelles voies d'optimisation originales qui présentent un potentiel deon supplémentaire.


Cependant, l'approche du "downsizing" basée sur la suralimentation par turbocompresseur et laréduction de la cylindrée avec maintien des performances est probablement la plus prometteusesur le plan du potentiel de réduction des émissions de CO2. Cette approche peut être déclinée àdifférents niveaux de performance en fonction de la technologie qu'on est prêt à lui adjoindre.Par exemple, l'utilisation de l'injection directe de carburant présente un intérêt considérable. Eneffet lorsque le carburant est introduit dans le cylindre indépendamment de l'air, il est possibled'utiliser le flux d'air entrant pour balayer vers l'échappement les gaz brûlés chauds issus ducycle précédent et encore présents dans le cylindre. Ces gaz chauds sont en effet très néfastes àla combustion à pleine charge puisqu'ils ont tendance à générer du cliquetis, combustionanormale qui peut conduire à la destruction du moteur. Sur les moteurs suralimentés, on atendance à combattre l'apparition du cliquetis par la diminution du taux de compression dumoteur, au détriment du rendement. C'est ce qui est généralement pratiqué dans le cas del'injection indirecte, ceci explique que les gains attendus soient relativement limités dans cedernier cas : de l'ordre de 10 à 15% de réduction de la consommation. L'injection directe apporteplusieurs avantages. Tout d'abord, lorsqu'elle est associée à un système de distribution variable àl'admission, il est possible de balayer les gaz brûlés et donc d'augmenter le couple spécifique àbas régime. En injectant le carburant directement dans la chambre, on profite également durefroidissement provoqué par la vaporisation du carburant : si le jet d'injection est correctementpositionné, les frigories sont communiquées directement à l'air admis et non aux parois dumoteur. Cet effet de refroidissement permet d'augmenter la résistance du moteur au cliquetis etla densité de l'air admis. Ces deux effets ont des conséquences très positives sur le couplespécifique du moteur. Le gain en consommation peut atteindre 25% lorsqu'on équipe égalementle moteur d'une distribution variable à l'échappement. Un downsizing de l'ordre de 50%, c'est àdire le maintien des performances du moteur malgré une cylindrée deux fois plus faible, est alorspossible.

Des travaux visant à démontrer le potentiel de ce principe ont été initiés dans le cadre d'unecollaboration entre RENAULT et l'IFP. La figure 9 présente à titre d'exemple de réalisation concrète une comparaison entre deuxmoteurs à essence l'un à aspiration naturelle de 3 l de cylindrée, l'autre suralimenté de 1,8 l decylindrée, réalisé à partir d'une base moteur RENAULT modifiée. On constate que le plus petitmoteur atteint un couple équivalent au moteur de 3 l sauf peut être à très bas régime. Toutefois,l'écart de consommation en carburant sur le cycle d'homologation est de l'ordre de 21% aubénéfice du plus petit moteur.

0

50

100

150

200

250

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350

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000

Régime moteur (tr/min)

Cou

ple

max

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(N.m

)



Figure 9 : Exemple de downsizing : avec des performances maximales proches, le moteur de 1,8 l de cylindréepermet, en utilisation urbaine, une réduction de consommation de l'ordre de 21 % par rapport à celui de 3 l


Un dernier raffinement est envisageable pour atteindre des niveaux de réduction deconsommation de l'ordre de 30% : il s'agit de mettre en œuvre en combinaison avec l'approcheprécédente, un système à taux de compression variable. Ce dernier dispositif, quoiquerelativement lourd et complexe, permet de ne limiter le taux de compression qu'à pleine chargepour éviter le cliquetis et de maintenir des taux de compression élevés à faible charge pourconserver un bon rendement.

La figure 10 présente un exemple de disposition permettant la mise en œuvre du taux decompression variable ; il s'agit du système proposé par SAAB qui permet de faire varier le tauxde compression de 14:1 à 8:1 en fonction des besoins. Selon ce dispositif le volume de lachambre de combustion est modifié, par déplacement de la culasse par rapport au piston à l'aided'une articulation entre bloc moteur et culasse.

Figure 10 : Moteur à taux de compression variable SAAB.Le taux peut varier de 8:1 à 14:1 par inclinaison de la culasse sur le bloc moteur

3. L'avenir des motorisations non conventionnelles

Par motorisation non conventionnelle, on entend soit une remise en cause profonde del'architecture des systèmes de motorisation actuels, soit des moteurs ou systèmes de conversiond'énergie dédiés à un nouveau type de combustible tels que gaz naturel, éthanol ou hydrogène.Parmi les motorisations non conventionnelles ayant atteint un stade de développementsuffisamment avancé pour être soit déjà sur le marché soit envisagées pour une production ensérie avant 2020, on peut citer :

� les véhicules électriques� les véhicules hybrides� les véhicules à pile à combustible� les véhicules avec moteurs à combustion interne dédiés au gaz naturel ou à l'hydrogène

Les véhicules électriques ont suscité beaucoup d'intérêt dans le passé du fait de leurs avantagesintrinsèques. Ils ont fait l'objet d'incitations gouvernementales assez importantes (véhicules ZEVen Californie). Des opérations de démonstrations de grande ampleur ont été menées et pourtantce type de véhicule n'a jamais rencontré le succès attendu et sa diffusion est restéeconfidentielle. Bien sûr les avantages de cette motorisation sont bien réels : pas d'émissions depolluant, des émissions sonores très réduites, un couple au décollage élevé ce qui rend laconduite urbaine particulièrement agréable. Cependant le problème principal tient auxperformances limitées et à l'autonomie beaucoup trop réduite de ces véhicules, typiquement 100à 200 km en usage réel. Cette situation est essentiellement due aux performances encore


insuffisantes des batteries utilisées pour le stockage de l'énergie électrique à bord du véhicule.Les batteries de puissance doivent en effet posséder un certain nombre d'attributs pour convenirà une application embarquée. La densité de puissance exprimée en kW/kg doit être suffisammentélevée pour procurer des capacités d'accélération suffisantes et pour être capable de récupérerl'énergie au freinage. La densité d'énergie (exprimée en W.h/kg) doit être importante pourgarantir une autonomie suffisante sans entraîner une surcharge pondérale excessive. Enfin lenombre de cycles charge-décharge que pourra supporter la batterie est un paramètre importantpour sa durée de vie en utilisation réelle.

Malgré la mise en œuvre de nouvelles technologies, au côté des batteries au plomb, telles que lesbatteries nickel-cadmium, nickel métal hydrure ou lithium-ion et malgré les progrès déjà réalisésou à venir, il n'y a guère d'espoir que la densité d'énergie des batteries augmenteconsidérablement. La figure 11 présente les évolutions prévisibles entre 2005 et 2020. La densitéd'énergie d'une batterie haute performance typiquement de 120 Wh/kg restera très inférieure àcelle d'un carburant liquide, environ 12 500 Wh/kg.

1

10

100

1000

10000

100000

2000 2005 2010 2015 2020 2025Année

Ener

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spéc

ifiqu

e (W

.h/k

g)

Plomb

Nickel Metal Hydrure

Lithium-Ion

carburant

Fig 11 Evolution prévisible de l'énergie spécifique des batteries électriques. Comparaison avec celle d'un carburant d'origine pétrolière.

Le véhicule hybride équipé d'un système de motorisation mixte thermique/électrique permet decombler partiellement cette lacune. Un schéma de principe de ce type est présenté en figure 12.Celui-ci est équipé de deux systèmes de stockage d'énergie, d'une part un réservoir de carburantet d'autre part une batterie. Il possède également deux types de motorisation, thermique etélectrique. Dans la configuration la plus flexible, tout type de combinaisons est théoriquementpossible, le moteur thermique pouvant être utilisé aussi bien pour la recharge des batteries quepour l'entraînement du véhicule et le moteur électrique pouvant être utilisé aussi bien pourmouvoir le véhicule que pour récupérer son énergie de freinage. L'hybridation conduit donc à denombreuses voies d'optimisation de l'utilisation de l'énergie à bord du véhicule. Le véhiculehybride permet de réduire considérablement les émissions de polluants (un fonctionnement toutélectrique est même possible en ville par exemple) ainsi que la consommation (réduction de 40 à50% envisageable). Il faut cependant être conscient que l'hybridation conduit à embarquer deuxsystèmes de motorisation distincts, un système de stockage de l'énergie électrique (batteries ou


supercapacités) et de l'électronique de puissance. Cela correspond à un surcoût important et àune augmentation non négligeable du poids du véhicule. Cependant, l'intérêt de l'hybridationc'est également sa grande modularité ce qui permet d'envisager toute une gamme de possibilitésentre l'hybridation légère, à coût et performance modérés jusqu'à l'hybridation totale, àperformances et coût élevés.

Figure 12 : Schéma de principe d'un véhicule hybride thermique-électrique

Suivant le niveau de technologie mise en œuvre, on pourra par exemple appliquer les stratégiessuivantes (pour un véhicule de 1 300 kg environ) :

Fonctions Puissance dumoteur électrique

Gain enémissions de CO2

1 - Arrêt du moteur thermique au ralenti2 - 1 + récupération de l'énergie de freinage3 - 1 + 2 + downsizing du moteur thermique et assistance en accélération4 - 1 + 2 + 3 hybride total série/parallèle

2 kW

3 kW

10 kW

30 kW

8%

13%

30%

45%

Dans le cas de la stratégie d'hybridation totale série/parallèle, il est possible d'optimiser à chaqueinstant le point d'utilisation du moteur en fonction de la demande en puissance. Le couple peutêtre totalement découplé du régime et les phases de recharge des batteries mises en œuvre sur labase d'une stratégie de rendement maximum. Le contrôle moteur fait en sorte que le point defonctionnement du moteur soit toujours localisé sur une ligne optimale (figure 13).

Réservoir decarburant

Batterie

Moteurthermique

GénératriceElectroniquede puissance

Moteurélectrique

coup

le (N

m)


Figure 13 : ligne de fonctionnement optimum du système de motorisation d'un véhicule hybride

Les piles à combustible font l'objet de nombreux développements. Elles présentent de nombreuxavantages de principe tels que des émissions de polluants très faibles et potentiellement desémissions de CO2 également modestes à condition que la production d'hydrogène ne soit paselle-même génératrice d'émissions trop importantes.

Compte tenu de la complexité engendrée par la création d'un réseau de distribution d'hydrogène,des difficultés technologiques qui subsistent (stockage de l'hydrogène à bord du véhicule) et ducoût aujourd'hui excessif de cette approche, la plupart des analystes considèrent qu'uneproduction en série significative de véhicules équipés de piles à combustible est peu probableavant 2015-2020.

En tout état de cause, les enjeux restent importants avant que la pile à combustible puisse êtreenvisagée à grande échelle en particulier. On devra particulièrement :

� réduire le coût des composants qui est aujourd'hui d'un ordre de grandeur trop élevé. Uneréduction importante de la masse de platine déposée sur la membrane de la pile doitnotamment être réalisée

� améliorer le rendement effectif des piles à membrane polymère qui est aujourd'hui assezéloigné du rendement théorique du fait notamment de la consommation des auxiliaires(figure 14)

� définir un moyen de stockage de l'hydrogène à bord du véhicule qui soit à la foiséconomique et sûr

� définir et réaliser les infrastructures pour la distribution de l'hydrogène� définir les mesures et règles de sécurité relative à la conception des véhicules et à la

distribution de l'hydrogène� définir une ou des filières énergétiques pour la production de l'hydrogène à partir d'énergie

primaire. Les critères de ces filières sont : le coût de production, la disponibilité de la sourced'énergie primaire, l'efficacité énergétique et le cycle de vie caractérisé par de faiblesémissions de CO2


0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

0 20 40 60 80 100puissance (%)

rend

emen

t

rendementthermodynamiqueélément

pile

reformeur carburant

compression air

autres accessoires

convertisseur

Figure 14 : Cascade des rendements d'une pile à combustible à membrane polymère

Si un réseau de distribution d'hydrogène devient disponible on peut également envisager sonutilisation dans des moteurs à combustion interne dédiés à l'hydrogène. Les problèmesspécifiques qui se posent alors sont proches de ceux des moteurs à essence avec l'inconvénientd'une baisse importante du couple et de la puissance spécifique (-40 à 50%) par rapport àl'essence, qui doivent être rétablis par la turbosuralimentation. Cette solution est souventenvisagée comme une étape vers la pile à combustible puisqu'elle permet de commencer lavalidation de toute la filière hydrogène sans la nécessité de produire un grand nombre devéhicules équipés de ce convertisseur.

Le moteur dédié au gaz naturel est également considéré comme un très bon candidat du faitnotamment des qualités spécifiques de ce carburant. Les réserves de gaz naturel sont en effet trèsimportantes et estimées à 200 ans de production dans les conditions actuelles. Les gisementssont assez bien répartis sur la planète ce qui limite les risques de rupture d'approvisionnementliés aux problèmes géopolitiques. Les émissions de polluants sont potentiellement plus faiblesque celles des moteurs conventionnels, du fait des propriétés du gaz et leur toxicité et leurréactivité dans l'atmosphère sont moindres du fait de sa composition. Par ailleurs, le gaz naturelprésente un indice d'octane assez élevé (de l'ordre de 130) ce qui permet d'en tirer parti par uneaugmentation du rendement du moteur. Enfin du fait du faible rapport carbone sur hydrogène duméthane, les émissions de CO2 sont fortement réduites par rapport aux carburants d'originepétrolière (-23% environ à même énergie produite). Au final, un moteur optimisé au gaz naturelpeut prétendre à une réduction des émissions de CO2 de l'ordre de 5 à 10% par rapport à unmoteur diesel. Enfin, l'utilisation du gaz naturel dans un véhicule hybride est potentiellementl'une des solutions les plus performantes sur le plan des émissions de CO2 analysées selon unbilan du puits à la roue. Sur le plan technologique, les moteurs à gaz naturel sont souvent issusde la conversion de moteurs diesel ou à essence existants puisque le marché relativement réduitde ce type de motorisation n'incite pas à des développements lourds spécifiques. Dans le casd'une optimisation du moteur pour une utilisation du gaz naturel, deux approches sontenvisagées. La première est basée sur un downsizing poussé associé à la turbosuralimentation ;l'étape suivante, encore plus performante, consiste à intégrer un tel moteur dans un véhiculehybride. La mise en série de telles motorisations avancées est certainement amenée à sedévelopper tant pour des applications à des véhicules légers que pour les bus et les véhiculesurbains dans le cadre d'incitations de l'Union Européenne en vue de concourir aux objectifs deKyoto. La Commission Européenne a en effet publié une directive visant à une substitution


progressive des carburants conventionnels par du gaz naturel (2% en 2010, 5% en 2015, 10% en2020).

4. Quelles échéances pour l'application des technologies futures ?

La plupart des technologies qui ont été décrites plus haut nécessiteront encore de nombreuxdéveloppements avant de pouvoir être appliquées à une production en grande série. Il n'est pasdu tout exclu que des difficultés imprévues ne conduisent finalement au constat d'uneimpossibilité d'application. Ces difficultés peuvent être de toutes natures : économique,technique, commerciale, etc.

L'échéancier qui est présenté à la figure 15 se concentre sur les technologies susceptiblesd'apporter un gain significatif en matière d'émissions de polluants et de CO2 et qui a priori sontsusceptibles d'une application assez large. A titre indicatif, les échéances d'apparition sontdéfinies comme étant les dates à partir desquelles on estime qu'une technologie particulièrepourrait être amenée à équiper une part significative du parc automobile européen (typiquement1%). On prend également l'hypothèse que passé ce stade, la technologie considérée devraitcontinuer à se répandre ; c'est notamment le cas des technologies génériques dont les avantagessont cumulables. En ordonnée, on a fait figurer une échelle de l'estimation du risque d'échec dela technologie considérée. D'une manière générale, plus les développements nécessaires sontimportants, plus l'échéance sera lointaine et plus le risque d'échec sera grand.L'échéance de 2005 concerne des procédés qui sont déjà appliqués aujourd'hui et dont on pensequ'ils possèdent un potentiel suffisamment intéressant pour connaître un développementimportant au cours des prochaines années. A contrario, l'incertitude sur le déploiement en 2020de la pile à combustible est très grande compte tenu notamment du nombre de problèmes àrésoudre d'ici là.

D'une manière générale, les aspects réglementaires et fiscaux joueront un rôle considérable dansl'accélération ou le ralentissement de cet échéancier. En particulier, la suite de l'accord entrel'ACEA et la Commission Européenne sur les limites d'émissions de CO2 après 2008 ou encorel'ampleur des incitations en faveur du gaz naturel, des biocarburants ou de l'hydrogène serafondamentale pour entretenir les efforts de R & D et amener les différentes innovationsenvisagées sur le marché. Sur ce plan, et étant donné le risque élevé de certaines optionsnotamment les plus lointaines, il paraît important de respecter un équilibre entre solutions detransition et solutions à long terme et de maintenir un effort de développement sur différentessolutions concurrentes ou complémentaires.

S'il est difficile de prédire ce que sera la situation de l'Énergie et du Transport en 2020, on peutd'ores et déjà prévoir qu'il régnera une certaine diversité tant pour les sources d'énergie que pourles systèmes de motorisation. C'est cette diversité qu'il nous faut commencer à préparer et àgérer.


Risque croissant

- PAC- Hybride H2

- Hybride hydrogène- Hybride gaz naturel- Biocarburants (E)- Hybride diesel (D)

- Injection directe haute pression (E)- CAI (E)- Hybride total parallèle/série (E)

- Biocarburants (D)- Diesel HCCI (D)- Distribution variable (D)- Catalyse 4 voies (D)- Hybrides légers (E)

- Moteur dédié gaz naturel- Downsizing et injection directe (E)- Piège à NOx (D)

- Downsizing (D)- Piège à NOx (E)- Injection directe .- Combustion stratifiée (E)- Filtres à particules (D)- Distribution variable (E)

2005 2010 2015 2020 ----Année

Figure 15 : Echéances prévisibles pour une application significative des technologies futuresdans la motorisation automobile.

5. Conclusion

L'automobile, moyen de transport individuel par excellence, occupe une place très importantedans les économies modernes. C'est qu'il n'existe pas de véritable alternative à cet objettechnologique qui occupe désormais une place à part dans l'inconscient collectif et qui suscitedes sentiments mélangés de type passion-rejet de la part de nos concitoyens. Il paraît d'ores etdéjà acquis que le développement de l'automobile va se poursuivre même si tout le mondeconvient que les modes de transport alternatifs doivent également avoir leur place et être le pluspossible encouragés.

Dans ces conditions il est important que l'expansion de l'automobile et des transports routiers engénéral, s'inscrivent dans un contexte de développement durable et que des efforts importantssoient consentis pour réduire, voire faire disparaître certaines des nuisances induites.

En premier lieu, la réduction des émissions de polluants atmosphériques dus aux transportsroutiers reste une priorité importante. Il est donc probable que la sévérisation continue desnormes antipollution va se poursuivre au cours des prochaines années. En parallèle, leurcontribution aux émissions de gaz à effet de serre devra être réduite pour rendre compatible unecroissance continue, qui accompagne le développement mondial, avec les engagements de lacommunauté internationale vers une réduction importante des émissions de gaz tenus pourresponsables du changement climatique.


