B. LES PROGRÈS DU MOTEUR À COMBUSTION INTERNE : INCONTOURNABLES À COURT TERME, INSUFFISANTS À LONG TERME
Le moteur à combustion interne reste, selon tous les experts consultés, la pierre angulaire de l'automobile pour plusieurs décennies encore. Les voitures futures ressembleront beaucoup à celles d'aujourd'hui mais consommeront moins de carburant grâce à de nouveaux procédés de fonctionnement. C'est ce qu'a démontré l'IFP en cherchant à quantifier les progrès significatifs possibles dans la configuration du cycle européen d'homologation. Il en ressort que l a principale source d'économie de carburant est le rendement du moteur (20 % de gain espéré) , puis la masse du véhicule (10-15 %), les frottements à l'intérieur du moteur (environ 10 %), l'augmentation du couple spécifique (environ 10 %) , puis les frottements et l'aérodynamique générale du véhicule. Ce sont les questions relatives au rendement et au couple que vos rapporteurs vont ici examiner, soit 20-30 % de gains potentiels.
Les moteurs diesel et essence ne sont toutefois pas à placer sur le même plan. En matière de diesel, des progrès considérables ont déjà été obtenus au niveau technique et en terme d'émissions dans le parc automobile. Le succès de cette motorisation repose sur sa diffusion massive, son faible coût et ses performances élevées qui ont un impact mesurable important sur les émissions de gaz à effet de serre. Des progrès supplémentaires sont encore possibles. Les moteurs à essence n'ont pas encore bénéficié de tous les progrès des diesels, c'est un enjeu très important au niveau mondial puisque les États-Unis et le Japon sont des marchés « essence ».
1. La diésélisation : solution d'aujourd'hui, solution de demain ?
La diésélisation du parc a permis de diminuer significativement les consommations et les émissions globales de gaz à effet de serre. Cette diffusion progressive d'une technologie performante est représentative du temps nécessaire pour obtenir un impact important sur l'ensemble du parc. Aujourd'hui, deux questions principales se posent : le moteur diesel peut-il encore progresser significativement ? L'offre de diesel pourra-t-elle suivre la demande de diesel ?
• La diésélisation du parc : un gain très important d'émissions
Pour avoir un impact sur les émissions globales de CO 2 , il est indispensable qu'une technologie donnée soit diffusée rapidement et massivement sur le marché, c'est-à-dire à un prix raisonnable. La diésélisation du parc automobile en France et en Europe est un très bon exemple.
Les économies de consommation par rapport à l'essence sont comprises entre 20 et 30 %. Selon le CCFA, la diésélisation du parc en Europe permet d'économiser 50 MteCO 2 . La diésélisation de 30 % du parc américain permettrait d'économiser 135 MteCO 2 , soit l'équivalent des émissions de la route en France .
Le CCFA a par ailleurs effectué les calculs suivants permettant d'évaluer les économies de CO 2 réalisées, en France, en fonction de la diffusion des différentes technologies par rapport à la moyenne européenne :
Par ailleurs, la technologie doit être diffusée rapidement. Le secteur des transports reste soumis à de très fortes inerties, les véhicules les plus récents ne remplaçant que très progressivement les véhicules anciens.
