Si le diesel propre ne constitue plus aujourd'hui une utopie, des arbitrages techniques et financiers doivent être résalisés pour rendre acceptable le coût de la dépollution, sans affecter la consommation de carburant.
Article rédigé par Anne-Catherine Mauny.
Focus :
Trois solutions au choix
- Privilégier une combustion bas NOx pour éviter le coût d'un post- traitement ; cette solution pourrait être applicable aux plus petites cylindrées, naturellement peu polluantes.
- Privilégier une combustion bas NOx tout en utilisant en complément le post-traitement pour également favoriser une diminution des émissions de CO2.
- Privilégier une combustion bas CO2, en partant du principe que les NOx et particules supplémentaires émises au moteur sont traitées par le post-traitement, qui se trouve ainsi rentabilisé.
Sous l'influence d'une réglementation européenne évolutive, le diesel propre ne constitue plus une utopie. L'obligation de conformité à des seuils de dépollution de plus en plus stricts a incité les constructeurs à rendre disponible une large gamme de technologies de dépollution. Cependant le modèle technico-économique de la dépollution diesel est loin d'être établi et des arbitrages techniques et économiques doivent être effectués pour rendre acceptable le coût de la dépollution.
Afin de protéger environnement et santé des populations, la lutte contre les pollutions atmosphériques et les émissions de CO2 est devenue une priorité. Jouant un rôle majeur dans les problèmes de qualité de l'air et de santé humaine, les émissions automobiles se voient imposer depuis 1992 des seuils limites d'émissions polluantes. Les normes Euro, fruits de règlements européens, établissent ces seuils par polluant et par motorisation - essence et diesel. Des efforts particuliers de dépollution ont été demandés ces dernières années au diesel, plus émetteur d'oxydes d'azote (NOx) et de particules en suspension (PM, Particulate Matter) que les motorisations essence ; entre 2000 (Euro 3) et 2005 (Euro 5), ces émissions ont été divisées par deux. Nous sommes aujourd'hui à un tournant où les prochains seuils de dépollution diesel rejoindront ceux, très faibles, des motorisations essence. L'année 2009 (Euro 5) constituera en effet le palier où l'émission de particules est supprimée à l'échappement par l'imposition d'un filtre à particules (FAP), et l'année 2014 (Euro 6) imposera des seuils limites d'émission de NOx très proches de ceux émis par les motorisations essence à injection directe.
Le CO2 constitue également une préoccupation majeure des constructeurs, soumis à la pression du législateur communautaire qui prépare une réglementation spécifique attendue entre 2012 et 2015, mais également à la pression des acheteurs qui, au-delà de leur sensibilisation croissante à la problématique de l'effet de serre, souhaitent par-dessus tout des véhicules peu consommateurs au regard de l'évolution du coût du baril.
Pour répondre à ces nouveaux seuils de dépollution et à la limitation des rejets de CO2, les défis sont tout autant technologiques qu'économiques. Il s'agit dans un premier temps pour les constructeurs automobiles de présenter dès 2009 des réponses efficaces au traitement des particules. Leur principal défi consistera surtout à résoudre pour 2014 la difficile équation entre limitation des émissions de NOx et de CO2, selon laquelle les modes de traitement des émissions de NOx augmentent la consommation du véhicule et donc les rejets de CO2, et inversement. Enfin, les constructeurs doivent incorporer des outils de diagnostic de la viabilité de leurs systèmes de dépollution, le tout à des coûts de développement et des prix de vente supportables.
Le respect des futurs seuils d'émission de particules n'est aujourd'hui plus un problème grâce aux améliorations apportées au système d'injection - augmentation des pressions d'injection, réduction de la taille des trous d'injecteurs pour limiter la production de suies - et au filtre à particules (FAP), obligatoire dès 2009 sur les nouveaux véhicules (voir "Polluants atmosphériques et CO2 : des problématiques brûlantes" en fin d'article).
Combustion et traitement des NOx : des défis technologiques soumis à des impératifs de rentabilité
A l'heure actuelle, les principaux enjeux de la dépollution diesel concernent le traitement des NOx et la limitation des émissions de CO2. La maîtrise de la combustion fut un temps considérée comme la clé du succès. En mode de combustion conventionnelle, un moteur optimisé pour émettre peu de CO2 va fabriquer beaucoup de PM et de NOx, et à l'inverse, un moteur réglé pour être peu polluant va accroître sa consommation et donc ses émissions de CO2. Afin de traiter de front NOx et CO2, deux technologies de combustion avancées ont soulevé l'intérêt des constructeurs de véhicules diesel jusqu'à récemment : le HCCI (Homogeneous Charge Compression Ignition, ou combustion homogène) et l'hybride diesel.