Dans ce mouvement qui vise à contrôler les conditions du développement de l'automobile, ilparaît certain que la technologie sera amenée à jouer un rôle considérable, comme cela a déjà étéle cas au cours des décennies précédentes.

Des innovations techniques importantes sont en préparation pour maîtriser les émissions depolluants des moteurs diesel modernes, qui sont par ailleurs très performants sur le plan desémissions de CO2. Les émissions de NOx et de suies seront réduites à la source via la maîtrise dela combustion, rendue possible par l'introduction de systèmes d'injection très performants,pilotés par un contrôle électronique sophistiqué. Les systèmes de post-traitement comme lesfiltres à particules et les pièges à NOx complètent le dispositif qui devrait conférer au moteurdiesel des émissions polluantes ultra basses.Le moteur à essence qui est pénalisé par un handicap d'environ 30% de surconsommation parrapport au moteur diesel va lui aussi bénéficier d'un grand nombre d'innovations technologiques.L'une des voies les plus prometteuses est le downsizing ou réduction de la cylindrée avecmaintien des performances. La combinaison de différentes technologies au premier lieudesquelles, la turbosuralimentation, l'injection directe d'essence et la distribution variablepermettront de réduire la consommation d'environ 25% par rapport aux technologiesconventionnelles d'aujourd'hui.

L'introduction des systèmes hybrides thermiques/électriques permettra également, au prixcependant d'une complexité et d'un coût économique accrus, de faire progresser le rendement dugroupe motopropulseur qu'il soit basé sur un moteur essence ou diesel. L'intérêt de lamotorisation hybride est qu'elle peut être mise en œuvre de manière progressive, partant desolutions relativement simples et peu coûteuses et évoluant vers plus de complexité et un coûtplus élevé mais associé à des réductions de consommation beaucoup plus importantes.

Il est probable que le futur se caractérise par une diversité des sources d'énergie et des systèmesde motorisation. Dans ce contexte, les moteurs dédiés à des carburants alternatifs comme le gaznaturel ou les biocarburants pourront trouver une place significative du fait de leur excellentpotentiel en matière d'émission nettes de CO2.

Les piles à combustible sont également envisagées mais à une échéance assez lointaine puisqu'ilfaudra d'abord traiter l'ensemble des problèmes posés par la mise en œuvre d'une filièreénergétique totalement nouvelle. La production d'hydrogène sans émissions connexes de CO2 estnotamment l'un des enjeux les plus importants.

-oOo-

Sur les 30 prochaines années, c’est la demande énergétiqueassociée aux transports, après celle de la production d’électri-cité, qui devrait progresser le plus rapidement. Aujourd’hui, cesecteur économique utilise presque exclusivement des pro-duits pétroliers. Cette dépendance pose à plus ou moins longterme des questions fondamentales : le rythme de renouvelle-ment des réserves pétrolières permettra-t-il d’assurer unapprovisionnement suffisant et pourra-t-on développer lesmoyens de réduire les émissions de gaz à effet de serre quecette activité génère. Cette période pourrait également voirémerger industriellement des solutions alternatives pour inflé-chir la hausse inexorable des émissions de CO2 et construire latransition de l’après pétrole.

La lutte contre les pollutions locales et globalesest devenue incontournable

Depuis les années 70, les industries pétrolières et automo-biles européennes se sont attaquées à la diminution des pol-luants locaux : monoxyde de carbone (CO), composés orga-niques volatils dont les hydrocarbures imbrûlés (COV, HC),oxydes d’azote (NOx), particules (PM) et ozone (causede la plupart des pics de pollution estivaux). Cette actions’est inscrite dans une démarche visant à répondre aux exi-gences et aux réglementations mises en place par les pou-voirs publics, notamment en Europe mais aussi aux États-Unis. Ce processus continu, qui touche maintenant un grandnombre de pays en développement, devrait conduire àune forte baisse de la pollution liée aux rejets des potsd’échappement.

Au cours des 30 dernières années, les émissions de polluantslocaux des véhicules neufs ont été réduites dans un facteur 10à 100. Parmi les évolutions marquantes au plan technologique

qui ont permis une telle évolution, les développements sui-vants méritent d’être mis en exergue :

– la généralisation de l’essence sans plomb et la diminutionde la teneur en benzène ;

– le pilotage électronique des grands paramètres du contrôlemoteur et l’amélioration des systèmes d’injection et de lacombustion ;

– la « systématisation » des pots catalytiques pour les véhi-cules à allumage commandé (essence) à partir des années90, dont l’efficacité devrait encore progresser ;

– enfin, les diminutions progressives des teneurs en soufredes carburants qui vont être abaissées à nouveau en 2005(50 ppm) et 2008 (10 ppm).

Le législateur européen, aujourd’hui à l’initiative de toutesles réglementations, va poursuivre les efforts de réduction deces polluants, en particulier les oxydes d’azote, l’ozone etles particules. Cette politique porte ses fruits même si le tauxde renouvellement du parc automobile et l’accroissementdu trafic peuvent en masquer partiellement l’impact. Lesémissions de CO2 n’ont pas suivi cette tendance et vontconstituer aujourd’hui l’axe principal des actions des pou-voirs publics.

En effet, selon le scénario de référence de l’AIE (scénariotendanciel qui n’inclut pas de politique volontariste dans ledomaine), les émissions mondiales de CO2 du secteur del’énergie devraient progresser de 23 Gt en 2000 à 27 Gt en2010 pour atteindre 38 Gt en 2030 : cette progression de prèsde 65 % sur la période 2000-2030 serait principalementconcentrée dans les deux secteurs de la production d’électri-cité et des transports. Lorsqu’on décompose les émissionsmondiales de CO2 par secteur, la part des transports devraitainsi augmenter de 40 % en 2000 à 45 % en 2030.

le point sur

Moteurs/carburants : quelles évolutions sur le long terme

Toutes les études de prospective énergétique menées à l’horizon 2030 convergentsur un maintien de la part du pétrole dans le bilan énergétique mondial àhauteur de 40 % et sur une forte croissance de la demande pétrolière (+ 60 %)d’ici à 2030, tirée par les pays en voie de développement. Dans ce contexted’augmentation de la consommation pétrolière mondiale, un des défis majeursdes industries pétrolière et automobile est de limiter la progression desémissions de CO2 du transport routier en mettant en œuvre des solutionstechnologiques innovantes, aussi bien en termes de motorisation que de sourcesd’énergie.

le point sur


Fig. 1 Émissions mondiales de CO2 par secteur (Mt)

Source : AIE 2002 IFP/DEE, 2003

Même si ces scénarios ont plus pour vocation d’alimenter lesréflexions sur des futurs possibles que prédire l’avenir, ilapparaît clairement une nécessité d’action en la matière.

La diminution des consommations d’énergie et des émissionsde gaz à effet de serre liées aux transports passera par des avan-cées technologiques, même si les aspects sociétaux (modes detransport, urbanisme, etc.) seront également déterminants.Aujourd’hui, il ne se dégage pas clairement de solutionstechnologiques uniques mais plutôt un ensemble de possibi-lités qui doivent être examinées et pourrait être combinées pourrépondre aux problèmes des gaz à effet de serre.

Le transport routier est ainsi un système où les développe-ments moteurs et carburants sont interdépendants.

Une multitude de réponses : des carburantsd’aujourd’hui...

À l’échelle mondiale, les carburants issus du pétrole consti-tuent 98 % de l’énergie utilisée par les transports routiers(100 % dans le domaine aérien à l’exception du « spatial »).Ces carburants ont déjà fait l’objet de nombreuses améliora-tions et, au-delà des évolutions déjà programmées, il n’estpas exclu que de nouvelles spécifications soient misesen œuvre d’ici à 2020, soit pour répondre aux objectifs dequalité de l’air de l’Union européenne, soit pour répondreaux éventuelles exigences de nouveaux modes de combus-tion des moteurs à allumage commandé et Diesel (CAI,HCCI, etc.).

Au-delà, pour réduire les émissions de CO2 des automobiles,une voie d’action consiste à mettre en œuvre ce qu’onappelle des énergies alternatives. Certaines sont déjà utiliséesdepuis fort longtemps, initialement le plus souvent pour

réduire les pollutions ou réduire une dépendance au pétrole(cas du Brésil) : le gaz naturel (GNV), les gaz de pétroleliquéfiés (GPL) et les biocarburants, ne représentant toute-fois, aujourd’hui, qu’une vingtaine de Mtep, soit moinsde 2 % du total de l’énergie utilisée dans les transports auplan mondial. À la fin de l’année 2003, la Commission euro-péenne a proposé des objectifs de pénétration des carburantsde substitution qui devraient représenter 23 % de la demandede carburants en 2020 : 10 % de gaz naturel, 8 % de biocar-burants et 5 % d’hydrogène. Ces objectifs apparaissentaujourd’hui très ambitieux.

Bien qu’une généralisation de l’utilisation du GPLccomme carburant automobile ne soit pas réaliste sur l’en-semble du parc, notamment pour des questions de disponibili-tés locales/régionales ou de réseaux de distribution, lesvolumes mondiaux mobilisables pour des applications autransport pourraient être à l’avenir assez importants.

L’utilisation du GNV dans les transports ne représenteégalement qu’une très faible part de la consommation globalede cette source primaire d’énergie (essentiellement utiliséepour la production d’électricité et le chauffage) et du parcautomobile mondial. La nécessité d’un stockage à haute pres-sion et la mise en place d’une infrastructure relativementlourde limitent un développement de masse. Son potentiel leplus important porte sûrement sur les flottes de véhicules cap-tifs amenées à réaliser de nombreux déplacements dans lescentres urbains. Toutefois, certaines expériences de « distri-bution à domicile pour le particulier » font l’objet derecherches. Sur un moteur optimisé au gaz naturel, une réduc-tion des émissions de CO2 de 5 à 10 % par rapport au moteurDiesel est possible.

Les deux principaux biocarburants, qui font l’objet dedéveloppements industriels, sont l’ester méthylique d’huilevégétale (EMHV) et l’éthanol. Leur coût est un des freinsimportants à une utilisation plus générale, même si dupoint de vue environnemental le bilan est plutôt positif, enparticulier vis-à-vis du CO2.

– Jusqu’à 5 %, l’EMHV est distribué à la pompe de manièretout à fait transparente pour l’utilisateur, et aujourd’hui,une partie des raffineries françaises l’incorpore aux carbu-rants vendus dans des proportions variant de 2 à 5 %.

– L’éthanol a surtout été utilisé à la suite des chocs pétroliersde 1973 et 1979 comme carburant en remplacement dusupercarburant au Brésil et dans une moindre mesure auxÉtats-Unis. Dans les pays européens, l’éthanol n’est géné-ralement pas utilisé directement comme carburant, du faitdes difficultés liées au stockage du mélange et à l’impactsur la volatilité. Il est plutôt employé sous sa forme éther(ETBE : produit à partir d’isobutylène et d’éthanol).

Autres Transport Industrie

2000 2010 2020 2030

39%41%

44%

46%

+ 15%

+ 17%

+ 18%

20 000Mt

10 000

120

le point sur


Toutefois, les volumes consommés par exemple en Europerestent limités, moins de 0,4 % de la consommation d’es-sence et de gazole de l’Union européenne, et leur développe-ment continuera de nécessiter des subventions publiquesimportantes.

aux carburants de demain...

Sur le moyen terme, la production de carburants liquides,essence et/ou gazole, peut être envisagée non plus uniquementà partir de pétrole, mais aussi à partir d’autres ressourcestelles que le gaz naturel, le charbon et la biomasse.

Les technologies GTL (Gas to Liquids) utilisant la syn-thèse Fischer-Tropsch, offrent de nouvelles voies pos-sibles de valorisation du gaz naturel avec la productionde produits pétroliers de très bonne qualité. Ces techno-logies intéressent de nombreux opérateurs. Le coût de cetype d’installation a été fortement réduit au cours des der-nières années. Alors que les projets affichent un coût d’in-vestissement de plus de 50 000 $/b/j au début des années 90,le coût d’investissement des projets actuels est évalué entre20 000 et 35 000 $/b/j. Des progrès importants en matière deperformances des procédés combinés à une augmentationsensible de la taille des projets (12 000 b/j au début desannées 90, 30 000 à 75 000 b/j aujourd’hui) ont permis unetelle réduction.

De la même manière, on peut envisager la voie CTL (Coalto Liquids), plus coûteuse, mais réalisable techniquement :cette solution est attrayante pour des pays possédant d’impor-tantes ressources de charbon. Ces dernières qui représententplus de 200 années de production au rythme actuel sontconcentrées dans des pays tels que la Chine et l’Inde quiseront de plus en plus consommateurs d’énergie dans lesannées à venir. Une étude récente menée par l’IFP montreque, pour un prix de la tonne de charbon de 30 $, la solutionCTL peut s’avérer compétitive par rapport aux filières tradi-tionnelles, dès lors que le prix du baril reste durablement à unniveau supérieur à 35-40 $/b. Il est important de soulignerque peu d’efforts de recherche ont été faits dans ce domaineau cours des 20 dernières années.

Cependant, ces deux filières, si elles répondent à l’objectifde réduire la part du pétrole dans les transports, ne pourrontêtre envisagées massivement que si leurs émissions de CO2importantes sont traitées en optant par exemple pour leurcapture et leur séquestration dans des formations géolo-giques adaptées.

La dernière ressource envisageable pour produire des car-burants liquides de type pétrolier est la biomasse (Biomassto Liquids ou BTL). Dans un premier temps, les matières pre-mières collectées sont transformées en « gaz de synthèse »

puis en produits liquides par le procédé Fischer-Tropsch pourobtenir du gazole. Pour ce produit, les coûts exprimés enEuros par tonne équivalent Diesel sont très élevés, de l’ordrede 700-800 €/tep. Cette filière en est encore au stade de larecherche-développement et d’opération de démonstration, enparticulier dans le cadre de projet européen.

Sur le long terme, l’hydrogène peut être envisagé commeun carburant. Aujourd’hui utilisé à 99 % comme gaz indus-triel, l’ammoniac est aujourd’hui le secteur le plus consom-mateur d’hydrogène (50 %), devant le raffinage (37 %), lasynthèse de méthanol (8 %) et enfin, la production d’autresspécialités chimiques. Seul 1 % du volume mondial estaujourd’hui valorisé à des fins énergétiques dans le secteurspatial. Les énergies fossiles sont les sources d’énergie lesplus utilisées pour produire l’hydrogène : ainsi le vaporéfor-mage du gaz naturel est aujourd’hui la technologie la pluscommunément employée pour une production en grandesquantités et à moindre coût. La production d’hydrogène partransformation de la biomasse est une voie attrayante, quinécessite des travaux de R&D importants. Enfin, malgré soncoût actuel très élevé et son rendement énergétiquemédiocre, l’électrolyse de l’eau est la principale voie de pro-duction de l’hydrogène à partir de composés non fossiles :toutefois, son véritable intérêt « environnemental » sera alorsdirectement la conséquence du mode de production de l’élec-tricité utilisé. En outre, la mise en place d’une logistique(transport par pipeline, stockage intermédiaire, stockage àbord du véhicule) soulève également des difficultés tech-niques et des surcoûts très importants.

Cependant, l’intérêt environnemental des carburants nepeut se mesurer réellement qu’en intégrant l’efficacité desconvertisseurs, du moteur à allumage commandé au moteurélectrique.

en passant par les progrès continusdes moteurs traditionnels…

L’essentiel de la réduction nécessaire des GES devra être réa-lisé au niveau des moyens de propulsion des véhicules.L’allègement des véhicules est une autre voie d’action maisdont l’efficacité est limitée du fait des exigences de confort etde sécurité des consommateurs

Dans les années récentes, le développement et la généralisa-tion de l’injection directe haute pression ont permis uneréduction significative des consommations unitaires des véhi-cules, notamment Diesel.

Le moteur Diesel, notamment grâce aux évolutions dues àl’injection directe, présente, du fait de son principe de com-bustion, une consommation en carburant et des émissions deCO2 inférieures de 30 % environ à celles du moteur à essence

le point sur


équivalent. Cette performance associée à la pénétration crois-sante du moteur Diesel dans le parc automobile a, jusqu’àaujourd’hui, permis que les engagements pris par lesconstructeurs automobiles européens en matière de réductiondes rejets de CO2 soient respectés.

Le véritable enjeu du moteur Diesel sera de respecter lesfutures normes d’émissions de NOx et de particules quiimpliquera des systèmes d’injection plus efficaces et rendratrès probablement nécessaire l’installation de post-traitementà l’échappement : réduction sélective catalytique ou piège àNOx et filtres à particules, avec un couplage optimisé pos-sible, voire un système unique (catalyse « quatre » voies).

En revanche, pour le moteur à allumage commandé, l’enjeurestera la réduction des émissions de CO2 et donc, l’amélio-ration de rendement énergétique. Le recours à l’injectiondirecte est une possibilité intéressante qui pourrait aboutir àdes économies de 10 à 15 %, mais qui présente l’inconvé-nient de ne pas être compatible avec la catalyse trois voies etnécessiterait d’installer un post-traitement de type piègeà NOx.

Un autre axe de progrès est l’approche downsizing, c’est-à-dire la réduction de cylindrée avec maintien des perfor-mances, en particulier du couple à bas et haut régime, avecune utilisation systématique de la turbosuralimentation, quipourrait conduire à des réductions de l’ordre de 5 à 10 %.Associé à de l’injection directe et à de la distributionvariable, ce principe permettrait d’envisager des gains de 25à 30 %.

Aujourd’hui, les avancées technologiques et les recherchesen cours autour des moteurs à combustion interne per-mettent donc d’espérer des gains en consommation (selonles solutions) de 10 à 30 % par rapport au moteur conven-tionnel actuel.

Certains de ces progrès sont toutefois limités par la nécessitéde contrôler les émissions de NOx, notamment. Pour s’affran-chir de cette contrainte, de nouveaux modes de combustionfont actuellement l’objet de recherches intensives au planeuropéen : « HCCI » (Homogeneous Combustion Compres-sion Ignition) pour le moteur Diesel ou « CAI » (ControlledAuto Ignition) pour le moteur à essence. Ces deux modesaboutissent à des réductions de l’ensemble des polluants deplus de 90 %.

La prochaine évolution attendue dans la filière « moteursà combustion interne » est le véhicule hybride. Il s’inscritdans la continuité par rapport au véhicule à combustioninterne actuel. Il ne nécessite pas en effet de modificationsou d’évolutions lourdes des infrastructures de distributionet il offre de bonnes opportunités de réduction des consom-mations d’énergie et des émissions de CO2 au niveau du

véhicule. Les solutions alternatives de type véhicule hybride(essence ou Diesel) permettent d’envisager 10 à 40 % entermes de gain de consommation par rapport au moteurconventionnel actuel, selon les technologies mises en œuvre.Toyota a été le premier constructeur à avoir proposé un véhi-cule hybride essence dans sa gamme à la fin des années 90 :il s’agit de la Toyota Prius dont le constructeur japonais vaproposer la deuxième version. Honda et Nissan proposentégalement un véhicule hybride dans leurs gammes respec-tives. Le constructeur américain General Motors projette decommercialiser des véhicules pour les modèles fortementconsommateurs de carburants (4 × 4, SUV). Quant auxEuropéens, ils portent pour l’instant un intérêt limité pour cetype de motorisation en raison du succès commercial et tech-nologique du Diesel.

jusqu’aux solutions de rupture technologiquesur le long terme

Sur le long terme, deux types de solution de rupture se déga-gent autour du moteur électrique : les véhicules utilisant desbatteries ou tout autre système pour le stockage de l’électri-cité, ou des piles à combustible (PAC) produisant l’électriciténécessaire à bord du véhicule.