M. Alain Morcheoine a mis en lumière les différents facteurs d'inertie qui limitent le renouvellement du marché 29 ( * ) :
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Délai nécessaire pour la mise sur le marché d'une innovation importante en matière d'amélioration des performances spécifiques de la motorisation des véhicules |
Entre 10 et 15 ans |
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Temps de pénétration d'une innovation sur les ventes neuves (ex : études de pénétration de la climatisation automobile au Japon et aux USA |
Environ 15 ans hors incitation |
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Temps de pénétration d'une innovation dans le parc (études du rythme de renouvellement du parc de voitures particulières C. Gallez, de l'INRETS, et études du SES/METLTM). |
Environ 30 ans dans les mêmes conditions |
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La mise en place de mesures d'incitation ou de normes permet en moyenne de gagner 2 à 5 ans (simulation ADEME à partir des travaux précédents |
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Temps de pénétration d'une innovation chez les poids lourds neufs |
Moins bien connu et évalué à 4 à 5 ans dans le parc |
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Environ 10 ans |
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Temps de déploiement d'un changement complet de politique logistique d'une entreprise |
5 à 10 ans |
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Temps de mise en service d'une infrastructure nouvelle ferroviaire (après décision politique) |
Environ 12 ans |
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Temps d'effet effectif de mesures de réduction en valeur absolue du trafic automobile urbain dans le cadre de PDU |
15 à 20 ans
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Temps de réaménagement durable du territoire
d'une agglomération
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30 à 50 ans |
Selon M. Morcheoine : « Les études faites par l'ADEME sur la pénétration de la climatisation automobile sur les marchés américain et japonais, très en avance sur le marché européen, montrent en effet qu'entre le moment où la première voiture neuve équipée est mise en vente et le moment où toutes les voitures neuves sont équipées de cette technologie, il se passe environ 15 ans. La courbe de pénétration n'est bien entendu pas linéaire mais suit plutôt une courbe en « S » (courbe verte). Les études faites par l'INRETS pour le compte de l 'ADEME sur la dynamique de renouvellement du parc montrent que selon la loi de survie des véhicules le parc met environ 25 ans pour se renouveler complètement (courbe bleue). Les effets de différentes mesures d'accélération (mise en oeuvre de normes, réglementation, incitations, se révèlent n'avoir que peu d'effet (voir figures). »
PENETRATION NATURELLE D'UNE TECHNOLOGIE DANS LE PARC DE VOITURES PARTICULIERE
PENETRATION
NATURELLE
DE LA
TECHNOLOGIE
EN 15 ANS
SUR LES VOITURES NEUVES
PENETRATION
DANS LE PARC
LOI DE SURVIE
DES VOITURES
Source C.Gallez
INRETS/ADEME
Ainsi, une technologie n'équipera 100 % du parc que 35 ans après son introduction, 50 % après 13 ans (courbe rouge) .
La pénétration peut être accélérée par l'adoption d'une nouvelle norme. Cette accélération reste cependant très limitée : seulement trois ans.
PENETRATION D'UNE TECHNOLOGIE
DANS LE PARC DE
VOITURES PARTICULIERES
ACCELERATION PAR MISE EN PLACE D'UNE NORME
LOI DE SURVIE
DES VOITURES
PENETRATION
DANS LE PARC
Source C.Gallez
INRETS/ADEME
L'utilisation d'une « prime à la casse » ou d'une nouvelle réglementation pour retirer les anciens véhicules de la circulation n'est pas beaucoup plus efficace. Elle ne permet de gagner que 6 mois sur l'équipement de 50 % du parc et 3,5 ans sur l'équipement de 95 %.
PENETRATION D'UNE TECHNOLOGIE
DANS LE PARC DE
VOITURES PARTICULIERES
ACCELERATION PAR MISE AU REBUT DE VEHICULES ANCIENS
CONTRÔLE TECHNIQUE
RENFORCE
SORTIE DES VOITURES >15 ANS
PENETRATION
NATURELLE
DE LA
TECHNOLOGIE
EN 15 ANS
SUR LES VOITURES NEUVES
PENETRATION
DANS LE PARC
Source C.Gallez
INRETS/ADEME
La combinaison de ces deux types de mesures est - elle efficace puisque l'ensemble du parc est équipé/renouvelé au bout de 19 ans au lieu de 35 ? Trois ans et demi sont gagnés sur l'équipement de 50 % du parc et 7 ans sur celui de 95 %.
PENETRATION D'UNE TECHNOLOGIE
DANS LE PARC DE
VOITURES PARTICULIERES
ACCELERATION PAR MISE EN OEUVRE SIMULTANÉE DES DEUX MESURES
NOUVELLE
NORME
A
L'ANNEE 5
CONTRÔLE TECHNIQUE
RENFORCE
SORTIE DES VOITURES >15 ANS
PENETRATION
DANS LE PARC
Source C.Gallez
INRETS/ADEME
Historiquement, la progression de la technologie diesel en parts de marché correspond à cette modélisation. En 1980, 9,9 % des voitures neuves étaient diesel en France (7,1 % en Europe), le seuil des 50 % de parts de marché a été franchi en 2001 en France (56,2 %) pour atteindre 69,2 % en 2004. En Europe, 48,2 % des voitures neuves sont diesel en 2004.