Consistant à établir un rapport stoechiométrique entre air et carburant pour traiter à la source NOx et PM tout en maîtrisant très efficacement les émissions de CO2, le HCCI nécessite encore aujourd'hui de très importants coûts de développement pour être maîtrisé. De son côté, l'hybride diesel associe motorisation thermique (diesel) et moteur électrique, ce dernier se substituant au diesel sur les plages de conduite gourmandes en carburant, et donc les plus émettrices de CO2. L'hybride diesel coûte à l'heure actuelle deux fois plus cher que le diesel classique, en incluant les coûts de fabrication et de recyclage de la motorisation.
Avec le rattrapage du prix de l'essence à la pompe, les constructeurs ont commencé à s'interroger sur l'avenir du diesel et ont fait le choix d'interrompre les investissements autour de ces deux technologies de combustion avancées. Les véhicules essence émettant déjà des taux de NOx correspondant à ceux qui seront demandés au diesel à l'horizon 2014, il est moins coûteux et techniquement plus simple de reporter les efforts d'hybridation et de combustion homogène sur cette motorisation.
Honda est actuellement le seul constructeur à avoir consenti de très importants efforts technologiques et financiers grâce à son modèle économique qui lui permet de rentabiliser le développement d'une solution proche du HCCI. Honda a en effet su tirer parti d'une gamme de véhicules relativement restreinte pour lui appliquer une réponse technologique unique, déclinée à l'identique pour l'ensemble de ses marchés et l'ensemble des normes de dépollution afférentes. La technologie IDTECH répond ainsi déjà à Euro 5 et Euro 6. Il s'agit d'une approche Premixed Charge Compression Ignition (PCCI) qui permet d'allier basse température de combustion, garante d'une réduction des NOx à la source, et amélioration du rendement moteur, donc meilleure consommation et limitation des émissions de CO2, grâce à un prémélange d'air et de carburant. Ce système de combustion avancé est renforcé par un filtre à particules et un système de catalyse optimisé pour effectuer une ultime réduction des NOx.
Pour répondre aux impératifs de traitement des NOx et de limitation des rejets de CO2, l'autre solution consiste à s'orienter vers une amélioration de la combustion conventionnelle, alliée à des solutions de post-traitement. Contrairement aux modes de combustion avancés, cette approche technico-économique ne se fonde pas sur une technologie de rupture capable de répondre par elle seule aux différents impératifs de dépollution. Elle repose au contraire sur des ajustements entre différentes technologies qui, prises isolément, n'apportent que des gains incrémentaux. Dans la mesure où les optimisations de combustion se font souvent au détriment du rendement CO2, arbitrages financiers et stratégiques s'avèreront nécessaires pour choisir les meilleurs réglages entre technologies de combustion et de post-traitement, afin de parvenir au meilleur équilibre NOx-CO2, à des coûts de développement et des prix de vente supportables.
Optimisation de combustion : des arbitrages nécessaires
La recirculation des gaz brûlés (Exhaust Gas Recirculation ou EGR) constitue une des technologies phare de dépollution du diesel. Elle consiste à réinjecter au niveau du compresseur une partie des gaz d'échappement pour abaisser la température de combustion et réduire les émissions de NOx en sortie de moteur. Selon son réglage en haute pression (EGR haute pression ou traditionnelle) ou en commutation haute-basse pression (EGR basse pression), la recirculation des gaz d'échappement induit, selon certains experts, des émissions de CO2 plus ou moins importantes ; utilisé en commutation haute et basse pression, l'EGR basse pression atteint des performances supérieures à l'EGR traditionnel en réduction des NOx, mais accroît les émissions de CO2. Des recherches sont actuellement menées sur l'EGR basse pression afin d'améliorer son rendement CO2 sans nuire à ses capacités de traitement des NOx. Dans cette attente, différents compromis s'offrent aux constructeurs (voir "Trois solutions au choix" ci-contre).