Les véhicules électriques ont suscité beaucoup d’intérêtdans le passé du fait de leurs avantages intrinsèques lorsde la prise de conscience des problèmes de pollutionlocale. Cette motorisation présente plusieurs avantages :aucune émission de polluants, des émissions sonores trèsréduites et une conduite urbaine agréable. En revanche, cettefilière présente une série de difficultés : un temps de rechargetrop long, des performances limitées et une autonomie beau-coup trop réduite de ces véhicules, de 100 à 200 km en usageréel. Cette situation est essentiellement due aux performancesencore insuffisantes des batteries utilisées pour le stockage del’énergie électrique à bord du véhicule. Malgré la mise enœuvre de nouvelles technologies (batteries Nickel-Cadmium,Nickel métal hydrure ou Lithium-ion), celles-ci présententencore des énergies spécifiques (en Wh/kg) dans un rapport 1à 100 avec les carburants liquides. Le véhicule « pur » élec-trique reste donc très en deçà des performances d’un véhiculeconventionnel et est fortement concurrencé par le véhiculehybride et la pile à combustible.

De fait, l’avenir de l’hydrogène dans les transports esttrès lié à celui des piles à combustible : en effet, si entermes de CO2 l’efficacité demeure excellente, son utilisationdans un moteur conventionnel offre peu d’avantages entermes de consommation d’énergie et de rejets de polluantstels que les oxydes d’azote. En revanche, le coût au niveau duvéhicule est plus réduit.

le point sur


Sans autres émissions que de la vapeur d’eau (dans le casd’hydrogène embarqué), le véhicule à PAC fonctionnant àl’hydrogène peut apparaître, au premier abord, comme uneréponse au problème des émissions de gaz à effet de serre etune alternative au véhicule à batterie en tant que véhicule« zéro émissions ».

Mais le développement de la filière PAC se heurte toutefois,quelle que soit la solution étudiée (hydrogène stocké à borddu véhicule ou hydrogène produit à bord du véhicule), à plu-sieurs difficultés majeures :

– Dans le cas d’une production centralisée d’hydrogène, ilfaut mettre en place les infrastructures de production, unvéritable réseau de distribution et des technologies destockage embarquées d’hydrogène. Dans ce cas, le bilanCO2 de la filière est complètement dépendant du mode deproduction de l’hydrogène et/ou du développement de lacapture/séquestration du CO2.

– Dans le cas de solutions embarquées, il reste à mettre aupoint des technologies de production de l’hydrogène com-patibles avec les contraintes de fonctionnement d’un véhi-cule (démarrage, fonctionnement transitoire, etc.) et àsélectionner le carburant liquide adéquat (méthanol, étha-nol, naphta, etc.). En produisant l’hydrogène à bord duvéhicule, le bilan CO2 ne présente pas nécessairementd’avantages significatifs par rapport aux autres solutions.Il semble que General Motors ait décidé d’écarter définiti-vement cette solution de son programme de R&D et que le« Department of Energy » américain devrait se prononcersur cette option au cours de l’année 2004.

Enfin, un des freins majeurs au développement de laPAC est son coût relativement élevé. Le coût des pilesfabriquées aujourd’hui (de type PEM ou basse température)est supérieur à 3000 €/kW à comparer aux 30 à 50 €/kWpour les moteurs à combustion interne conventionnels, pro-duits en séries. Lorsqu’on envisage la mise en production deplusieurs centaines de milliers d’exemplaires de PAC, l’avan-tage reste au moteur à combustion interne puisque le coût deproduction des piles (hors moteur électrique et système destockage) reste compris entre 100 et 200 €/kW(1), soit trois àquatre fois plus que celui d’un moteur conventionnel, mêmesi certaines études retiennent des scénarios où ce coût seraitramené dans la fourchette 50 à 100 €/kW.

Cependant, la PAC représente une option sur le long terme oùles progrès technologiques sont possibles et peuvent laisserentrevoir l’amélioration des performances et la diminutiondes coûts.

(1) Sources : DOE et DTI, « DFMA Cost Estimates of Fuel-Cell/Reformer Systems at Low/Medium/High Production Rates », Brian D. James, Greg D. Ariff, Reed C. Kuhn Future CarCongress 2002, 4 June 2002.

Deux critères de décision : les bilansenvironnementaux et économiquesdes différentes solutions alternatives

La comparaison de l’ensemble de ces filières doit se faire enintégrant essentiellement le bilan en termes d’effet de serre(les bilans énergétiques en MJ/100 km et les émissions deCO2 exprimées en gramme de CO2 équivalent par km) et lecoût économique.

De la récente analyse des filières de carburants convention-nels et alternatifs menée au niveau européen « Well-to-Wheelsanalysis of future automotive fuels and powertrains in theEuropean context », publiée récemment et réalisée dans lecadre d’une association des constructeurs automobiles euro-péens (EUCAR), de la Commission européenne (JRCISPRA) et des pétroliers (CONCAWE) et en prenant commeréférence le gazole avec moteur à injection directe. Letableau 1 en présente les résultats les plus marquants. Lesvaleurs sont bien sûr indicatives car elles reflètent de nom-breuses hypothèses qui peuvent être discutées.

Pour chacune de ces sources d’énergie, dès que l’on envisagel’option « hybride », le gain en termes d’émissions de CO2par rapport aux motorisations classiques peut aller de 10 %pour l’hydrogène jusqu’à 25-30 % pour les solutions clas-siques (essence, gazole) ou alternatives (gaz naturel, biocar-burants, etc.).

Pour les filières avec moteur à combustion interne, lesmeilleurs résultats en termes de CO2 sont obtenus à l’horizon2010 avec les solutions utilisant la biomasse, le gaz naturel etles systèmes hybrides.

À côté de ce bilan environnemental, il est important d’exa-miner les coûts des différentes solutions alternatives pourévaluer leur performance économique. Le tableau 2 reprendl’ensemble des coûts de production et de distribution issus dela même étude européenne : les premiers sont liés au modede production et au coût de l’énergie primaire utilisée alorsque les seconds vont plutôt représenter les différences dues àl’état physique du carburant (liquide ou gazeux) et auxconditions d’exploitation (toxicité, sécurité, etc.). Ces coûtssont calculés sans prendre en compte l’investissement initialdans le véhicule.

À titre d’exemple, le surcoût d’un véhicule au gaz naturelpar rapport à un véhicule équivalent essence pourrait êtreréduit à terme dans une fourchette allant de 1200 à 2000 €(Rapport 2003 de l’Alternative Fuel Contact Group pour laCommission Européenne). Pour les PAC de type PEM, lesordres de grandeur sont d’une autre ampleur, ainsi le surcoûtlié à la seule présence de platine (20 €/kW) sur la membranereprésente les deux tiers du coût d’un moteur à essence

le point sur

Moteurs/carburants : quelles évolutions sur le long termele point sur

Tableau 2Coût de revient au kilomètre des différents carburants

ConsommationCoût du

Coût(MJ/100 km)

carburant(€/100 km)

(€/GJ HT)

MCI* + essence 2002 224 8 1,8

MCI* + gazole 2002 183 8 1,5

MCI* hybride+ gazole 2010

148 8 1,2

MCI* + GNC 2010 193 7,5 1,4

PAC + H2 comprimé ex-gaz

84 25 2,1

PAC + H2 comprimé ex-charbon 84 32 2,7

PAC + H2 comprimé ex-biomasse

84 37 3,1

PAC + H2 comprimé ex-électricité France

84 42 3,5

MCI* + EMHV 2002 183 12 2,2

MCI* + éthanol 2002 224 21 4,7

Diesel FTex-bois 2002

183 20 3,7

* MCI : moteur à combustion interne.

Source : IFP

(30 €/kW) ; plus globalement les estimations les plus favo-rables aboutissent à des « coûts de production à terme »(incluant les effets de masse et des avancées technologiques)de l’ordre de 100 à 200 €/kW (contre plus de 3000 €/kWaujourd’hui), soit un surcoût au niveau du véhicule de 5000 à10 000 €.

Cette analyse montre que le surcoût aux 100 km par rapportaux solutions conventionnelles varie de 15 à plus de 100 %pour les options hydrogène/PAC, avec l’hypothèse pourtanttrès favorable que la PAC est proposée à un coût équivalent àcelui des moteurs à combustion interne.

L’éthanol, dont le coût est trois fois supérieur à celui des car-burants classiques, est pénalisé par son contenu énergétiquequi est inférieur d’environ 1/3 à celui de l’essence. Seule lamise en place d’une défiscalisation peut donc permettre auxbiocarburants d’être aujourd’hui compétitifs. D’autant plusque les biocarburants bénéficient en outre d’une aide indi-recte via la Politique Agricole Commune (PAC). Enfin, si lafabrication de carburants de synthèse à partir de biomasseprésente un bilan CO2 très avantageux, le coût de revientpour 100 km est du même ordre que pour la filière éthanol.

Dans l’étude européenne précédente, un scénario de pénétra-tion de 5 % des solutions alternatives a également été testé

Tableau 1Bilan CO2 « du puits à la roue » des carburants conventionnels et alternatifs

Énergie Origine MoteurÉnergie

g éq. CO2/km g CO2/km relatifMJ/100 km

Diesel 2002 Pétrole D/ID* 212 164 1,00

Essence 2002 Pétrole AC* 255 196 1,20

Diesel hybride 2010 Pétrole D/ID + FAP 171 131 0,80

Essence hybride 2010 Pétrole AC/ID 186 141 0,86

Diesel FT 2010 Gaz naturel D*/ID + FAP 216 164 1,00Diesel FT 2010 Bois D*/ID + FAP 393 20 0,12

GNC 2002 Gaz naturel AC* 256 152 0,93GNC 2010 AC* 216 127 0,77

Éthanol 2010 Betterave AC*/ID 529 97 0,59EMHV 2010 Oléagineux D*/ID + FAP 382 90 0,55

H2 comprimé Nucléaire PAC* 566 7 0,04H2 comprimé Gaz naturel (mix UE) PAC* 173 98 0,60

H2 liquide Gaz naturel (mix UE) PAC* 221 135 0,82H2 liquide Électricité UE PAC* 491 222 1,35

* AC : allumage commandé – D : Diesel – ID : injection directe – FAP : filtre à particule – PAC : pile à combustible.

Source : « Well-to-Wheels analysis of future automotive fuels and powertrains in the European context », EUCAR, JRC, CONCAWE, November 2003


au niveau européen : le coût exprimé en euros par tonne deCO2 évitée varie alors de 200 €/t pour les solutions hybrides,à 300 €/t pour les biocarburants, jusqu’à 600 €/t pour l’hy-drogène embarqué et 5000 €/t dans le cas d’une productiond’hydrogène à bord du véhicule. Les solutions alternativesvont donc nécessiter des progrès significatifs pour espérerêtre compétitives.

Un avenir ouvert sur une multitude de solutions potentielles

En ce début de XXIe siècle, le transport routier doit faire faceà un défi majeur pour les cinquante prochaines années : inflé-chir la tendance à la hausse des émissions de CO2 d’ici à 2030.À court terme, l’utilisation des biocarburants offre l’avantaged’avoir l’impact le plus rapide sur les émissions de gaz à effetde serre. Les solutions hybrides semblent présenter également

un bon compromis environnement/coût. À plus long terme, lacompétition est ouverte entre le véhicule à moteur et toutes sesaméliorations techniques envisageables et un véhicule élec-trique où l’énergie est stockée à bord du véhicule, soit dans lesbatteries améliorées, soit en utilisant un système PAC-H2.

Cependant, la réponse à l’effet de serre ne sera pas uniquementtechnologique. Il faudra prendre en compte les composantes« sociétales » et « comportementales » qui auront leur impor-tance en initiant des solutions de réorganisation des trans-ports (promotion du rail, aménagement du territoire).

Bernard Bensaï[email protected]

Jean-François [email protected]

Manuscrit définitif remis le 15 décembre 2003

le point sur

www.ifp.fr

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En Amérique du Nord, la technologie Diesel dans les voi-tures a été marginalisée dès le début des années 70 etdemeure actuellement l’apanage des poids lourds. Lesmoteurs Diesel n’équipent aujourd’hui que 0,1% du parc devéhicules légers des États-Unis. Une situation qui ne semblaitpas devoir évoluer jusqu’à une date récente, dans la mesureoù l’opinion publique américaine semblait réticente à leurréintroduction (moteurs peu performants) et que cette techno-logie avait une image négative au plan environnemental.

En dépit de ce handicap, les pouvoirs publics, tant au niveaunational qu’au niveau local, et les industriels semblent réexa-miner leur position sur le Diesel en raison des progrès accom-plis par cette technologie au cours des dernières années et desenseignements de l’expérience européenne. Alors que laquestion des gaz à effet de serre et, dans une moindre mesure,celle de la dépendance énergétique se posent aux États-Unisavec une acuité croissante, les prémices d’un éventuel retourde la motorisation Diesel se précisent.

La contrainte environnementale

Selon l’US Energy Information Administration (EIA), lesÉtats-Unis seraient responsables d’environ un quart des émis-sions mondiales de CO2, ces émissions pouvant atteindre1,7 milliard de tonnes métriques en 2005.

Plusieurs raisons peuvent expliquer cet accroissement de prèsde 400 millions de tonnes métriques par rapport au niveau de1990. Initiés à la suite des chocs pétroliers des années 70, lesgains d’efficacité énergétique se sont largement ralentis à partirde l’effondrement des cours du brut en 1986. Cette situation aentraîné l’accroissement de la consommation énergétique,accentué par une croissance économique forte dans les années90 et, plus récemment, par le développement marqué des véhi-cules consommateurs d’énergie (sport-utility vehicules SUVs,vans et pickups essence). Face à ce constat, et malgré lavolonté des États-Unis de ne pas ratifier le Protocole deKyoto, l’administration Bush a lancé en 2002 un programmealternatif intitulé « Clear Skies Initiative », visant notamment

la réduction des émissions de gaz à effet de serre de 18 % surles dix prochaines années, ainsi que celles de NOx et SOx.

Dans ce cadre, le secteur des transports a été plus particu-lièrement sollicité, en raison de sa part prépondérantedans la consommation pétrolière américaine (autour de70 % en 2002) et de sa contribution à hauteur d’un tiersdes émissions américaines de gaz à effet de serre. À côtéde la promotion d’énergies et de motorisations alternatives(hydrogène, biocarburants : solutions à long terme), ce pro-gramme incite ce secteur à réaliser des progrès dans ledomaine des motorisations essence et Diesel traditionnelles,ce qui va dans le sens des objectifs visés par l’EnvironmentalProtection Agency (EPA).

Depuis sa création dans le cadre du Clean Air Act (CAA) en1970, cette agence dispose en effet de toute autorité enmatière de régulation et de contrôle de l’efficacité énergétiqueet des émissions de polluants locaux (HC, CO, NOx et parti-cules) et sur les normes de consommation des véhicules.

Fig. 1 Normes CAFE aux États-Unis (miles par gallon)

Ainsi, après les normes CAFE (Corporate Average FuelEconomy) de consommation moyenne appliquées depuis 1975

15

30

1975 2005

mpg

20

25

1980 1985 1990 1995 2000

Passenger cars

Light-duty Trucks (dont SUVs)

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Le Diesel aux États-Unis

Dans les années 70, la technologie Diesel avait une image de marque négativeaux États-Unis en raison du manque de performances et de fiabilité constaté surcertains modèles. Avec l’apparition des problèmes de gaz à effet de serre au coursde la décennie 90, la motorisation Diesel pourrait représenter une solutionpotentielle à court terme pour diminuer les émissions de CO2, en complément desvéhicules hybrides. Mais cette diésélisation du marché automobile américain neserait pas sans conséquences sur l’outil de raffinage américain.

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à l’ensemble des automobiles commercialisées par chaqueconstructeur, cette agence a édicté des standards d’émissionsspécifiques à différentes gammes de véhicules, avant de lesredéfinir conjointement avec les spécifications-carburantsdans le cadre des programmes de carburants à basse teneur en soufre.

Ainsi, dans le cadre des Clean Air Act Amendments de 1990,l’EPA a imposé une réduction de la teneur en soufre dugazole routier à 500 ppm à compter de 1993, dans le but defaciliter le respect des normes d’émissions spécifiques auxbus et camions Diesel, définies en 1985 et appliquées en1994. Dans le même temps ont été établis les programmes dereformulation des essences (RFG), puis de standards d’émis-sions des véhicules essence et Diesel dits légers (TIER I)destinés à la vente et distingués alors en trois catégories (parordre décroissant de sévérité des normes) : – les passenger vehicules, PV, (tels que les berlines) et light-

duty vehicules de moins de 3750 pounds ;– les light-duty trucks de moins de 5750 pounds, regroupant

les SUVs, les vans et les pickups ;– les light-duty vehicules de plus de 8500 pounds.

Visant aujourd’hui à accentuer l’efficacité des technologiesavancées de contrôle d’émissions envisagées pour les véhi-cules, ce souci de convergence des normes d’émissions et dequalité des carburants inspire les futurs projets de l’EPA surles carburants à très basse teneur en soufre. Cette volonté seretrouve au niveau de l’expérience californienne en matièrede réglementation de la pollution atmosphérique, qui relèvedu California Air Resources Board (CARB).

En octobre 2002, l’EPA a ainsi finalisé son programmeTIER II, établissant une réduction de la teneur en soufre desessences (30 ppm en moyenne et 80 ppm maximum à partirde 2005), ainsi qu’un durcissement des normes d’émissionsdéfinies sous TIER I, regroupant pour la première fois dansune même catégorie l’ensemble des véhicules dits légers(< 8500 pounds), des berlines aux SUVs. Se focalisant plusparticulièrement sur les émissions de NOx, l’EPA a, parailleurs, durci les standards d’émissions des véhiculesDiesel tout en fixant un objectif de 15 ppm de soufre dans legazole routier à partir de juin 2010, cet Ultra Low SulfurDiesel (ULSD) devant représenter 80 % du marché dès2006.

Certaines de ces mesures s’inscrivent dans le programmeNational Low Emission Vehicle (NLEV) : négocié en 1998entre l’EPA, les États et les constructeurs automobiles. Il intè-gre notamment les valeurs limites d’émissions de NMOG(Non Methane Organic Gas), NOx, CO, particules et HC rete-nues dans le programme LEV défini par le CARB (entré envigueur en 1994). Par ailleurs, le National Highway Trans-portation Safety Administration (NHTSA) du Department of

Transport (DOT) a proposé un durcissement progressif desnormes CAFE appliquées aux light-duty trucks incluant lesSUVs de 20,7 à 22,2 miles par gallon d’ici à 2007 (contre27,5 mpg constant pour les voitures particulières).

Enfin, l’EPA a également défini en 2002 des standardsd’émissions de différents engins non routiers (TIER 3),dont certains consomment du gazole. Ce dernier pourrait éga-lement se voir imposer un durcissement de ses spécifications(dont le soufre) à l’instar de son homologue routier.