Les constructeurs français ont pu pleinement exploiter cette nouvelle technologie et en sont les leaders mondiaux. Le groupe PSA est allié depuis 1998 avec Ford pour produire des moteurs en très grande quantité. L'objectif initial d'occuper le premier rang mondial devant Volkswagen est en passe d'être atteint. Dans le cadre de cette collaboration industrielle portant sur six moteurs, plus de 4 millions d'unités ont été produites entre 2002 et 2004. L'objectif est d'en produire 3,7 millions en 2010 sur les sites français de Trémery (Moselle) et Dagenham (RU).
• Des progrès techniques sont-ils encore possibles ?
Les performances du moteur diesel reposent sur la maîtrise de l'injection directe à haute pression et de la suralimentation permettant le « downsizing ».
Les progrès futurs reposent sur deux voies principales : l'amélioration des techniques actuelles et la mise au point d'un nouveau mode de combustion dit homogène.
L'amélioration de l'injection directe est l'une des voies privilégiées 30 ( * ) . Elle permet d'optimiser le mélange air/carburant. Elle est d'autant plus efficace que le carburant est sous pression, injecté de la manière la plus précise possible en termes de quantité et de moment.
Pendant de nombreuses années l'injection était assurée par un système mécanique lié à chaque cylindre qui assurait en même temps la mise sous pression, les quantités et le moment de l'injection n'étaient pas modulables.
Une évolution sensible a été effectuée par les systèmes d'injection électronique qui ont permis de séparer la mise sous pression de l'injection. La mise sous pression est réalisée de manière mécanique à l'intérieur d'un réservoir dit « rampe commune ». Une pression constante est assurée dans la rampe. Les injecteurs sont commandés électroniquement et sont en fait des aiguilles qui libèrent ou non le trou d'injection par une impulsion électromagnétique.
Source : IFP
L'injection électronique a également permis de mettre au point une injection multiple. Au lieu d'injecter en une seule fois le carburant, celui-ci est introduit dans le cylindre en plusieurs fois, de trois à cinq actuellement. Ces injections ont pour objectif de réduire les bruits de cliquetis, de mettre sous pression la chambre, d'assurer le meilleur mélange et la meilleure combustion possible et enfin de maintenir une pression élevée. Elles permettent donc de réduire le bruit, d'augmenter le rendement du moteur et d'en diminuer les émissions polluantes. Ces systèmes sont extrêmement pointus, les injections représentent des volumes très faibles pouvant être inférieurs à 1 mm 3 et dans des intervalles de temps très courts, moins d'une centaine de microsecondes. Ces dispositifs ne peuvent fonctionner que grâce à de nombreux capteurs permettant de connaître l'évolution exacte du fonctionnement du moteur (température, pression, position du piston) mais aussi du circuit d'échappement (taux d'imbrûlés...).
Les nouveaux moteurs Ford/PSA tirent partie de ces évolutions. Le moteur destiné aux véhicules utilitaires (2,2 l) bénéficie de cinq injections par cycle et la pression d'injection a été portée à 1.800 bars contre 1.350 précédemment. Il dispose également de la recirculation des gaz de combustion (EGR).
Ils sont représentatifs des progrès à court terme des moteurs diesel qui peuvent désormais atteindre un coupe de 150 NM/l et une puissance de 50 kW/l avec une cylindrée comprise entre 1,2 l et 1,5 l. La réduction de consommation est de l'ordre de 5 à 10 % supplémentaire s. Aux progrès de l'injection s'ajoutent ceux de la turbosuralimentation à géométrie variable . Cela permet de récupérer l'énergie disponible à l'échappement sur une turbine pour entraîner un compresseur, qui introduit l'air d'admission sous pression. L'augmentation de la quantité d'air introduite permet de brûler d'avantage de carburant et donc de produire plus d'énergie. Lorsque la turbine est équipée d'un système à géométrie variable, des ailettes orientables dévient le flux des gaz entrants. Leur orientation est pilotée par un calculateur qui optimise la récupération de l'énergie en fonction du régime du moteur. Le couple du moteur est ainsi plus élevé à haut comme à bas régime.