Solutions de post-traitement disponibles
Deux grandes catégories de post-traitement des NOx sont disponibles et visent à réduire les NOx en azote (N), principal composant de l'air. Les pièges à NOx consistent à capturer les NOx afin de les brûler. Ils offrent des rendements acceptables, mais moindres que la réduction catalytique sélective (SCR, Selective Catalytic Reduction) qui provoque une réaction chimique entre NOx et ammoniac, ce qui transforme les polluants en azote (N) et vapeur d'eau (H2O). Cette solution est chère et particulièrement retenue pour les grandes cylindrées.
Dans la plupart des cas, l'agent oxydant se présente sous forme d'ammoniac liquide, ou urée, ce qui nécessite l'implantation d'un réservoir supplémentaire, spécifiquement dédié au stockage de l'urée, pour un remplissage lors des maintenances. Mercedes travaille à l'optimisation de cette solution afin d'éviter ces contraintes : l'ammoniac est autogénéré par le système de catalyse, et utilisé pour réduire les NOx.
Post-traitement de NOx : le respect de la réglementation à un coût
Si une combustion optimisée présente de multiples avantages en plus de la dépollution - amélioration des performances, gains de consommation selon les réglages -, le post-traitement ne sert qu'à répondre à des seuils réglementés de pollution. Il est donc impératif d'en maîtriser les coûts. A cet égard, le partage des coûts de développement et de production entre constructeurs et équipementiers est un avantage par rapport à l'amélioration de la combustion, à la seule charge des constructeurs. Ces derniers comptent par ailleurs sur une baisse du prix unitaire du post-traitement du fait des quantités produites.
Des recherches sont néanmoins menées pour réduire les coûts de production. Les pièges à NOx présentent par exemple l'inconvénient de contenir des métaux précieux, essentiellement platine (Pt), rhodium (Rh) et palladium (Pd) dont le coût croît exponentiellement. Deux voies sont à l'étude pour limiter cette charge en métaux précieux. La première consiste à substituer en partie au Pt, Rh ou Pd des métaux non précieux comme le fer, le lanthanum ou encore le manganèse. Il n'existe pour l'heure aucune garantie de succès, les performances de ces matériaux restants très insuffisantes pour aboutir au rendement catalytique nécessaire. L'autre voie consiste à compacter le système de post-traitement. Toyota fait figure de précurseur en la matière avec le déploiement depuis 2003 de son système Diesel Particulate-NOx Reduction (DPNR), système compact trois en un qui inclut un NOx Trap pour capturer les NOx, un catalyseur d'oxydation pour les brûler et un filtre à particules. Les prochains enjeux du DPNR sont de parfaire la compacité du système afin de limiter davantage la charge en métaux précieux, sans perte de performance.
L'avènement du diesel propre ne constitue donc plus à ce jour une utopie. Portées par une réglementation en constante évolution, les solutions technologiques existent mais feront l'objet de compromis techniques et économiques de la part des constructeurs. Il est indéniable que leur choix se portera sur les technologies de dépollution offrant le meilleur rapport coût-efficacité par catégorie de cylindrée. C'est la raison pour laquelle certains experts penchent pour le retrait des motorisations diesel sur certaines petites cylindrées, naturellement peu émettrices de CO2 et pour lesquelles des solutions de dépollution essence sont moins onéreuses à mettre en oeuvre.
Le point sur :
Polluants atmosphériques et CO2 : des problématiques brûlantes
Le secteur automobile figure parmi les principaux contributeurs à la pollution atmosphérique par le rejet de polluants considérés parmi les plus dangereux : monoxyde de carbone (CO), gaz incapacitant prenant la place de l'oxygène de l'air, et oxydes d'azote (NOx), provoquant acidification des milieux et hyperréactivité bronchique. Les hydrocarbures (HC) rejetés par les motorisations essence et les particules (PM) rejetées par les diesels, sont quant à eux soupçonnés d'effets cancérogènes.
Ces polluants sont des produits de la combustion incomplète des hydrocarbures (imbrûlés rendus nocifs par leur dégradation partielle lors de la phase de combustion) et des produits d'une réaction du carburant avec l'azote présent dans l'air. Le dioxyde de carbone (CO2) est un produit de combustion complète de même que la vapeur d'eau (H2O). A ce titre il n'entre pas dans la catégorie des polluants mais constitue un des principaux gaz à effet de serre.