Situation du marché automobile

Les ventes de berlines Diesel ont toujours représenté unepart très faible des ventes de véhicules aux États-Unis,entre 20 et 40 000 véhicules particuliers sur les quinzedernières années, soit 0,2 à 0,4 % des immatriculations dece marché.

Au début des années 80, à la suite des deux chocs pétroliers,les ventes de berlines Diesel ont augmenté pour approcherprès de 100 000 unités. À l’époque, les projections du DOTaffichaient 20 % de berlines Diesel en 1990. Mais, les fluc-tuations du prix du gazole, les baisses de celui de l’essenceainsi que les déconvenues technologiques (manque de fiabi-lité des solutions développées alors) ont conduit au déclinrapide du Diesel aux États-Unis dans le domaine automobile.

Les normes CAFE auraient dû motiver les constructeurs pourdévelopper l’offre Diesel aux États-Unis. Mais, leur aspectpeu contraignant dans les années 80-90 a permis aux groupesautomobiles américains et japonais, qui dominent le marchéet ne disposaient alors pas des avancées technologiquesatteintes par les constructeurs européens, de continuer à cen-trer leur production sur les véhicules à essence. Cette évolu-tion a notamment favorisé le développement sur le marchéautomobile de la gamme des SUVs et pickups à consomma-tions unitaires élevées.

Aujourd’hui, les signes précurseurs d’un retour possibledes motorisations Diesel aux États-Unis apparaissent autravers des annonces de différents constructeurs, parmi les-quels certains tablent sur une pénétration du Diesel sur le seg-ment des VP à hauteur de 10 % pour le début de la prochainedécennie. Leur principal argument se base sur l’avantage decette motorisation en termes de consommation et de réductionde gaz à effet de serre (GES). L’intérêt des constructeursaméricains pour la motorisation Diesel pourrait se manifesterpour les véhicules fortement consommateurs de carburants etcorrespondant aux goûts des consommateurs américains.

Par ailleurs, les technologies de traitement à l’échappement desNOx et des particules sont nombreuses pour les motorisationsDiesel : catalyse De NOx, piège à NOx, filtre à particules et

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Selective Catalyst Reduction à base d’urée (pour les camionsexclusivement).

Dans ce contexte, les constructeurs présents aux États-Uniscommencent à développer leur offre Diesel. Daimler-Chryslerdevrait commercialiser en 2004 une jeep Liberty fonctionnantau gazole. Par ailleurs, le constructeur allemand Volkswagen,qui est le seul à commercialiser des véhicules Diesel aux États-Unis, a l’intention de renouveler sa gamme en proposant desmodèles avec des motorisation TDI. Enfin, Mercedes envisagela commercialisation d’un de ses modèles en version Diesel.

Mais, ces constructeurs vont se heurter à des problèmesspécifiques à la situation du Diesel aux États-Unis : – prix de l’essence légèrement inférieur à celui du gazole

(37 cents/gallon contre 39 cents/gallon) ;– mauvaise image des motorisations Diesel (bruyantes et

polluantes) ;– surcoût engendré par le respect des normes d’émissions

prévues en 2007 (NOx et particules), qui atteindrait 1500 à2000 $ par véhicule selon les constructeurs automobiles ;

– qualité du gazole moteur inférieure à celle observée dansl’Union européenne.

Fig. 2 Spécifications du gazole aux États-Unis et en Europe

Europe États-Unis

2000 2005 1993 2006

Indice de cétane 51 51 40 40Aromatiques (% vol.) 35 35Polyaromatiques (% poids) 11 11Soufre (ppm) 350 50 & 10 500 15

En revanche, ils pourraient profiter de la dernière version dela loi sur l’énergie, entérinée au mois de novembre 2003 parla Chambre des représentants, qui prévoit des incitations fis-cales en faveur des moteurs de nouvelle génération fonction-nant au gazole. Cette disposition avait déjà été prévue pourles véhicules hybrides.

Le raffinage américain : pourra-t-il répondreà une croissance de la demande en gazole ?

À côté des nouveaux standards d’émissions définis pour dif-férentes gammes de véhicules, l’EPA préconise une réductiondrastique (97 %) du soufre contenu dans le gazole routier,dont 80 % du marché devrait consister en ULSD à 15 ppm desoufre dès 2006, contre 500 ppm aujourd’hui.

Des expériences industrielles récentes tant en Europe(Scanraff en Suède, BP au Royaume-Uni) qu’aux États-Unis (Arco en Californie) ont montré la faisabilitétechnique de produire un gazole à très basse teneur en

soufre moyennant certaines modifications des technologiesexistantes : taille du réacteur, conditions opératoires plussévères (température, pression), consommation d’hydrogèneplus élevée, utilisation de catalyseurs plus performants, sélec-tion optimisée des charges traitées (gazole léger de distilla-tion issu de bruts moins soufrés).

Cependant, la configuration actuelle des raffineries améri-caines pourrait rendre difficile la généralisation de ces solu-tions aux États-Unis. En effet, orientées vers les essences quireprésentent aujourd’hui 45 % de leur production (contre 25 à30 % en Europe), les raffineries américaines sont essentielle-ment équipées de schémas de conversion de type craqueurcatalytique (FCC) + cokéfaction. Les coupes gazole de cesschémas étant de mauvaise qualité, la construction de nou-velles unités de désulfuration à haute pression pourrait dèslors être rendue nécessaire. Selon l’EIA, la moitié des raffine-ries américaines (soit 63 % des 2 Mb/j d’ULSD supposés pro-duits en 2006 selon l’EIA) pourrait se satisfaire d’un simpleremodelage (revamping) de ses unités de désulfurationactuelles, ces raffineries disposant de niveaux modérés debases-distillats de conversion, d’un approvisionnement enbruts relativement peu soufrés et d’unités d’hydrotraitementmodernes de grandes capacités mises en place au début desannées 90 pour satisfaire aux 500 ppm de soufre. Plus opti-miste, l’EPA considère qu’un taux de production remodeléede 80 % est possible, en se fondant sur des hypothèses decoûts plus faibles et de comportement d’investissement plusactif des raffineurs.

Dès lors, s’il est acquis que tous les raffineurs américainsinvestiront à temps pour satisfaire les normes en soufre desessences, leur décision est moins claire dans le cas del’ULSD, dont la production est trois à quatre fois inférieure àcelle de leur produit phare. En effet, certains raffineurs pour-raient profiter de l’existence d’autres marchés de distillatsmoins contraignants (non-road) pour écouler une partie deleurs bases-distillats HS, retardant voire évitant ainsi touteinnovation en matière d’hydrotraitement du gazole. Selon uneétude réalisée pour l’American Petroleum Institute (API) parCharles Rivers Association/Baker and O’Brien (CRA/BOB),ceci pourrait se traduire par un déficit d’ULSD de l’ordre de320 000 b/j en 2006.

Hérité de leur expérience de surcapacités induites par le pro-gramme RFG au début des années 90, ce comportement d’in-vestissement prudent des raffineurs américains est d’autantplus accentué aujourd’hui qu’ils évaluent difficilement leurcapacité d’adaptation aux nouvelles normes. Cela résulte d’uncertain nombre d’incertitudes quant à l’évolution à terme :

– de l’ampleur réelle de la demande d’ULSD (2 à 3 Mb/jselon les sources) et des normes imposées aux autresdistillats sur les marchés off-road. De ces facteurs

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découleront non seulement les différentiels de prix sur lesdifférents marchés du gazole, mais aussi, l’ampleur dubesoin de désulfurer des bases-gazoles difficiles, qui repré-sente l’un des paramètres clés du coût d’hydrodésulfura-tion, si l’on considère que des solutions alternatives pluséconomiques (adsorption ou oxydation) sont aujourd’hui àl’état de recherche ;

– des performances et du déploiement commercial réeldes différentes technologies catalytiques avancées decontrôle des émissions de NOx et de particules, élémentsdéterminants pour la définition du niveau de soufre effecti-vement requis pour le gazole routier (dans la mesure où lestechnologies envisagées se distinguent notamment par leursensibilité au soufre) ;

– de la disponibilité des ressources d’ingénierie et deconstruction, qui devront satisfaire dans le même tempsles normes essences (2005) et gazole (2006), ainsi quecelle de certains équipements jugés critiques mais émanantaujourd’hui d’un nombre restreint de fabricants dans lemonde.

Dans ce contexte, il est encore difficile d’évaluer l’impactde la régulation ULSD sur les dépenses d’investissementque les raffineurs américains devront réaliser.

Pour preuve, les écarts conséquents entre les différentes éva-luations publiées sur ce sujet, qui s’échelonnent entre 3 et13 G$ d’investissement pour la production d’ULSD. À titred’exemple de ces estimations, les analyses d’équilibre delong terme de l’EIA (National Energy Modeling System, mai2001) conduisent, entre 2006 et 2010, à des investissementdans le raffinage compris entre 6,3 et 9,3 G$ (dont 4,2 d’ici à2006). L’EIA évalue par ailleurs entre 6,5 et 10,7 cents pargallon l’accroissement du prix de vente du gazole routier surcette période. Ces fourchettes correspondent à des hypo-thèses proches de celles retenues par l’EPA (borne infé-rieure) et l’industrie pétrolière (National Petroleum Council,borne supérieure). Le NPC affiche, quant à lui, un montantde 4,1 G$ pour le seul objectif de 30 ppm en 2006.

Sur la base d’hypothèses plus optimistes, l’EPA estime que laréglementation ULSD induira des dépenses totales de capitalde l’ordre de 5,3 G$ (dont 3,6 d’ici à 2006). Plus précisément,elle évalue à 50 M$ le coût moyen complet (capital + coûtopératoire) requis par raffinerie pour la désulfuration duDiesel, comparés aux 44 M$ estimés pour satisfaire les seulesnormes TIER 2 (soufre des essences). Dès lors, l’EPA jugecet effort soutenable par l’industrie du raffinage, puisqu’il necorrespond environ qu’aux 2/3 des investissements environ-nementaux opérés entre 1992 et 1994 pour satisfaire à la foisle marché des essences reformulées et du gazole à 500 ppmde soufre.

Finalement, l’EPA n’envisage pas une modification pro-fonde de l’équilibre de l’offre à la demande d’ULSD en2006.

Elle considère, en effet, que certains raffineurs investiront leplus tôt possible pour profiter de marges temporairement éle-vées, voire pour vendre des crédits aux retardataires.

Par ailleurs, elle compte sur des importations en provenancedu Canada, qui s’aligne progressivement sur la réglementationenvironnementale des États-Unis, mais aussi de l’Europe, dontla contribution aux importations américaines de gazole routiers’élève actuellement à 5 % environ. Selon l’EIA, cette der-nière hypothèse est peu réaliste dans la mesure où la spécifica-tion de soufre du gazole routier européen ne s’établira qu’à50 ppm en 2005 (avec un pourcentage croissant de 10 ppm àpartir de 2007) et où seules des incitations fiscales contribuentaujourd’hui à la production d’un gazole à 10 ppm de soufre.En d’autres termes, la « déviation » de la production euro-péenne d’ULSD vers le marché américain reposera sur l’exis-tence d’un différentiel de prix entre les deux zones supérieur àcet avantage fiscal augmenté du coût de transport.

Quel positionnement pour le Diesel par rapportaux autres solutions alternatives ?

La motorisation Diesel peut apparaître comme une solu-tion sur le court terme pour lutter contre la progressiondes gaz à effet de serre et plus particulièrement les émis-sions de CO2 rejetées par le parc automobile américain.Cependant, ceci ne sera effectif que si cette technologierépond, par ailleurs, aux exigences environnementales sur lesparticules et les NOx et si le raffinage américain améliore laqualité moyenne du gazole produit (soufre, mais aussi indicede cétane).

D’autres voies font toutefois l’objet de l’attention desindustriels du secteur automobile. Ainsi, le véhicule hybrideà essence s’inscrit dans la continuité par rapport au véhicule àcombustion interne actuel. Il offre de bonnes opportunités deréduction des consommations d’énergie et des émissions deCO2 au niveau du véhicule à hauteur de 20 à 40 % par rapportau moteur conventionnel actuel.

Dans ce domaine, les constructeurs japonais, et plus particu-lièrement Toyota, sont en avance et proposent des berlineshybrides au Japon, en Europe, mais aussi États-Unis, où ilsdominent un marché encore marginal. Toyota a été le premierconstructeur à proposer un véhicule hybride à essence dans sagamme à la fin des années 90 : il s’agit de la Toyota Priusdont le groupe japonais va proposer la deuxième version. Ilcompte étendre sa gamme hybride au pickup et au segmenthaut de gamme. Honda et Nissan proposent également unvéhicule hybride dans leurs gammes respectives.

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De leur côté, les constructeurs américains tentent une péné-tration timide sur le segment des voitures hybrides, aprèsn’avoir montré jusqu’à récemment que peu d’intérêt pour cetype de motorisation. Dans ce cadre, General Motors est leconstructeur américain le plus actif : après avoir affiché desobjectifs ambitieux reposant sur le lancement de trois ver-sions différentes de moteurs hybrides d’ici à 2007 pour équi-per une douzaine de véhicules, le groupe se concentre finale-ment sur les modèles fortement consommateurs decarburants (4 × 4, SUVs). Pour sa part, Ford a pris un an deretard pour le développement de son unique véhiculehybride, alors que Chrysler a réduit ses projets à seulementun pickup hybride.

À plus long terme, l’hydrogène et son utilisation dans une pileà combustible (PAC) pour alimenter un moteur électrique sontprésentés comme une solution que le gouvernement américainsouhaite développer pour réduire le poids du pétrole dans lesecteur des transports. Mais plusieurs obstacles à ce dévelop-pement existent aujourd’hui en termes de technologies (stoc-ker l’hydrogène ou leproduire à bord du véhicule) et de coûtde fabrication de la PAC, environ 100 fois supérieur à celui

d’un moteur thermique classique, ce qui ne permet pas d’en-visager un déploiement à court et moyen terme.

En conclusion, la motorisation Diesel peut apparaître commeune solution pour réduire les gaz à effet de serre aux États-Unis, sous réserve de la conformité aux normes d’émissionsédictées par l’EPA sur les polluants. Mais, sa pénétration sur lemarché automobile américain dépendra de la politique du gou-vernement américain en matière de réduction des GES dans lesecteur automobile, des choix industriels des constructeursautomobiles présents aux États-Unis et de l’acceptation desconsommateurs qui ont le souvenir de l’expérience négativedes années 70. Enfin, la capacité des raffineurs à modifier leuroutil pour répondre aux spécifications 2006 et à produire ungazole de qualité constitue également un élément déterminant.

Bernard Bensaï[email protected]

Valérie [email protected]


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www.ifp.fr



À la suite des crises pétrolières des années 70, les biocarbu-rants ont été perçus dans de nombreux pays comme une solu-tion réaliste au problème de la dépendance aux ressourcespétrolières. De plus, leur utilisation en mélange avec les car-burants traditionnels permettait d’envisager un gain sur lesniveaux d’émissions de polluants des véhicules. Le contre-choc pétrolier de 1986 et le maintien d’un coût trop élevé aralenti leur développement. Le contexte est aujourd’hui rede-venu plus favorable car il a évolué au moins sur trois points :

– La pression de l’opinion publique pour la lutte contre l’ef-fet de serre pousse les pouvoirs publics à trouver des solu-tions pour réduire les émissions de gaz à effet de serre(GES) notamment dans le domaine des transports. Or,l’emploi des biocarburants permet, a priori, une réductionimportante des émissions de GES par rapport aux solutionsconventionnelles. En effet, les biocarburants, quand ilssont utilisés purs, permettent une réduction d’émissions deGES allant de 60 à 70 % respectivement pour l’éthanol parrapport à l’essence, et pour les esters méthyliques d’huilevégétale (EMHV) par rapport au gazole(1).

– La concentration des réserves de pétrole brut conventionnelau Moyen-Orient et les interrogations sur l’évolution deleur niveau à moyen et long terme, avec l’apparition éven-tuelle d’un pic de production, amènent les gouvernements àmettre en place des politiques favorisant l’émergence deressources énergétiques alternatives. À ce titre, les biocar-burants apparaissent comme une option significative.

– Enfin, les évolutions à la hausse des cours du pétrole surles deux dernières années favorisent les développementsde solutions alternatives. Ceci est surtout vrai pour les bio-carburants dont la principale barrière à un développementde masse reste le prix trop élevé en comparaison aux car-burants pétroliers. Ces solutions peuvent être particulière-ment attractives du fait qu’elles bénéficient de l’avantage

(1) « Bilans énergétiques et gaz à effet de serre des filières de production de biocarburants enFrance » - PriceWaterhouseCoopers/IFP pour le compte de l'ADEME/DIREM - septembre 2002.

important par rapport aux autres carburants alternatifs depouvoir être utilisées en mélange, sans nécessité d’adapta-tion des véhicules, ni de développement d’un systèmedédié à la distribution.

Les deux principaux biocarburants candidats prêts à un déve-loppement industriel sont l’ester méthylique d’huile végétale(EMHV) et l’éthanol (principalement utilisé en Europe sousforme d’éthyl tertio butyl éther ou ETBE).

Les esters d’huiles végétales (EMHV)

Les EMHV sont produits à partir d’huiles végétales. Elles-mêmes sont obtenues après séchage, cuisson, broyage et enfinpressage des graines, par exemple de colza. Sont issus decette opération, l’huile mais également un résidu solide (letourteau) qui est généralement réservé à l’alimentation ani-male. À titre illustratif, une tonne de graine donnera environ0,6 tonne de tourteau et 0,4 tonne d’huile. Les évolutions dumarché du tourteau auront donc une influence importante surl’économie de la filière EMHV.

Inadaptées à l’alimentation directe de moteurs Diesel moder-nes, les huiles végétales de colza ou de tournesol doiventêtre transformées en une opération de transestérificationavec du méthanol, qui donne les esters méthyliques d’huilesvégétales.

Les premières évocations de l’utilisation comme carburantDiesel de l’ester de méthyle tiré d’une huile végétale datentdu début des années 1980, lorsque l’IFP a démarré ses étudessur ce sujet avec le soutien de l’ADEME. Fruit de ces travauxen collaboration avec le monde agricole, le premier réacteurde production est construit à Compiègne en 1988 (selon leprocédé IFP) et les premières expérimentations sur une flottecaptive sont réalisées dans les années qui suivent. Enfin, en1991, débutent les travaux officiels en vue de l’homologationde leur incorporation au taux de 5 % qui est finalement auto-risée en 1994.

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Les biocarburants en Europe

Issus de programmes lancés à la fin des années 70 pour desserrer la contraintepétrolière, les biocarburants ont actuellement plus de 20 ans de développementindustriel. Encore aujourd’hui handicapés par un coût trop élevé, ils semblent denouveau avoir un avenir prometteur car ils pourraient permettre, dans le secteurdes transports, une réduction de la consommation de pétrole et une diminutiondes rejets de gaz à effet de serre. Ceci est particulièrement vrai en Europe, où lesdirectives votées récemment, qui fixent des objectifs de volume de productionambitieux, incitent les États membres à développer ces filières.