Source : IFP
Au cours des prochaines années, les injecteurs à électro-aimant devraient laisser la place à des injecteurs « piézo-électriques » composés par une céramique qui se dilate ou se rétracte sous l'effet d'un fort courant électrique et commande le mouvement de l'aiguille. Ayant une réaction quasiment instantanée, ils pourraient être jusqu'à six fois plus rapides. Ils permettraient des dosages plus précis et des injections plus nombreuses.
De nouveaux progrès sont attendus par une évolution importante du mode de combustion. Il s'agit de la combustion homogène HCCI (Homogeneous Charge Compression Ignition) . Cette combustion consiste à la fois à réduire la consommation et à réduire les polluants, notamment les NOx. Le défi consiste à contrôler le temps d'auto-allumage, la vitesse et la température pour optimiser le mélange et la combustion. Elle conduira à une évolution de la formulation des gazoles. Elle pourrait aboutir vers 2010 et améliorer légèrement la consommation en diminuant significativement les émissions de polluants .
M. Philippe Pinchon a ainsi présenté un chemin de progression possible du moteur diesel vers un niveau d'émission plus faible et pouvant s'accompagner de dispositifs de post-traitement.
• Les pétroliers peuvent-ils fournir toujours plus de diesel ?
Compte tenu de ces évolutions, la demande de carburants en Europe s'est très fortement modifiée depuis la fin des années 1990. D'un partage quasiment égal entre essence et diesel compris entre 120 et 140 Mt/an en 1998, la demande de gazole en Europe est désormais supérieure à 200 Mt/an et celle d'essence inférieure à 100 Mt/an.
En France, l'évolution est plus rapide et plus forte. Par rapport à 1990, la demande d'essence à été divisée par deux et celle de gazole multipliée par deux. Aujourd'hui, la demande de gazole est comprise entre 35 et 40 Mt/an et la demande d'essence entre 5 et 10 Mt/an.
Or, il n'est pas possible, avec un baril de pétrole, de produire autant de gazole ou d'essence que le marché le demande. Certains seuils ne peuvent être dépassés ou représentent une dépense énergétique très importante.
Le groupe Total avait soumis le schéma simplifié suivant à vos rapporteurs pour montrer les possibilités et les impossibilités de conversion d'un produit à un autre :
Par rapport aux États-Unis ou au reste du monde, le raffinage européen est déjà tourné en priorité vers la production de diesel qui représentait 43 % du raffinage contre 45 % pour l'essence aux États-Unis :
Il en résulte des échanges de carburant entre l'Europe et le reste du monde.
Les caractéristiques de la demande du secteur des transports et les limitations des techniques de raffinage conduisent à des déséquilibres régionaux entre les productions et les consommations qui conduisent à des importations et des exportations de carburants, qui s'aggraveront d'ici à 2010 selon le groupe Total :
Ces flux de carburants peuvent être schématisés entre la Russie (exportation de gazole vers l'Europe), l'Europe (exportation d'essence vers les États-Unis) et les États-Unis.
Cette situation ne va pas sans créer de dépendance vis-à-vis de certaines zones et des tensions sur le marché. Ainsi le gazole est désormais plus cher que l'essence alors que c'était traditionnellement l'inverse, y compris durant l'été où la demande en essence est la plus forte car les Américains prennent leurs véhicules pour les vacances ( driving season ).
La diésélisation du parc automobile européen, voire la diésélisation d'autres régions du monde comme les États-Unis n'est pas sans limite malgré son intérêt en termes d'émissions de gaz à effet de serre.
Cette évolution ne peut être soutenable que si elle s'accompagne de nouveaux progrès en termes de consommations, de solutions industrielles de substitution par des carburants de synthèse issus de la biomasse remplaçant les gazoles, mais aussi par des progrès significatifs d'attractivité des motorisations essence ou alternatives permettant un rééquilibrage de la demande.
* 29 Cf. Ibid.
* 30 Cf. « Un calculateur dans le moteur », gabriel Martin, La Recherche, n°380, nov. 2004.