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À ce taux, il est donc distribué aujourd’hui à la pompe sansaucune distinction particulière et la majorité des raffineriesfrançaises l’incorpore aux carburants vendus dans des propor-tions variant de 2 à 5 %. Jusqu’à 30 %, il est employé dans lesflottes captives sans nécessiter de contraintes techniques parti-culières. C’est d’ailleurs le taux maximal au-delà duquelRenault VI et PSA n’accordent plus leur garantie constructeur.

L’éthanol et l’ETBE

Issu de plantes sucrières (canne à sucre, betterave), de blé oude maïs, l’éthanol carburant a surtout été développé dansdeux pays : le Brésil et les États-Unis.

Au Brésil, les crises pétrolières des années 70 ont été lemoteur de la production de masse de l’éthanol comme carbu-rant de substitution et dès 1979, l’État assurait à l’industrieautomobile qu’il serait disponible dans tous les centresimportants. Ceci garantissait l’établissement d’un marchépour les véhicules dédiés, même si l’éthanol peut égalementêtre utilisé directement en mélange avec de l’essence.

Durant la fin des années 80 et le début des années 90, labaisse des prix du brut et la libéralisation de la production desucre ont rendu ce dernier marché plus attractif. Par ailleurs,l’État a été obligé de diminuer ses subventions. Ces difficul-tés ont conduit à mettre en place une nouvelle politique, quin’encourageait plus la production de véhicules dédiés àl’éthanol. Depuis près de 15 ans, cet alcool est donc incorporéà la totalité des essences vendues, à hauteur d’environ 24 %.Le parc automobile brésilien comprend aujourd’hui près de2,3 millions de voitures dédiées et quelque 16 millions devéhicules fonctionnant au mélange avec de l’essence. Laconsommation globale d’éthanol en tant que carburant s’estélevée à 9,5 Mt en 2001 (ce qui correspond à 40 % de laconsommation nationale d’essence).

Le second pays ayant lancé une initiative d’envergure enfaveur de cet alcool est les États-Unis. Le président J. Carterinaugurait en 1978 le premier programme éthanol, « l’EnergyTax Act », avec une détaxe fiscale sur la production de cetalcool. Comme carburant alternatif, il est essentiellement uti-lisé en mélange avec l’essence : l’E10(2) et marginalementl’E85. Produit dans 73 usines, le volume généré d’éthanol car-burant était de près de 6 Mt en 2002.

Dans les pays européens, l’éthanol n’est quasiment pas direc-tement consommé comme carburant. Il est plutôt utilisé sousforme d’ETBE (produit à partir d’isobutylène et d’éthanol),notamment pour garantir des propriétés de volatilité et éviterles démixtions du mélange en présence de traces d’eau (sépa-ration des phases alcool et essence).

(2) E10 : mélange de 10 % d’éthanol et 90 % d’essence.

Le cadre législatif européen

L’utilisation et la taxation des biocarburants reposent aujour-d’hui sur plusieurs textes communautaires.

La directive européenne 98/70/CE sur la qualité des carbu-rants autorise réglementairement l’incorporation d’éthanoljusqu’à 5 %, d’ETBE jusqu’à 15 % dans l’essence (directivede référence : 85/538/CE) et d’EMHV jusqu’à 5 % dansle gazole, pour une vente banalisée à la pompe. Destaux plus élevés sont parfaitement compatibles avec lesmoteurs actuels, mais une information à la pompe est alorsobligatoire.

Le Conseil et le Parlement européen ont validé en 2003 deuxpropositions de directives s’inscrivant dans la diversificationde l’approvisionnement énergétique et la réduction des émis-sions de gaz à effet de serre :

– La directive sur la promotion des biocarburants (2003/30/CE) fixe des objectifs croissants de consommation en bio-carburants dans le domaine des transports. Ces consomma-tions devront représenter au minimum 2 % en 2005 et5,75 % en 2010 des consommations globales d’essence etde gazole utilisés dans les transports. Ces pourcentagesseront calculés sur une base énergétique. Ces objectifssont indicatifs et non obligatoires, néanmoins, les Étatsmembres devront informer la Commission des mesuresprises pour les atteindre.

– La directive (2003/96/CE) sur la fiscalité a pour but dedonner la possibilité aux États membres d’exonérer partiel-lement ou totalement d’accises les biocarburants.

Le contexte fiscal des carburants reste du domaine de chaquepays. À titre indicatif, les taux d’accise minimum, qui ontrécemment été votés à Bruxelles, pour le super sans plomb, legazole et le fioul domestique seront au 1er janvier 2004 respec-tivement de 359 €/m3, 302 €/m3 et 21 €/m3. Au 1er janvier2010, le taux d’accise minimum sera relevé à 330 €/m3 pourle gazole.

Jusqu’à ce jour, de nombreux États membres ont obtenu desdérogations pour les biocarburants. L’ensemble des montantsdes défiscalisations est rappelé ci-dessous.

Pour l’EMHV :

– En France, le niveau de détaxation est de 350 €/m3. Il estaccordé au mélange (jusqu’à 5 % dans les stations-serviceet 30 % en flotte captive) pour un quota de production de317 500 t/an. Ce quota va être augmenté de 70 000 tonnesen 2004 et le niveau de détaxation devrait passer à330 €/m3.

– En Allemagne, le montant de la détaxation est de470 €/m3. Il prend en compte une exemption de taxecarbone. Cette détaxe n’est accordée qu’au EMHV pur

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(environ 1500 pompes). Mais, à la différence des situationsen France ou en Italie, il n’y a aucun quota. En conséquenceet compte tenu de l’évolution ces dernières années des coursde l’huile végétale et du gazole, l’Allemagne a beaucoupinvesti dans de nouvelles unités et se retrouve aujourd’huien surcapacité de production (environ 880 000 t début2003). De manière à écouler plus facilement le volumed’EMHV produit, l’autorisation de vendre le biodiesel enmélange devrait être accordée tout prochainement. Ainsi, enplus de la vente du produit pur, des mélanges à 5 % et à30 % devraient également pouvoir être mis sur le marché.

– En Italie, le niveau de détaxation est de 403 €/m3. Il estaccordé uniquement au mélange (jusqu’à 5 % en station-service et 30 % en flotte captive). Dans le domaine destransports, un quota de 300 000 t/an a été fixé. Par ailleurs,il faut noter que l’EMHV pur est complètement détaxédans le cas d’une utilisation domestique pour le chauffage(25 %).

– En Autriche, le niveau de détaxation est de 290 €/m3 et ilest accordé à l’EMHV pur qui est utilisé en mélange jus-qu’à 2 %.

– En Espagne, l’EMHV n’est pas taxé, ce qui représente uneéconomie de 294 €/m3 à la pompe.

– En Suède, l’EMHV est exempt de 344 €/m3 de taxe. Mais,ce pays semble vouloir privilégier d’autres biocarburantsque les EMHV du fait d’un contexte national particulier. Lesvoies envisagées sont l’éthanol produit à partir de bois et lescarburants synthétiques obtenus par gazéification du bois.

– Au Royaume-Uni, une détaxation de 20 p/l (138 €/m3) estaccordée au EMHV depuis le 1er janvier 2003.

Pour l’éthanol :

– En 2003, le niveau de détaxation est de 380 €/m3 enFrance. Il était de 502,3 €/m3 en 2002.

– En Allemagne, la défiscalisation sur l’éthanol est de654 €/m3.

– En Espagne, tout comme pour les EMHV, une exemptiontotale de taxe a été décidée ce qui revient à une exonéra-tion de 390 €/m3.

– En Suède, tout comme pour les EMHV, le dispositif légis-latif est orienté vers une exemption totale de taxe, ce quireprésente un montant de 520 €/m3, révisé chaque année.

– Au Royaume-Uni, une détaxation de 20 p/l (138 €/m3)sera accordée à l’éthanol à partir du 1er janvier 2005.

Les niveaux de productions

La production d’EMHV

La production d’EMHV en Europe a augmenté de manièretrès importante sur les dix dernières années. Le taux de

croissance moyen annuel a été de 35 % entre 1992 et 2002,soit une multiplication par 20 de la production d’EMHV surla période. Deux pays ont supporté l’essentiel de cette crois-sance : la France et l’Allemagne.

Tableau 1Répartition du volume de production d’EMHV

en Europe par pays en 2002

Pays kt/an

Allemagne 450France 365Italie 210Autriche 25Danemark 10Royaume-Uni 3Suède 1

TOTAL 1 064

Source: European Biodiesel Board

Face à cette croissance, on a observé une augmentationimportante de la capacité de production. Aujourd’hui,l’Europe se trouve en situation de surcapacité (cf. tableau 2),ce qui pourrait limiter le nombre de nouvelles installationsau moins dans un avenir proche. Ceci, d’autant plus que laproduction d’EMHV s’accompagne d’une production de gly-cérine (10 % en masse). Un développement important de laproduction d’EMHV entraînera donc inévitablement unehausse proportionnelle de la production de glycérine quipourrait, à terme, saturer le marché mondial et baisser sensi-blement la rentabilité de la filière. L’avenir de la filièreEMHV passera donc par la recherche de nouveaux débou-chés à ce coproduit.

Tableau 2Capacité de production d’EMHV en Europe au 01/01/2003

Pays kt/an

Allemagne 1025France 500Italie 420Autriche 50Danemark 40Suède 8Royaume-Uni 5

TOTAL 2048

Source : European Biodiesel Board

L’Allemagne est devenue en 2002 le premier producteur etconsommateur européen d’EMHV avec une production de450 000 tonnes (cf. tableau 1). Le cas de l’Allemagne estd’ailleurs particulièrement intéressant à étudier, puisque la

le point sur


conjonction d’une législation favorable sans quota et d’uncontexte de bas prix de l’huile végétale et de prix fort dugazole a permis un développement rapide de la productionoutre-Rhin, surtout à partir de l’année 2000.

Se trouvant avec une capacité de production de près de1 Mt/an d’EMHV, l’Allemagne est aujourd’hui en situation desurcapacité. Ceci, d’autant plus que le mode de distributionchoisi (produit pur à 100 %) ne facilite pas l’écoulement degros volumes. Une évolution vers une utilisation en mélangedevrait intervenir.

La France, leader de la filière jusqu’en 2001, a produit365 700 tonnes d’EMHV en 2002, excédant ainsi son quota.Ce surplus a été exporté vers l’Allemagne et l’Italie. Le quotade production fixé à 317 500 t/an devrait être revu à la hausseen 2004, comme déjà indiqué (+ 70 000 t).

Dernier du trio de tête, l’Italie produit près de 140 000 t/and’EMHV dont 25 % environ sont utilisés pour le chauffage.Enfin, l’Autriche et la Suède ont des volumes moindres deproduction. Le cas de l’Autriche est néanmoins intéressant àciter, car quelques opérateurs s’orientent vers l’utilisationen tant que matière première pour la production d’EMHVd’huile végétale usagée (friture, etc.).

Enfin, il convient de mentionner que d’autres pays devantrejoindre dans les prochaines années l’Union européenne,comme la Pologne, pourraient également développer large-ment cette filière.

La production d’éthanol

La production européenne d’éthanol a essentiellement étéréalisée en France et en Espagne en 2002. Dans ces deuxpays, contrairement à la situation aux États-Unis ou au Brésil,l’éthanol n’est pas utilisé directement mais il est transforméen ETBE qui est lui-même mélangé aux essences. L’éthanoln’est utilisé en mélange directement qu’en Suède. Cette spé-cificité européenne tient à l’obligation du respect d’unenorme sur les propriétés des carburants et particulièrementsur la volatilité (l’incorporation directe de l’éthanol rend lemélange éthanol/essence trop volatil) et permet d’éviter desphénomènes de démixtions précédemment évoqués.

Longtemps leader en Europe sur la filière éthanol, la Franceest aujourd’hui dépassée par l’Espagne comme le montre letableau 3 ci-contre.

L’Espagne se montre ainsi comme l’acteur le plus dynamiqueen Europe et devrait, sous l’impulsion de la société Abengoa,disposer d’une capacité de production de l’ordre de 500 mil-lions de litres d’éthanol par an, principalement issue de blé etd’orge, mais également d’alcool vinique dénaturé provenantdes excédents de vins de l’Union européenne.

Par ailleurs, il convient de remarquer que la Suède consommeaujourd’hui plus d’éthanol qu’elle n’en produit du fait de laquasi-généralisation de l’E5 depuis début 2003 et du dévelop-pement de l’E85 sur une cinquantaine de stations-service.À terme, les volumes consommés devraient représenter200 000 m3 (soit 158 kt). L’essentiel de la différence entre laproduction et la consommation est aujourd’hui importé duBrésil ou d’Espagne.

Tableau 3Production d’éthanol en Europe

ETBE Éthanol

En tonnes En tep En tonnes En tep

France 192 500 123 200 90 500 57 920Espagne 375 500 240 320 176 700 113 098Suède 0 0 50 000 32 000

Total 568 000 363 520 317 200 203 018

Source : Observ’er

Les coûts de production

Les coûts de production en France

La question du coût de revient des biocarburants est un pointcrucial pour l’avenir à long terme de ces filières.

Un exemple des coûts de production pour la France del’EMHV et de l’éthanol est fourni dans le tableau ci-dessous.

Tableau 4Exemple de coût de production de biocarburants

Éthanol EMHV Carburants pétroliers

€/l 0,38 0,35 0,21*

€/GJ 18 10,5 6*

* Pour un prix du brut de 25 $/b.

On remarquera que le contenu énergétique plus faible del’éthanol par rapport à celui de l’essence (environ 1/3) péna-lise cette filière lorsque l’on considère le coût rapporté à laquantité d’énergie disponible (€/GJ) en comparaison au coûtde revient rapporté au litre (cf. tableau 4).

Seule la mise en place d’une défiscalisation peut donc per-mettre aux biocarburants d’être aujourd’hui compétitifs.D’autant plus que les biocarburants bénéficient d’un soutienindirect via la Politique Agricole Commune (PAC).

L’influence de la Politique Agricole Commune (PAC)

En dehors des directives européennes déjà citées et ducontexte fiscal particulier de chacun des États membres, la

le point sur


PAC a et continuera d’avoir un impact important sur l’écono-mie des filières biocarburants.

En effet, en 1992, une réforme de la PAC était décidée.L’objectif de maîtrise de la production s’est alors traduit parla mise en place d’un double mécanisme : une baisse des prixd’intervention garantie et l’instauration d’aides directes à lasurface (sur la base de rendements de références moyens).

Pour le secteur des grandes cultures (céréales, oléagineuxnotamment), l’accès à ces aides directes a été permis souscondition d’un gel des terres (d’où la notion de prime à lajachère). La filière betterave-éthanol ne rentre pas dans cecadre (système de prix garantis par quota autour de 42 €/t).

L’introduction de la notion de gel « industriel » a ouvert lapossibilité de percevoir cette aide dans le cas d’une mise enculture de ces terres à des fins non alimentaires.

À partir de la campagne 2000-2001 (accord de Berlin), ce gela été fixé à 10 % des surfaces cultivées et le montant de l’aidecompensatoire à 63 €/tonne (soit environ 350 €/ha pour unerégion moyenne), pour les céréales et les oléagineux. Le butde ces aides est de garantir une compensation à la perte derevenu de l’exploitant. À titre d’illustration, le gel de cesterres a représenté environ 5,7 millions d’hectares en Europeen 1999 dont 17 % étaient utilisés à des fins non alimentaires(majoritairement pour la production de biocarburants). EnFrance, en 1999, ce sont près de 1,5 millions d’hectares quiont été mis en jachère, dont 20 % utilisés pour la productionde biocarburants.

Ainsi, une partie des terres est pour l’instant pratiquement« réservée » à la production de biocarburants. L’avenir de cesfilières est donc directement lié à la PAC puisqu’une modifi-cation de la surface des terres en jachère ou simplement dumontant de l’aide compensatoire aura un impact direct surl’intérêt qu’aura un exploitant à développer des cultures àvocation non alimentaire.

Une nouvelle orientation de la PAC a été décidée au prin-temps dernier pour une mise en application possible début2005, jusqu’en 2013. Le but affiché de cette réforme est dedécoupler les aides du niveau de la production en orientantles produits vers moins de quantité et plus de qualité. Lesagriculteurs toucheraient une prime unique par exploitation.Son versement sera soumis au respect d’un cahier de chargesde normes d’environnement et de santé publique. Le montantd’aide sera calculé sur une base historique.

En ce qui concerne les biocarburants, le système de jachèreavec la possibilité d’exploiter ces terres à des fins « non ali-mentaires » est maintenu. Par ailleurs, une nouvelle aide de45 €/ha est accordée pour les cultures à vocation énergétiqueréalisées hors jachères. Elle est justifiée par l’effet bénéfiqueen termes d’effet de serre qu’apportent ces cultures.

Un impact environnemental positif

Les biocarburants ont été pendant de longues années surtoutreconnus pour leur capacité à réduire les émissions des pol-luants classiques à l’échappement des véhicules (début desannées 80). Aujourd’hui, cette propriété est moins vraie dufait des développements des technologies de combustion misen œuvre dans les moteurs et des traitements des fumées desvéhicules (pots catalytiques, filtres à particules). À l’avenir,c’est surtout pour leur capacité à réduire les émissions de gazà effet de serre et à diminuer le recours aux ressources enpétrole que les biocarburants seront développés. En effet, lafigure 1 ci-dessous montre que le gain attendu de ces solu-tions est de l’ordre de 60 à 70 % par rapport aux solutions tra-ditionnelles, compte tenu de l’ensemble du cycle de la pro-duction des matières premières jusqu’à la combustion desproduits finaux (méthode de l’Analyse de Cycle de Vie).

Fig. 1 Gain « effet de serre » par rapport aux solutionstraditionnelles des biocarburants

Source : « Bilans énergétiques et gaz à effet de serre des filières de production de biocar-burants en France » - PriceWaterhouseCoopers/IFP pour le compte de l’ADEME/DIREM,septembre 2002

Conclusion

Longtemps leader en Europe sur les niveaux de production debiocarburants, la France est aujourd’hui devancée parl’Allemagne pour les EMHV et l’Espagne pour l’éthanol. Cespays ont en pratique largement anticipé la directive euro-péenne fixant comme objectif que la contribution des biocar-burants atteigne 5,75 % de la consommation énergétique destransports en 2010, ce qui représenterait une multiplicationpar un facteur 20 de la production actuelle au niveau del’Union européenne.

Ceci est particulièrement vrai pour les esters d’huiles végé-tales. En effet, comme l’Europe, et tout particulièrement la

0

100

80

60

40

20

- 60 % - 70 %

Gr.

CO

2/M

J

Essen

ce

Ethan

ol BlÈ

Ethan

ol Bet

tera

ve

ETBE BlÈ

ETBE Bet

tera

ve

Gazole

EMHV C

olza

EMHV To

urne

sol

le point sur


France, est déficitaire en gazole et excédentaire en essence,les producteurs de carburants sont bien mieux disposés àintroduire un biocarburant « Diesel » plutôt qu’un biocarbu-rant « esssence ». Au-delà de l’échéance de 2010 fixée par lesdirectives européennes, de nouvelles filières biocarburantspeuvent être envisagées. Il s’agit notamment des voiesconvertissant les matières ligno-cellulosiques (bois, pailles,etc.) en carburants. Deux options sont envisagées : celle quiproduit de l’éthanol par synthèse enzymatique, développéeces dernières années surtout en Amérique du Nord, et cellequi permet la production de carburant Diesel de synthèseselon le procédé Fischer-Tropsch et qui passe par une étape

de gazéification de la biomasse. Cette seconde option estessentiellement envisagée en Europe, compte tenu de la fortecroissance de la demande en gazole à travers plusieurs grandsprojets de R&D européens, notamment à l’IFP en collabora-tion avec le CEA. Selon les disponibilités en matières végé-tales convertibles, ces filières pourraient permettre de couvrirjusqu’à 10 % des besoins des transports routiers dans l’Unioneuropéenne en 2020.

Stéphane [email protected]


le point sur

www.ifp.fr



Communiqué de presse

Réduction de la pollution du Diesel :Résultats performants du procédé IFP de combustion Diesel NADITM

Rueil-Malmaison, le 8 mars 2004 - Dans le cadre de ses travaux sur la réduction de laconsommation et des émissions de polluants des véhicules, l'IFP a développé un mode decombustion homogène Diesel spécifique, le procédé NADITM (Narrow Angle Direct Injection),permettant de réduire de façon drastique les émissions de suies et d'oxydes d'azote (NOx) sur unelarge zone d'utilisation, tout en conservant, ce qui est nouveau, les performances maximales dumoteur. Le procédé est actuellement mis en œuvre sur des bases moteurs multicylindres, encollaboration avec différents constructeurs automobiles. Des améliorations significatives ont étéapportées à cette technologie, notamment dans les domaines des stratégies d'injection et ducontrôle qui assurent la maîtrise du procédé et renforcent sa robustesse, et dans le domaine dudémarrage à froid.

De par son principe, le moteur Diesel se place au premier rang des convertisseurs d’énergie àfaible consommation et à rejet minimal de gaz carbonique. Jusqu'à présent, ces avantages étaientcontrebalancés par des émissions d’oxydes d’azote élevées; un inconvénient difficile à surmontercar subordonné aux principes mêmes de combustion Diesel, lesquels sont justement favorablesau rendement. Ces faiblesses auraient pu compromettre l’avenir du diesel automobile, comptetenu de la sévérisation attendue des futures normes d’émissions.

Parmi les mesures curatives répertoriées, les seules dont on pouvait espérer une efficacité réelleet une mise en œuvre dans les délais impartis impliquaient une modification radicale dudéroulement de la combustion lors de certaines phases de fonctionnement. De telles mesures sontdevenues envisageables grâce à la flexibilité qu’apportent les systèmes électroniques d’injectionhaute pression, du type "common rail", qui équipent maintenant la plupart des dieselsautomobiles. C’est sur la base de ces systèmes que l'IFP a pris une avance significative endéveloppant le procédé de combustion homogène Diesel NADITM, et en faisant coexister deuxtypes de combustion fort différents pour maintenir les rendements exceptionnels du moteurDiesel à injection directe tout en maîtrisant les émissions de polluants.

Le concept NADITM a récemment fait l'objet de plusieurs contrats de développement avec desconstructeurs automobiles français et étrangers. NADITM est également en phase d'évaluationdans plusieurs programmes européens, en particulier "HY-Space" qui est relatif au Poids Lourdet est piloté par l'IFP. Ce programme bénéficie de la participation de plusieurs constructeurseuropéens.

IFP Moteurs est le premier développeur indépendant de technologies moteurs et carburants en France. Ses domainesd’excellence sont la modélisation, les procédés de combustion de dernière génération (essence CAI et diesel HCCI, injectiondirecte essence) et leur contrôle moteur associé, les technologies moteurs (écosuralimentation essence) et carburants avancéesainsi que le post-traitement. Pour répondre de façon innovante aux exigences de rendement et de réduction des émissionspolluantes, IFP Moteurs s'appuie sur des équipes pluridisciplinaires qui rassemblent plus de 200 ingénieurs et technicienshautement spécialisés et sur un panel très large d’outils et de moyens d’essai (35 bancs d’essai moteurs, 3 bancs à rouleaux,bureau d’étude et laboratoires spécialisés).IFP Moteurs propose à ses clients - constructeurs automobiles, équipementiers,pétroliers - des contrats de prestations ou de transfert de technologie allant jusqu'au démonstrateur véhicule, ou bien encore laparticipation à des consortiums qui leur garantissent une totale confidentialité. IFP Moteurs fait partie intégrante de l’Institutfrançais du pétrole (IFP), centre indépendant et unique en Europe de recherche et développement industriel, de formation etd’information dans les domaines du pétrole, du gaz naturel et de l’automobile.

Contact Presse : Anne-Laure de Marignan - Tél. 01 47 52 62 07 ~ Mail : [email protected]

Agenda Manifestations

Which Fuels for Low CO2 Engines?22 et 23 septembre 2004 - Rueil-Malmaison

Les Rencontres scientifiques de l'IFP

Dans le cadre de ses "Rencontres scientifiques", l'Institut français du pétrole (IFP) organiseune conférence internationale "Which Fuels for Low CO2 Engines?", les 22 et 23 septembre2004 à Rueil-Malmaison.

Les carburants classiques et alternatifs étant au cœur du développement d'une nouvellegénération de moteurs thermiques à faibles émissions de CO2, cette conférence permettrad'analyser les chances de succès de ces types de carburants et moteurs et de comparer lesdivers points de vues apportés par les différents experts de l'industrie et de la rechercheautomobiles mondiales.

Cette Rencontre comprendra 4 sessions : Session 1 - L'avenir des carburants liquidesSession 2 - Problèmes de combustion HCCI et CAI liés aux moteurs et aux carburantsSession 3 - Conversion de l'énergie dans les moteurs à partir du gaz naturelSession 4 - Introduction de l'utilisation de l'hydrogène dans les moteurs thermiques

Destinées aux milieux scientifiques (universitaires, industriels, etc.), tant nationaux qu'internationaux, les "Rencontresscientifiques" de l'IFP (Institut français du pétrole) portent sur des thèmes de recherche correspondant à ses domainesd'expertise. Elles ont pour objectif de permettre des échanges de points de vue et d'expériences ainsi que de participer à ladiffusion des résultats des travaux de recherche et des connaissances scientifiques et techniques de l'IFP.

L' IFP est un centre de recherche et développement industriel, de formation et d'information (Ecole du pétrole et des moteurs)dans les domaines du pétrole, du gaz naturel et de l'automobile. Sa vocation est d'innover, de développer et de transférer lestechnologies qui permettront à la collectivité et à l'industrie des hydrocarbures et de l'automobile une croissance durable etrespectueuse de l'environnement.

Contact Presse : Anne-Laure de MarignanTél. 01 47 52 62 [email protected]

Contact Organisation : Bettina CarusoTél. 01 47 52 64 [email protected]

Contact scientifique Pierre Duret - Directeur du Centre "Moteurs et Utilisation des Hydrocarbures" àl'Ecole du Pétrole et des MoteursTél. 01 47 52 63 [email protected]

IFP Mai 2004

LLEE PPOOSSIITTIIOONNNNEEMMEENNTT SSTTRRAATTÉÉGGIIQQUUEE DDEE LL''IIFFPP

La stratégie de l'IFP part d'une vision claire de l'évolution à long terme du secteur énergétiquemondial. Le positionnement stratégique de l'IFP en découle en visant à profiter desopportunités offertes et de nos points forts au plan scientifique et technologique.

Personne ne conteste aujourd'hui que l'énergie est indissociable du progrès économique : elleest indispensable pour vivre, fabriquer les produits manufacturés dont nous avons besoin,pour les transports et pour notre confort.

Contexte énergétique mondial

Pour les décennies à venir, la croissance démographique et l'élévation du niveau de vieimpliqueront une augmentation significative de la demande d'énergie mondiale : si l'onconstate une certaine maturité des besoins en énergie dans les pays développés, la croissancedes besoins énergétiques restera forte dans les pays en développement, notamment en Chine ;ils représenteront une part de plus en plus importante de la consommation d'énergie mondiale.

Dans cette perspective d'une croissance à long terme de la demande d'énergie, nous devonsprendre en compte deux problèmes planétaires :

- le caractère par nature fini des ressources d'énergies fossiles. Les combustibles fossilescouvrent aujourd'hui 90 % des besoins énergétiques mondiaux et on n'envisage guère deréduction significative de leur part dans les prochaines décennies. Les progrès technologiquesont certes permis de repousser les limites des ressources accessibles pour le pétrole et le gaz.Cependant, l'hypothèse d'un pic de production pour les hydrocarbures doit être sérieusementprise en compte, même si la date à laquelle pourrait intervenir ce pic reste incertaine. Enrevanche, les réserves de charbon permettent d'envisager un avenir à beaucoup plus longterme.

- le réchauffement climatique dû à l'émission de gaz à effet de serre (GES), dont lesconséquences pourraient être dramatiques à l'horizon d'un siècle. Le secteur énergétique estresponsable aujourd'hui d'environ 80 % des émissions de gaz à effet de serre.

Depuis des décennies, les déterminants majeurs de la croissance de la demande d'énergieprimaire et de la consommation finale sont la production d'électricité et les besoins demobilité. Depuis plus de quarante ans, il existe un lien étroit entre la richesse mondiale d'unepart et la consommation d'électricité et le transport d'autre part. Ce sont les secteurs dont lademande croît le plus et dont les émissions de GES sont les plus élevées.

Les dynamiques et les enjeux dans ces deux secteurs sont de plus en plus disjoints et il existeaujourd'hui de fait deux sous-secteurs énergétiques distincts : la production d'électricité et letransport.

IFP Mai 2004

Un siècle de transition

Dans le domaine électrique, plusieurs options sont ouvertes pour satisfaire les besoins enélectricité : charbon, gaz, nucléaire, énergies renouvelables. Les gouvernements et les acteurspeuvent choisir leurs options en fonction de leurs priorités propres. L'IFP peut apporter dessolutions aux challenges de ce secteur en développant les ressources de gaz et en offrant destechnologies de capture et séquestration du CO2 dans la production d'électricité.

Dans le secteur du transport, en revanche, la quasi-totalité des besoins d'énergie est assuréepar le pétrole (98 %). Aucune alternative n’émerge à court et à moyen terme de par soncaractère difficilement substituable.

En conséquence, la consommation de pétrole se concentre de plus en plus sur le secteurtransport ainsi que sur le secteur de la pétrochimie pour lequel le pétrole n'a également guèrede substitut. Ceci représente un défi majeur dans la perspective plus ou moins proche d'un picde la production pétrolière et dans le contexte du changement climatique.

Par ailleurs, l'émergence d'une économie de l'hydrogène fait depuis peu l'objet d'unemobilisation forte des responsables politiques et des scientifiques. L'hydrogène présente àl'évidence deux avantages majeurs : il peut être produit à partir de n'importe quelle sourced'énergie primaire et n'émet pas de polluants lors de son utilisation (dans les véhicules ou lesinstallations fixes).

L'idée n'est pas nouvelle et sa mise en œuvre dans le secteur transport se heurte encore à desdéfis scientifiques, technologiques et économiques majeurs. Dans tous les cas, le déploiementd'une telle solution sera très progressif et très long.

L'IFP apparaît comme un des centres de recherche ayant la plus grande expérience dans cedomaine, compte tenu des importants travaux réalisés ou en cours sur la productiond'hydrogène (reformage), son stockage et son utilisation tant dans l'industrie du raffinage quedans le domaine du transport (piles à combustible). Aussi, l'IFP est-il bien placé pour évaluerles potentialités de la filière hydrogène et pour tracer les grands axes de son développement,tout en contribuant à lever les différents verrous scientifiques, technologiques et économiques.Par exemple, avant de disposer de filières économiques de production d'hydrogène n'émettantpas de CO2, l'IFP peut contribuer à développer une filière à partir de combustibles fossilesavec séquestration du CO2, permettant d'amorcer la transition énergétique vers l'hydrogène.

Compte tenu du rôle qu'ils jouent notamment dans le secteur des transports, le principede précaution impose de s'assurer que les hydrocarbures liquides, aux caractéristiquesidéales pour cet usage (haut pouvoir calorifique, facilités de transport et de stockage)seront durablement disponibles.

Stratégie de l'IFP

Les orientations stratégiques de l'IFP découlent de cette vision à long terme du secteurénergétique et de la mission principale de l'IFP qui est de développer les technologiespermettant de fournir l'énergie pour satisfaire les besoins mondiaux croissants demobilité, de façon durable tout au long du XXIe siècle.

Il importe tout d'abord de repousser les limites des réserves actuelles d'hydrocarbures. Lepremier substitut du pétrole conventionnel est le pétrole à haut contenu technologique. Les

IFP Mai 2004

nouvelles découvertes rendues possibles grâce à ces technologies restent un objectifimportant. Un accent doit aussi être mis sur l'amélioration du taux de récupération quireprésente un enjeu majeur dans un contexte de raréfaction des ressources. Un autre axemajeur est le développement des ressources non conventionnelles - offshore ultra-profond,bruts extra-lourds, sables asphaltiques -, dont la mise en production est porteuse d'unemultiplication par trois au minimum des réserves d'hydrocarbures liquides, représentant plusd'un siècle au rythme actuel de consommation.

On peut penser que lorsque la production de pétrole conventionnel commencera à plafonner,s'ouvrira alors un "âge d'or" de la technologie pétrolière ; il est vraisemblable que les prix dupétrole croîtront et que les opérateurs seront avides de toutes les technologies susceptibles derenverser la tendance à la baisse de la production.

Il est clair que ce qui est vrai pour le pétrole l'est aussi pour le gaz.

Par ailleurs, la croissance inéluctable de la part des secteurs transport et pétrochimie dans lademande de pétrole représente un défi technologique pour l'industrie du raffinage. Il convientde tirer le maximum de carburants et de bases pétrochimiques de chaque baril produit. Demême, la valorisation des pétroles non conventionnels impliquera le développement detechnologies de conversion. Dans ce cadre, les procédés de conversion profonde devraientconnaître un regain d'intérêt.

Une attention croissante doit être portée sur les préoccupations d'environnement. Ce seronttoujours les contraintes d'environnement locales qui imposeront la mise à disposition decarburants de plus en plus propres avec un contenu en hydrogène croissant. De même, leraffinage devra être attentif à réduire ses émissions de GES.

Il est également nécessaire de diversifier le bouquet énergétique de la productiond'hydrocarbures liquides, afin de sortir d'une dépendance exclusive vis-à-vis du pétrole. Il estd'ores et déjà envisagé de produire des carburants de synthèse à partir de diverses sourcesd'énergie, telles que le gaz, le charbon ou la biomasse, en utilisant des technologies deraffinage pour lesquelles l'IFP est compétent.

Enfin, dans le domaine des transports, il est indispensable de poursuivre l'amélioration desmoteurs à combustion interne. La prise en compte du caractère fini des ressources fossiles,ainsi que des contraintes environnementales, impose d'accorder une priorité à la maîtrise del'énergie, afin de tirer le maximum de chaque calorie consommée. L'hybridation est uneoption qui devrait se généraliser dans les décennies à venir. De même, l'utilisation decarburants gazeux à fort contenu en hydrogène, tel que le gaz naturel, peut contribuer à laréduction des émissions de GES. La réduction des émissions de polluants, et notamment deCO2, restera un des déterminants majeurs des travaux de l'IFP à l'avenir.

Si la capture du CO2 émis dans le secteur transport par les véhicules ne semble pasenvisageable, il convient de développer les technologies de capture et de stockage du CO2partout où cela est possible. La réduction des émissions de CO2 dans l'atmosphère passeraaussi par la séquestration de ce gaz (en particulier lors de la production d'électricité et dansl'industrie). Les technologies de capture, transport et séquestration relèvent des compétencesclés de l'IFP qui devrait pouvoir jouer un rôle de premier plan pour le développement de cetteoption.

IFP moteurs et carburantsUn avantage concurrentiel

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Plus de 50 ans d’innovationsau service de l’industrie automobile mondiale

L'IFP est le premier pôle européen,

indépendant, de recherche

et développement, de valorisation,

de formation et de documentation

dans le domaine des hydrocarbures

et de l’automobile. Créé en 1944,

l'IFP est aujourd'hui présent

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La combustion, la modélisation,

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pour moteurs et carburants ainsi

que la dépollution des moteurs

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L’expertise de l’IFP Moteurs

et sa capacité à proposer à ses clients

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IFP moteurs et carburantsUn avantage concurrentiel

◆ OUTILS ET MOYENS D’ESSAIS

• 40 bancs d’essais moteurs présentant

une très grande diversité

d’équipements, et en particulier :

- bancs d’essais de moteurs à accès

optiques ;

- bancs d’essais d’injecteurs ;

- bancs d’essais pour moteurs

d’automobile, de poids lourds,

de 2 roues, incluant des bancs

monocylindres et transitoires.

• 3 bancs à rouleaux équipés

pour la mesure des émissions

de polluants réglementés

et non réglementés des véhicules,

sur cycles de roulage (normalisés

ou spécifiques) ;

• Département calcul :

équipé des codes :

- CFD 1D, 3D : KIVA-MB,

FLUENT, WAVE

(combustion, aérodynamique) ;

- ABACUS, NASTRAN

(calculs de structures,

résistance des matériaux) ;

- fonctionnels internes

(analyse de combustion,

simulateurs de cycles

de conduite) ;

- AMESIM (développement

d’algorithmes de contrôle pour

toute fonction moteur ou véhicule) ;

- mailleurs ICEM CFD, ENSIGHT.

équipé des moyens de calcul :

- supercalculateurs NEC SX5,

SILICON/CRAY ORIGIN 2000 ;

- stations de travail SILICON

GRAPHICS de dernière génération.

• Bureau d'études équipé des logiciels

CAO EUCLID, CATIA ;

• Des laboratoires spécialisés :

- électronique et développement

de systèmes de contrôle moteur ;

- analyses physico-chimiques

et caractérisations de polluants

non réglementés ;

- formulations et analyses

de catalyseurs de post-traitement ;

- analyse et développement

de matériaux.

Banc moteur poids lourd

Cellule expérimentale haute pressionpour la caractérisation de la combustion diesel

Bancs moteurs à conduite automatiqueBanc à rouleaux équipé pour la mesure des polluants non réglementés

Technologie de combustion diesel à charge homogène HCCI(Homogeneous-Charge Compression-Ignition). Les concepts élaborés par l’IFP permettent

d’obtenir des émissions de NOx et de particules inférieures à 0,04 g/kWhi

Mode de combustion à Auto-Inflammation Contrôlée (Controlled Auto-Ignition, CAI) : une alternative à la combustion stratifiée avec injection directe

pour répondre au défi de la réduction simultanée du CO2 et des NOxVisualisation par fluorescence induite

de l’auto-inflammation du carburant dans un moteur CAI

IFP moteurs et carburants : un avantage concurrentiel

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0

0,6

0,5

0,4

0,3

0,2

0,1

0

0 10 20 30 40 50 60 70

Engine load (%)

Referenceengine

HCCI engine

Ind

icat

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pec

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NO

x (g

/kW

h)

Ind

icat

ed S

pec

ific

Par

ticul

ate

(g/k

Wh)

HCCI engine reduced CR

◆ PROCÉDÉS INNOVANTSDE COMBUSTION

De la compréhension des modes

de combustion à la conception

de la chambre de combustion, l’IFP :

• conçoit des modèles de calcul

originaux afin de comprendre

les phénomènes et contrôler

les paramètres de la combustion

pour toutes les phases : initiation,

propagation et formation des

polluants ;

• analyse et visualise les phénomènes

liés à l'injection et à l’aérodynamique

interne dans les moteurs à l'aide

des moyens optiques les plus

performants – moteurs transparents,

cellules 150 bar/1 200 °C, lasers

à fréquences variables – et valide

ainsi les modèles physiques associés

aux codes de calcul ;

• applique les outils de modélisation

et de diagnostic expérimental dans

le processus de développement

des chambres de combustion ;

• met au point de nouveaux modes

de combustion pour répondre

aux exigences en termes

de performance, consommation

et pollution.

◆ NOUVELLES TECHNOLOGIESMOTEURS

Les nouvelles technologies IFP

destinées aux moteurs reposent

sur de nombreuses innovations.

Elles sont validées par la construction

de prototypes dont les choix

d’architecture et de géométrie

intègrent les cahiers des charges

performances et anticipent

sur les exigences d'industrialisation.

Moteurs diesel• mise en œuvre de solutions

technologiques – architecture,

injection, distribution,

suralimentation – permettant

de passer les normes Euro IV,

Euro V sous contrainte d'économie

de carburant ;

• mise au point d'une aérodynamique

interne variable ;

• conception d’architectures culasse

permettant une amélioration

de la thermique et de la résistance

thermomécanique ;

• support au développement des

systèmes d'injection haute pression

pilotables du type common rail ;

• mise au point de nouveaux systèmes

de contrôle ;

• applications de procédés de

combustion en mélange homogène

(Homogeneous-Charge Compression-

Ignition - HCCI, concept NADITM).

Moteurs à essence• conception, développement

et optimisation de chambres

de combustion pour moteurs

à injection directe essence ;

• optimisation de la thermique

et de la résistance thermomécanique

de la culasse ;

• mise au point de nouveaux systèmes

de contrôle ;

• amélioration du rendement

des moteurs conventionnels :

mélange pauvre, fort taux d'EGR

ou suralimenté ;

• applications de modes

de combustion par Auto-

Inflammation Contrôlée (Controlled

Auto-Ignition - CAITM).

Moteurs GNV, GPL• mise au point de moteurs

de véhicules légers ou de poids

lourds fonctionnant au gaz naturel

comprimé : développement

des chambres de combustion

et du contrôle moteur ;

• mise au point de moteurs

fonctionnant au GPL : chambres

de combustion, injection liquide

et gazeuse, contrôle moteur

et performance.

Visualisation du développement de l’injectionhaute pression (moteur diesel à injection directe)

Visualisation par modélisation 3D de l'écoulementdans un moteur diesel common rail

Piston de moteur poids lourd GNVactuellement en production

Outil de développement de contrôle moteur

Moteur prototype à injection directe essence NSDI TM

(Narrow Space Direct Injection)

Moteurs de compétition • codes de calcul adaptés aux

conditions aérodynamiques

extrêmes ;

• développement de carburants

spécifiques.

Petits moteurs• applications du procédé

IFP IAPAC® d’injection directe

assistée par air comprimé

aux moteurs 2 Temps pour

automobiles ;

• solutions Injection Directe

pour réduire la pollution

et la consommation des moteurs

2 Temps conventionnels pour

les deux-roues et les hors-bord ;

• applications du procédé IFP SCIPTM

(Simplified Camless IAPAC).

◆ POST-TRAITEMENTDES GAZ D'ÉCHAPPEMENT

L’IFP est très présent dans

le développement et la mise au point

de solutions technologiques efficaces

de post-traitement des gaz

d’échappement des moteurs à essence

ou diesel, pour automobiles et poids

lourds. Les outils de prototypage

rapide développés à l’IFP permettent

d’intégrer les besoins spécifiques

des clients dans les stratégies de post-

traitement. L’IFP offre tout à la fois

des solutions optimisées de systèmes

complets de post-traitement ou

des dispositifs adaptés à des besoins

spécifiques :

• pièges à NOx essence ou diesel :

formulation, stratégies de contrôle

moteur, cycles d'endurance ;

• filtres à particules diesel : stratégies

de régénération et endurance ;

• capteurs pour OBD ;

• additifs et autres dispositifs

de régénération des filtres à particules ;

• supports spécifiques : catalyseurs,

filtres à particules, pièges à NOx ;

• prestations d'expertise ou

de benchmarking.

◆ NOUVEAUX CARBURANTS,ADÉQUATIONMOTEURS–CARBURANTS

L’IFP associe à l’expertise

de ses ingénieurs motoristes

les compétences dans le développement

de procédés de raffinage, qui font

de l’IFP un des leaders mondiaux dans

ce domaine. Ceci confère à l’offre

de l’IFP en matière d’adéquation

moteurs-carburants un caractère

concurrentiel tout à fait unique :

• formulation de carburants réduisant

de façon significative la formation

de dépôts dans la chambre

de combustion, sur les injecteurs

et les soupapes et diminuant

les nuisances produites par les

moteurs (bruits, odeurs, pollutions) ;

050

2000 4000 6000

Mileage kmN

Ox

effic

ienc

y (%

)8000 10000 12000 14000 16000

60

70

80

90

100

S = 5 ppm

S = 50 ppm

S = 350 ppm

Modélisation 3D d'un front de flammedans une chambre de combustion de moteur de F1

Catalyseur 4 voies pour moteur diesel :couplage piège à Nox et filtre à particules

Démonstrateur à injection liquidede GPL carburant

Influence du soufre sur l'efficacité d'un piège à NOx

◆ EXPERTISE & ESSAIS

Possédant une longue expérience

dans la mise au point de technologies

moteurs et disposant de puissants

moyens expérimentaux, l’IFP

a développé une réelle expertise

dans le domaine de la détection

et de l’analyse des défauts des moteurs.

L’IFP assure à ses clients,

avec une gamme de services allant

des essais standards aux essais

sur bancs de tests spécifiques,

des analyses et des diagnostics

de grande qualité :

• essais normalisés pour

les carburants et les lubrifiants :

CEC, GFC, PSA Peugeot Citroën,

Renault, JASO, DEF STAN, GPEM ;

• essais sur moteurs CFR ;

• validation et caractérisation

d'organes sur bancs spécifiques

dans le cadre de développements

ou de cycles d’endurance :

culasses – swirl, tumble,

perméabilité – systèmes d'injection

common rail, injecteurs essence

et diesel ;

• évaluation des matériaux ;

• analyse et correction de défauts

de conception par modélisation

et simulation dynamique ;

• analyses de benchmarking réalisées

à l'aide d'outils spécifiques :

scanner X à acquisition rapide,

by-pass de pilote de contrôle moteur

de série, prototypage rapide

de contrôle moteur.

◆ FORMATION

L’IFP propose une spécialisation

pour les jeunes ingénieurs à l’École

du Pétrole et des Moteurs

et des programmes de formation

pour des professionnels.

Les programmes de formation

continue sont des programmes

sur mesure, adaptés aux besoins

particuliers de chaque entreprise.

Influence de la formulation des gazoles sur les émissions de CO d’un véhicule dieselCommon Rail (cycle européen)

Outils de diagnostic 3D permettant l'optimisationimmédiate des géométrie internes

de pièces complexes

• formulation de carburants alternatifs –

biocarburants, carburants gazeux –

et évaluation sur les moteurs des

paramètres d’encrassement, d’émissions

polluantes et d’agrément de conduite ;

• exploration de nouvelles pistes

pour des formulations novatrices :

stratégies GTL (Gas To Liquid),

carburants issus du procédé

Fischer-Tropsch, composés oxygénés ;

• mise au point de matériaux

plastiques ou composites pour

réaliser des équipements – tuyaux,

réservoirs, joints – adaptés

aux carburants et lubrifiants.

Effets obtenus sur les émissions polluantes par l’ajout de composés oxygénés innovants (20 % en vol.) au carburant diesel

IFP Moteurs1 et 4, avenue de Bois-Préau - 92852 Rueil-Malmaison Cedex, FranceTél. : +33 1 47 52 59 18 - Fax : +33 1 47 52 53 04 - www.ifp.fr

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CONTACTS

International :

Nicolas des Courtils

IFP Moteurs

Marketing & Prestations / Ventes

1 et 4, avenue de Bois-Préau

92852 Rueil-Malmaison Cedex

France

Tél. : +33 1 47 52 59 85

Fax : +33 1 47 52 53 04

[email protected]

Allemagne :

Oliver Schmidt

IFP Powertrain Engineering

Responsable Grands Comptes

Gustav-Heinemann-Ring 60

D-81739 München

Allemagne

Tél. : +49 89 44 76 91 96

Fax : +49 89 44 76 91 97

Mobil: +49 171 44 33 305

[email protected]

I nnoverpour un développement durabledans le domaine de l’énergie

L’Institut français du pétrole (IFP) est

un centre indépendant, de recherche

et développement industriel, de forma-

tion et d’information dans le domaine

de l'énergie, dont les activités couvrent

l’ensemble de la chaîne des hydrocar-

bures et de ses substituts :

exploration, produc-

tion, raffinage,

pét roch imie ,

moteurs e t

u t i l i s a t i o n

des produits

pétroliers.

L’IFPL’IFP

D ans un contexte où les hydrocarbures, notamment pétrole et gaz, resteront très largement incontournables pour les usages transports pendant de nombreuses décennies encore,

la vocation de l’IFP est d’innover, de développer et de transférer lestechnologies qui permettront à la collectivité et à l’industrie deshydrocarbures et de l’automobile une croissance durable et respec-tueuse de l’environnement.

Créé en 1944, l'IFP est un acteur reconnu de la scène pétrolière et énergétique ;

il a plus que jamais la volonté d'agir efficacement face aux nouveaux défis posés

par le développement durable dans le domaine de l'énergie, en mettant à disposi-

tion des pouvoirs publics et de l'industrie, les hommes, les connaissances et les

technologies permettant de répondre, à des coûts acceptables pour nos sociétés,

aux questions soulevées par les approvisionnements énergétiques du futur et par

la protection de l'environnement.

ACTEUR MAJEUR DE LA SCÈNE

ÉNERGÉTIQUE INTERNATIONALE

Organisée autour des quatre domaines fondamentaux de la chaîne pétrolière

(exploration-gisements, forage-production, raffinage-pétrochimie, moteurs-

énergie), la Recherche et Développement (R&D) de l'IFP vise, avec une finalité

industrielle affirmée, à élargir et diversifier l'accès aux ressources d'hydrocarbu-

res, à maîtriser les consommations et à réduire de façon drastique les émissions

de polluants, y compris les gaz à effet de serre. Son action s’appuie sur une

recherche de base et exploratoire, menée au plus haut niveau, en propre ou en

partenariat, avec les milieux scientifiques et industriels, tant français qu’interna-

tionaux. Un flux continu d’innovations issu de ces travaux vient, ainsi, enrichir un

patrimoine scientifique et technologique fort d’un portefeuille de 13 500 brevets

“vivants”.

Cette action de R&D, pour être efficace, doit être doublée d'un important effort

de formation et d'information afin d'une part, de maintenir et de transférer

aux jeunes générations les compétences scientifiques et techniques et d'autre

part, de mettre à la disposition du plus grand nombre — industriels, décideurs

politiques et opinion publique — des données fiables et objectives.

y Formation, avec l’École du pétrole et des moteurs, ouverte aux diplômés

de l’enseignement supérieur du monde entier, qui offre une gamme très large

de formations aux métiers du pétrole, du gaz et des moteurs, prolongée, dans

le domaine de la formation permanente, par ENSPM Formation Industrie.

y Diffusion des connaissances — scientifique, technique et économique —

au bénéfice des acteurs institutionnels et de l’industrie des hydrocarbures

avec d'une part, une politique active de publication d'articles, de communications

à congrès, de rédaction d'ouvrages et d'autre part, une offre complète de

prestations d'information, d'études et de conseil technico-économiques.

Via ses filiales directes et ses participations dans des entreprises parapétrolières,

l’IFP est à la tête d’un groupe de dimension internationale dont les activités

couvrent l’ensemble de la chaîne parapétrolière, du conseil à l’ingénierie en pas-

sant par la fourniture de produits, d'équipements et de services. Ce groupe cons-

titue un relais important pour l’industrialisation des innovations technologiques

de l'IFP.

Enfin, l’IFP mène une politique active de coopération avec les PME-PMI contri-

buant ainsi au renforcement technologique de ces entreprises, et donc au déve-

loppement de l’emploi, en les faisant bénéficier de ses compétences et de son

savoir-faire.

Le développement

durable, dans ses diffé-

rentes dimensions de déve-

loppement économique, de respect

de l'environnement et d'équité sociale, est

au cœur de la stratégie et de la politique

interne de l'IFP.

D ans la perspective d'une consommation énergétique mondiale qui

devrait doubler d'ici à 2050 et qui reposera, pour plusieurs décen-

nies encore et pour près des deux-tiers, sur le pétrole et le gaz,

l'industrie des hydrocarbures est confrontée au défi majeur de renouveler lesréserves tout en assurant la protection de l'environnement aux échelles locale

et globale.

Dans la mesure où il n'existe pas aujourd'hui d'énergie capable d'assurer massive-

ment et économiquement la relève du pétrole, particulièrement dans ses usages

transports, les hydrocarbures (pétrole et gaz) continueront à assurer la majeure

partie des besoins énergétiques mondiaux dans les 40 prochaines années.

Dans ce contexte, la R&D, qui est la mission centrale de l'IFP, se doit d'innover et

de concevoir les technologies qui garantiront un approvisionnement mondial

suffisant, durable et géographiquement diversifié.

Les thèmes de recherche de l'IFP sont ainsi structurés selon deux axes stratégiques :

y renouveler, accroître et diversifier les ressources mondiales d'hydrocar-bures (pétrole, gaz, dérivés et substituts). La réponse à ce défi quantitatif des réser-

ves est aujourd'hui relativement bien cernée mais nécessite encore des progrès

technologiques considérables, en particulier dans les domaines de :

L’IFP

• l'amélioration du taux de succès en exploration ;

• l'accroissement significatif des taux de récupération du pétrole ;

• l'exploitation des gisements offshore (en mer) très profonds ou ultra-profonds

(2 000 à 3 000 mètres de profondeur d'eau) ;

• l'exploitation des pétroles non conventionnels : bruts extra-lourds de la ceinture

de l'Orénoque, sables bitumineux de l'Athabasca, etc. ;

• l'abaissement des coûts de liquéfaction du gaz naturel et de transport GNL ;

• la transformation du gaz naturel ainsi que d'autres ressources (produits lourds,

charbon, etc.) en carburants liquides de haute qualité.

y réduire l’impact de l’industrie des hydrocarbures sur l’environnement. Pour l'industrie pétrolière, l'enjeu est de taille puisqu'il ne s'agit pas moins que

de briser la chaîne qui conduit de la production/consommation des hydrocarbures

à l'augmentation de la teneur en CO2 dans l'atmosphère et à l'effet de serre. À cet

égard, d'importants efforts de R&D doivent être mis en œuvre pour :

• tirer le plus d’énergie possible de chaque baril produit ;

• maîtriser les consommations, limiter les rejets, etc. ;

• concevoir des procédés (raffinage, pétrochimie et traitement du gaz) et des pro-

duits (catalyseurs et adsorbants) respectueux des normes environnementales ;

• minimiser l'impact des transports sur l'environnement (amélioration de la quali-

té des carburants, réduction des consommations et des émissions de polluants) ;

• développer des énergies renouvelables comme la biomasse (et notamment les

biocarburants) ;

• développer des technologies réduisant significativement les émissions de gaz

à effet de serre, en particulier la capture et la séquestration du CO2 ;

• concevoir des technologies permettant la production propre et économique

de l'hydrogène à partir d'énergie fossile d'une part et de biomasse d'autre part.

Dans cette action en faveur du développement durable, la R&D de l'IFP bénéficie

au quotidien d'étroites synergies avec les activités de formation et d'infor-

mation. Former les professionnels de l'industrie pétrolière de

demain, tout en les sensibilisant à ces questions, telle est

l'ambition de l'IFP au travers de son École du pétrole et

des moteurs. Mais aussi, informer le plus grand

nombre — industriels, pouvoirs publics, opinion

publique, etc. — et ce, en toute transparence,

pour que les décideurs disposent de tous

les éléments scientifiques, techniques et

économiques nécessaires pour fonder les

choix, engageant les générations futures,

qui devront être faits dans le domaine de

l'énergie. C'est là tout le sens de l'action

que l'IFP mène en matière de diffusion de

ses connaissances.

ACTEUR DU

DÉVELOPPEMENT DURABLE

L’innovation est au

cœur des activités de

l’IFP et guide au quotidien

l'action de ses personnels, que ce soit

dans le domaine de la recherche et déve-

loppement, de la diffusion de ses savoirs et

de son activité de développement industriel.

L’IFPUne recherche et développement tournée vers l'industrie

Pour innover et conduire ses programmes de recherche, l’IFP anticipe les besoins

du marché, assure le transfert des résultats de ses travaux vers l’industrie et

contribue ainsi au développement et à la compétitivité technologique des indus-

tries pétrolière, parapétrolière, gazière et automobile. Pour ce faire, l'IFP

dispose d’ingénieurs et de techniciens hautement spécialisés dont les compéten-

ces scientifiques et techniques couvrent l’ensemble des métiers de l’industrie des

hydrocarbures. L'IFP bénéficie d'équipements et de technologies de pointe et

anime de nombreuses structures professionnelles.

Des réussites industrielles majeures

De nombreux produits, équipements, procédés ou logiciels, véritables innovations

technologiques issues de la R&D de l'IFP, sont aujourd'hui largement utilisés par

les industries pétrolière, parapétrolière, gazière et automobile et ce sur toute

la chaîne des hydrocarbures. À titre d'exemple, peuvent être cités :

• dans les domaines de l'exploration et de l'exploitation des gisements, le logiciel

Fraca, commercialisé depuis mi-2002 par Beicip-Franlab, qui a été conçu par

l'IFP pour fournir à l'industrie un outil performant de modélisation particulière-

ment dédié aux réservoirs fracturés. Ce logiciel est notamment utilisé par l'in-

dustrie pour modéliser la géométrie des réservoirs carbonatés fracturés, ces der-

niers constituant une part majeure des réserves mondiales. Cette modélisation,

préalable indispensable à une simulation pertinente des écoulements au sein

des réservoirs, revêt ainsi une importance stra-

tégique pour optimiser leur exploitation.

• dans les domaines du forage et de la pro-

duction, des travaux ont abouti à la mise

au point d'une technologie de riser pour le

forage en mers profondes utilisant un princi-

pe de connexion original, commercialisé sous

le nom de Clip Riser. À la fois rapides et per-

formants, ces connecteurs répondent bien au

besoin des opérateurs. Fabriqués sous licence

par la société Kvaerner, ils ont été vendus à plus

de 600 exemplaires, plaçant la technologie Clip Riser

en position de leader actuel sur son marché.

• dans les domaines du raffinage et de la pétrochimie, les procédés de

réduction de la teneur en soufre des carburants développés par l'IFP font partie

des succès majeurs de ces dernières années. Commercialisés par Axens, filiale de

l'IFP, ils confèrent à cette dernière une position de leader mondial sur ces

marchés. Ainsi, le procédé Prime-G+ qui permet la désulfuration profonde des

essences de craquage catalytique a fait l’objet de 70 licences pour une produc-

tion totale de 1 900 000 barils par jour d’essence “verte”.

• dans le domaine des moteurs, l'IFP a largement contribué à la conception et au

développement du premier moteur à injection directe d'essence commercialisé

par un constructeur européen. Ce moteur, produit

en série par Renault, bénéficie d'un couple accru

et d'une consommation réduite par rapport à

son prédécesseur à injection indirecte. Encore

un exemple d'innovation technologique qui

contribue à une moindre consommation des

énergies fossiles et donc une meilleure pro-

tection de l'environnement.

Une politique active de formationà et par la recherche

• 135 doctorants (dont 20 % de chercheurs étrangers) ;

• 50 post-doctorants ;

• une politique active d'essaimage avec des formations diplô-

mantes pour ingénieurs organisées à l'étranger avec un partenaire universitaire

local (Angola, Iran, Russie, etc.).

Une politique dynamique de capitalisation des connaissances

• un portefeuille de 13 500 titres de propriété industrielle et plus de 1 000 nou-

veaux brevets déposés chaque année ;

• 500 publications par an ;

• un catalogue de près de 950 ouvrages scientifiques et techniques.

ET L’INNOVATION : DE LA RECHERCHE

À L' INDUSTRIE

L ' I F P À L A P O I N T EUne recherche tournée vers l'excellence scientifiqueet technique

Pour garantir un haut niveau scientifique de ses travaux, l'IFP s'appuie à la fois sur

des personnels hautement qualifiés, souvent experts reconnus internationalement

dans leurs domaines respectifs, et sur des équipements modernes et performants.

y Sur un effectif total de 1 860 personnes, plus

de 80 % sont des ingénieurs et techniciens dont les

travaux couvrent, au global, des compétencesscientifiques et techniques en :

• Géologie-Géochimie ;

• Géophysique ;

• Ingénierie de réservoir ;

• Mécanique appliquée ;

• Physique et Analyse ;

• Catalyse et Séparation ;

• Chimie et Physico-chimie appliquées ;

• Génie des procédés ;

• Développement des procédés ;

• Moteurs et Énergie ;

• Technologie, Informatique et Mathématiques appliquées ;

• Économie.

L'IFP accueille annuellement près de 135 doctorants et 50 post-doctorants qui

contribuent aux travaux de recherche cognitive et exploratoire.

Avec une activité de recherche et déve-

loppement organisée autour des quatre

domaines fondamentaux de la chaîne

pétrolière (exploration-gisements, forage-

production, raffinage-pétrochimie,

moteurs-énergie), l'IFP est le premier

pôle européen intégré et indépen-

dant de R&D

couvrant l'ensem-

ble de ces secteurs

d'activités.

y

D E L A R E C H E R C H E RECH

ERCH

E ET

DÉV

ELO

PPEM

ENT

y Pour mener leurs travaux, les chercheurs de l'IFP disposent d'équipements

scientifiques et informatiques de pointe, de laboratoires dans les différents

domaines d'expertise et d'installations pilotes qui permettent le passage de l'expéri-

mentation à la réalisation industrielle. À titre d'exemple, peuvent être mentionnés :

• un scanner à rayons X pour l'analyse et la visualisation des hétérogénéités,

fissures, porosité et saturation des pièces ou objets étudiés ;

• une boucle d'essais dédiée à l'étude des dépôts de paraffine et de formation des

hydrates dans les conduites de pétroles bruts ;

• plus de 160 unités pilotes dédiées à la conception et au développement indus-

triel des procédés de raffinage, de pétrochimie et de traitement de gaz ;

• une trentaine de bancs moteurs et plusieurs bancs à rouleaux, bancs d'injection

diesel, bancs de diagnostics optiques, bancs aérodynamiques et bancs moteurs

dynamiques ;

• une trentaine de maquettes pour études hydrodynamiques ;

• des simulateurs de formation permettant de comprendre, définir et reproduire

les systèmes de contrôle et de régulation des procédés de raffinage et des équi-

pements associés ;

• des moyens de calcul avancé, etc.

Une recherche à finalité industrielle

80 % des recherches conduites à l'IFP ont une finalité industrielle affirmée.

La recherche fondamentale, qui représente 20 % des budgets de R&D, condition-

ne le renouvellement du patrimoine scientifique de l'IFP et, favorisant l'innovation,

son avenir à long terme.

À côté de ses nombreuses collaborations avec les principaux organismes de

recherche et laboratoires français et étrangers, l'une des caractéristiques princi-

pales de la R&D de l'IFP est son adossement à de grands secteurs industrielsinternationaux : hydrocarbures (pétrole et gaz naturel) et automobile. L'IFP entre-

tient ainsi, de par le monde, des collaborations étroites avec de nombreux indus-

triels — une trentaine de compagnies pétrolières et gazières, une quarantaine de

sociétés parapétrolières, une vingtaine de constructeurs et équipementiers auto-

mobiles — et ses recherches ont un effet levier important dans l'industrie. Par

ailleurs, l'IFP a entrepris depuis plusieurs décennies une politique de création d'entre-

prises et de développement industriel afin d'assurer un relais industriel à ses travaux

de recherche et de contribuer à la croissance de sociétés à haute valeur ajoutée.

uverte aux diplômés de l’enseignement supérieur du monde entier,

l’École du pétrole et des moteurs offre une gamme complète de forma-

tions, francophones et anglophones, à tous les métiers du pétrole, du

gaz, de la pétrochimie et des moteurs. Se distinguant par sa dimension interna-tionale et ses liens privilégiés avec l’industrie et la recherche (partenariats

industriels, programmes diplômants à l’étranger, panel de services auprès des

élèves et anciens élèves, réseau de partenaires en France et à l’étranger, etc.),

elle a acquis une très large notoriété partout

dans le monde. Au cours de la dernière décennie,

le nombre d’élèves a doublé, passant de 200 à 400

élèves par promotion avec une proportion de

50 % d'élèves étrangers.

Dans le domaine de la formation permanente,

l'action de l'École du pétrole et des moteurs est

prolongée par ENSPM Formation Industrie. Dans le

cadre d'un champ d'action tant national (6 centres

de formation régionaux) qu'international, ENSPM

Formation Industrie répond aux besoins en forma-tions techniques, scientifiques et économiquesdu personnel des industries pétrolière, gazière,

parapétrolière et chimique, de l'ingénierie, de

l'industrie des moteurs et des industries connexes.

En outre, des formations diplômantes sont désor-

mais conduites dans de grands pays pétroliers,

dans le cadre d'opérations dites d'essaimage et en

partenariat avec des institutions locales.

L’IFP conduit une importante action de for-

mation avec l’École du pétrole et des moteurs,

prolongée dans le domaine de la formation

permanente par ENSPM Formation Industrie.

Ce continuum formation initiale/

formation permanente permet de

répondre avec précision aux attentes

des entreprises nationales et interna-

tionales. Partie intégrante de l'IFP,

l'École du pétrole et des moteurs

bénéficie d'une synergie naturelle

entre ses programmes de forma-

tion et la recherche et déve-

loppement menée à l'IFP.

y L E T R A N S F E R T D E S

O

L'École du pétrole et des moteurs

Acteur de rang mondial, l’École du pétrole et desmoteurs forme de vrais professionnels, directementopérationnels, aux métiers du pétrole, du gaz et del’automobile. Partie intégrante de l’IFP, elle bénéficied’un environnement scientifique et technique excep-tionnel et offre à ses élèves un cadre international.

L’École propose aux candidats jeunes diplômés(bac +4) et aux ingénieurs de grandes écoles :

• 5 domaines d’études : Exploration, Développement et exploitation des gisements, Raffinage-pétro-chimie-gaz, Moteurs et utilisation des hydrocarbures, Économie et gestion ;

• 5 cycles francophones de spécialisation pour ingénieurs et 5 cycles anglo-phones conduisant au diplôme d'ingénieur ou à un Master of science ;

• 2 mastères spécialisés ;

• 4 programmes doctoraux ;

• 35 enseignants permanents et 500 professeurs et intervenants de l’industrie et de la recherche ;

• des scolarités en alternance école-entreprise avec un statut de salarié ;

• des programmes en partenariat avec desuniversités et écoles de réputation interna-tionale : Colorado School of Mines (USA),Oklahoma University (USA), Texas A&M(USA), Imperial College (UK), McGillUniversity (Canada), Université Goubkinedu pétrole et du gaz (Russie), etc.

• une cinquantaine d’entreprisesparrainant des élèves ;

• des stages dans les directions de recherche de l’IFP.

ENSPM Formation Industrie• 6 centres de formation en France : Lillebonne, Martigues près de Marseille,

Pau, Rouen, Rueil-Malmaison près de Paris, Solaize près de Lyon ;• des formations spécifiques adaptées aux demandes au sein d’entreprises en

France et à l’étranger ;• des outils pédagogiques modernes et performants (simulateurs dynamiques

de procédés, de forage, vidéothèques, ateliers de mécanique et d'instrumenta-tion, matériels de démonstration, etc.) ;

• 85 personnes dont 55 formateurs permanents ;• 500 intervenants extérieurs ;• une politique de diversification des services offerts.

Chaque année, ENSPM Formation Industrie dispense près d’un millier de sessionsde formation pour plus de 10 500 participants dont 2 000 étrangers. 800 sociétés de 70 pays différents font appel à ENSPM Formation Industrie.

• plus de 11 000 diplômés de 113 nationalités, depuis sa création en 1924 ;

• près de 2 400 candidatures en 2003 ;• 400 élèves admis pour l’année et 135 thèses en cours

en 2003 ;• 60 % des étudiants financés directement par l’industrie ;• 45 % d’étudiants étrangers venant de 40 pays ;• un taux de placement de 99 % dès la sortie ;• 80 sociétés de 50 pays recrutant régulièrement

les diplômés ;• plus de 600 stagiaires chaque année.

yy L’ÉCOLE EN QUELQUES CHIFFRES

S A V O I R S

TRA

NSF

ERT

DES

SA

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IRS

ette organisation s'articule, dans le domaine des hydrocarbures, de

leurs dérivés et substituts et de leur utilisation, autour de deux missions

principales :

y Accroître la notoriété et la valorisation des savoirs de l'IFP dans ses diffé-

rents domaines de compétences scientifiques, techniques et économiques ;

y Documenter les administrations, l'industrie, les techniciens et les chercheurs

sur les connaissances scientifiques et les techniques industrielles.

Dans ce cadre, s'appuyant sur l'ensemble de ses compétences scientifiques,

techniques et économiques et sur un Centre d'information et d’expertise unique

en Europe, l'IFP propose une offre complète de prestations d'information — services

documentaires, études technico-économiques, expertises et conseil — sur l'ensemble

des filières énergétiques (hors nucléaire).

La diffusion des connaissances de l'IFP s'exerce également via une politique

active de publications d'articles et de communications à congrès, l'édition d'une

revue scientifique de notoriété internationale, la rédaction d'ouvrages de référence,

l'organisation de nombreux colloques internationaux et la présence active des

chercheurs de l'IFP dans les plus grandes sociétés savantes internationales.

y CAPITALISATION ET DIFFConscient de l'importance stratégique du

savoir, de sa capitalisation et de sa trans-

mission vers différents publics — pouvoirs

publics, milieux scientifiques, industriels,

médias, grand public, etc. —, l'IFP a mis

en place, en 2002, une

nouvelle organisation

spécialement dédiée

à la diffusion des

connaissances.

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USION DES CONNAISSANCES

Un Centre européen d’information et d’expertise scientifique, technique etéconomique

• un fonds documentaire spécialisé unique en Europe, couvrant l’ensemble de la chaîne des hydrocarbures et composé de 80 000 ouvrages et 1 100 collections de revues scientifiques, avec accès aux principaux serveurs et bases de données scientifiques, techniques et économiques ;

• des partenariats étroits avec la Bibliothèque nationale de France dont il est pôleassocié et certaines structures documentaires de grands groupes industriels.

Des produits d'information technico-économique à haute valeur ajoutée

• prestations documentaires sur devis ;

• prestations de veille (standard ou personnalisée) multicritère (pays, acteurs,marchés, technologies, produits, réglementation, etc.) ;

• études monoclients à fort contenu méthodologique ;

• études multiclients ;

• prestations de conseil et expertises.

Présent à des degrés divers sur l'ensemble de la chaînede l'information, l'IFP adapte en permanence ses diffé-rents vecteurs de diffusion des connaissances à uncontexte particulièrement marqué par une évolutionrapide des technologies de l'information et de la commu-nication, ainsi que ses offres en développant de nouveaux produits et/ou services.

La capitalisation - diffusion des connaissances : publications, articles et communications

• diffusion des résultats de la recherche IFP dans les principaux congrès nationaux et internationaux ;

• publication d’articles dans les revues spécialisées françaises et étrangères ;

• publication d'une revue bilingue et multidisciplinaire : Oil & Gas Science and Technology (OGST) - Revue de l'Institut Français du Pétrole, à comité édi-torial et ouverte aux travaux des chercheurs de l’IFP et à ceux d'autres orga-nismes français et étrangers ;

• publications d'ouvrages de référence faisant autorité sur le plan mondial ;

• diffusion via les Éditions Technip d’un catalogue de près de 950 titres (dont400 ouvrages d'auteurs IFP) couvrant tous les domaines de l'industrie deshydrocarbures et disciplines connexes.

L'animation des communautés de métiers : colloques, congrès et séminaires

• colloques institutionnels, rendez-vous annuels de l'ensemble du secteur de l'énergie (hors nucléaire) : Panorama, Colloque IFP-OAPEP, Oil Summit, GasSummit, etc. ;

• colloques scientifiques “Rencontres scientifiques de l’IFP” ;

• colloques industriels “Entretiens technologiques de l'IFP”.

Information

L’IFP, créateur d’entreprises

Dès sa création, l’IFP s’est engagé dans la voie de la valorisation industrielle en

soutenant la création et le développement de sociétés. Cette politique s’est

traduite par d’incontestables succès industriels :

• Technip, en 1958, et Coflexip, en 1971, qui a conduit en 2001, suite à la fusion

de ces deux entités, à la formation d’un des leaders mondiaux du secteur para-

pétrolier (ingénierie et construction d'installations industrielles) ;

• Procatalyse, en 1959, donnant naissance, avec l’apport d’une activité complé-

mentaire externalisée par l’IFP, à la création d’Axens en 2001, acteur reconnu

internationalement dans l’aval pétrolier (bailleur de licences de procédés, four-

nisseurs de catalyseurs et adsorbants, et services associés pour le raffinage,

la pétrochimie et le gaz) ;

• NovaSep, créée avec la participation de l’IFP et cédée à ses fondateurs en 2002,

aujourd’hui fournisseur d’équipements et de services pour tous les grands groupes

pharmaceutiques ;

• Beicip-Franlab (en 1992 par fusion de Beicip et de Franlab), Prosernat (en 1998),

Vinci Technologies (en 1992) ou encore Diamant Drilling Services (en 2000),

devenue en deux ans un fabricant d’outils de forage reconnu.

Ces sociétés, qui couvrent l’ensemble de la chaîne parapétrolière — du conseil à

l’ingénierie en passant par la fourniture de produits, d’équipements et de services

— constituent un réseau de partenaires de premier plan et proposent une offre de

services pétroliers hauts de gamme sur le marché international des hydrocarbures

et de ses dérivés.

L’IFP a entrepris depuis plusieurs décennies

une politique de création d’entreprises et

d’investissement dans des sociétés indus-

trielles avec un triple objectif : être en prise

avec les besoins du marché afin d’orienter ses

travaux de recherche, leur assurer un relais

industriel et contribuer à l'émergence et à la

croissance d’entreprises à haute valeur ajoutée.

y L E G R O U P E I F P

GRO

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IF

P

• dans des sociétés en phase d'amorçage : l'IFP participe,

en tant que sponsor aux côtés du CEA, de la CDC-

PME et du groupe Natexis Banques

Populaires, au fonds d'amorçage 3 E

(Emertec - Énergie - Environnement)

créé en 2003.

L’IFP, investisseur en capital

L’IFP mène également une politique active d'investissements industriels :

• dans des sociétés détenues majoritairement ou non et dans lesquelles les inno-

vations technologiques sont un élément important de la création de valeur ;

• dans des sociétés en création ou en développement : l'IFP a fondé Isis dévelop-

pement, société de capital-risque, pour prendre des participations minoritaires

dans des sociétés dans lesquelles il crée de la valeur, au-delà du capital, par

l'apport de son expertise technologique et la connaissance du secteur dans

lequel elles opèrent ;

Portefeuille des principales participationsindustrielles de l'IFP au 30 septembre 2003

Cette action se traduit par :

y une recherche de partenariats avec les PME-PMI les plus performantes dans

leur domaine à travers :

• un dispositif de bureaux régionaux maillant l'ensemble du territoire national,

• une mise à disposition par l’IFP de moyens originaux et polyvalents d’assistan-

ce et de conseil pour soutenir les projets d’innovation des PME-PMI dans

le cadre d’un partenariat équilibré ;

y un appui au développement technologique ciblé sur les domaines de com-

pétence de l'IFP tels que :

• les procédés (notamment en matière de protection de l’environnement et de

valorisation des déchets),

• les équipements industriels,

• les appareils de mesure et de contrôle,

• les matériaux et produits chimiques,

• les logiciels,

• l'intelligence économique ;

y des actions menées en liaison avec d’autres structures spécialisées et avec

l’aide financière d’organismes habilités.

L’IFP conduit une importante action

de transfert de compétences et de savoir-

faire vers les PME-PMI, favorisant ainsi

l'innovation et contribuant significativement

au soutien du tissu économique national et

à la création d'emplois.

y P A R T E N A R I A T P M E -

- P M I

PART

ENA

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T PM

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I

L’IFP apporte une aide à la conduite des projets des PME-PMI, de la phase de

recherche à la mise sur le marché, dans le respect de leurs objectifs. Ces projets

correspondent à des innovations conçues par les PME-PMI, ou à des technolo-

gies développées par l'IFP dans ses secteurs d'activité propres (pétrole, gaz, éner-

gie) et applicables à d'autres secteurs, ou enfin, à des inventions émanant d'au-

tres centres de recherche.

L’IFP apporte : • ses compétences scientifiques et techniques ;

• son expérience dans l'industrialisation d'innovations technologiques ;

• ses moyens (laboratoires, unités pilotes, services brevets et centre de docu-

mentation) ;

• son label qualité et sa réputation internationale ;

• des interlocuteurs à l’écoute, avec un point d'entrée unique ;

• son appui pour favoriser des relations avec d'autres intervenants (organismes

de financement, institutionnels, centres de ressources, etc.).

Chaque année, l’IFP reçoit environ 200 demandes de consultations, instruit 70

dossiers, signe plus de 25 contrats de coopération et dépose une dizaine de brevets

en partenariat.

IFP (Siège social)1 et 4, avenue de Bois-Préau • 92852 Rueil-Malmaison Cedex • France

Tél. : +33 1 47 52 60 00 • Fax : +33 1 47 52 70 00

IFP-LyonBP 3 • 69390 Vernaison

Tél. : +33 4 78 02 20 20 • Fax : +33 4 78 02 20 15 Phot

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