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Les carburants



Qu'est ce qu'un carburant ?

On appelle « carburants » les substances dont la combustion permet le fonctionnement des moteurs thermiques. L'énergie chimique contenue dans le carburant est donc destinée à être convertie en énergie mécanique. L'essence utilisée dans les voitures particulières est un cas particulier de carburant. Comme la plupart des carburants courants, l'essence est en fait un mélange de nombreuses espèces chimiques : plusieurs dizaines d'hydrocarbures « réservoirs d'énergie » et des additifs en faibles proportions introduits pour donner des propriétés particulières au mélange.

Les carburants les plus courants ainsi que leur usage et leur consommation annuelle en France sont donnés dans le tableau suivant.

Carburant

Moteur

Essence

moteur à pistons : voitures particulières

Gazole

moteur à pistons (diesel) : voitures particulières, véhicules de transport routier.

Carburéacteur (« kérosène »)

moteur à réaction : avions

Carburants lourds (fiouls lourds)

moteur à pistons (diesel) : navires de moyen ou fort tonnage

 

Production des carburants par raffinage du pétrole

La principale voie d'obtention des carburants les plus courants est le raffinage du pétrole (on appelle « raffinage » l'ensemble des opérations visant à transformer le pétrole brut extrait du gisement en produits utilisables : combustibles, carburants, produits de base de l'industrie chimique...).

Le schéma suivant donne une vision simplifiée de la chaîne de raffinage : le pétrole brut contient toujours une certaine quantité d'eau salée, elle est extraite au cours de l'étape de dessalage. Il subit ensuite une séparation de ses constituants par distillation fractionnée sous pression atmosphérique. Les colonnes utilisées peuvent atteindre soixante mètres de haut le long desquelles la température varie entre 370 et 70 °C. Elles sont conçues pour que les produits puissent être retirés à différentes hauteurs; on parle des « coupes de distillation ».

 

Les différentes coupes de distillation prélevées le long de la colonne sont :

  • En fond de colonne : les hydrocarbures les plus lourds (C>20, à plus de 20 atomes de carbone par molécule), appelés « résidus atmosphériques ». Ce sont ceux dont le point d'ébullition est le plus élevé. Pour subir une séparation plus poussée, ils doivent être distillés sous vide.
  • La température d'ébullition du mélange décroît avec sa hauteur dans la colonne et on sépare les gazoles (C13-C20), le kérosène (C10-C13), matière première du carburéacteur, puis le naphta (C5-C10), qui permettra de produire les essences ordinaires et super.
  • En tête de colonne, on récupère les produits les plus volatils à l'état gazeux (C1-C4).

À titre d'exemple, la plus grosse raffinerie de France (raffinerie de Normandie, groupe Total) a une capacité de distillation de 16 millions de tonnes de brut par an.

Composition de l'essence

Les carburants usuels n'ont pas une composition bien définie. Ce sont des mélanges d'hydrocarbures qui varient avec l'origine géographique du pétrole utilisé et les procédés de raffinage appliqués. En fait le mélange ne peut être commercialisé que s'il vérifie des contraintes très strictes sur les propriétés physiques (densité, volatilité) énergétiques (pouvoir calorique) et chimiques (indice d'octane, limitation des teneurs en certains composants).

Par exemple, pour être vendu sous l'appellation eurosuper (super 95), un mélange doit avoir une densité comprise entre 0,72 et 0,78 kg/L à 15 °C et un indice d'octanede 95 au moins. La composition du mélange doit vérifier une dizaine de valeurs limites. Par exemple, la quantité de benzène en volume doit être inférieure à 1 %, celle de soufre inférieure à 150 mg/kg, celle de plomb inférieure à 5 mg/L.

Les essences usuelles (super 95 et 98) et le gazole sont des mélanges de plusieurs dizaines d'hydrocarbures (alcanes linéaires et ramifiés, alcènes, aromatiques) auxquels on a ajouté des additifs qui apportent des propriétés particulières : éthers (amélioration de l'indice d'octane), détergents et surfactants (lutte contre les phénomènes d'encrassement du moteur), colorants etc. Pour déterminer les propriétés énergétiques de ces carburants, on les modélise par un « hydrocarbure moyen » : l'octane C8H18 pour l'essence et le dodécane C12H26 pour le gazole.

Combustion de l'essence

Dans un moteur, c'est la réaction de combustion de l'essence qui dégage l'énergie nécessaire au fonctionnement.

Dans la pratique, l'essence est caractérisée par son Pouvoir Calorifique, PC, qui est la quantité d'énergie libérée par la combustion complète d'une masse d'un kg. PC = - ΔrH°/M où M est la masse molaire de la substance considérée. Dans le cas de l'octane, PC (octane) = 44.103 kJ/kg. On constate que cette valeur est très proche de celle obtenue expérimentalement pour les essences réelles, cela justifie a posteriori le choix de l'octane pour modéliser l'essence. Le pouvoir calorifique du gazole est légèrement inférieur à celui de l'essence.

Indice de cétane

Le cétane ou hexadécane (IUPAC) est un hydrocarbure saturé de la famille des alcanes. Il possède 16 atomes de carbone (C) et 34 atomes d'hydrogène (H). Il entre dans la composition du gazole. On parle d'ailleurs de l'indice de cétane du gazole.

Le cétane est utilisé pour définir l'indice de cétane qui permet de mesurer l'aptitude à l'auto-inflammation d'un gazole. (exemple : le fioul domestique à 40 et le gazole à 51)

L'indice de cétane évalue la capacité d'un carburant à s'enflammer sur une échelle de 0 à 100. Il est particulièrement important pour les moteurs Diesel où le carburant doit s'auto-enflammer sous l'effet de la compression. Un carburant à haut indice de cétane est caractérisé par sa facilité à s'auto-allumer.

L'indice de cétane est au moteur Diesel ce que l'indice d'octane est au moteur à essence. Toutefois, ils décrivent des qualités de carburant radicalement opposées, adaptées au type de moteur. Si le premier décrit une capacité d'auto-inflammation recherchée par le moteur Diesel, le second décrit une capacité de résistance à la détonation recherchée par le moteur à essence. La définition a été posée par Wilfrid de Nercy, ingénieur chez Shell, en 1958.

On dit qu'un carburant a un indice de cétane de x, lorsque celui-ci a le même pouvoir d'auto-inflammation qu'un mélange constitué de x% en volume de n-cétane et (100-x)% d'alpha-méthylnaphtalène.

Échelle

  • 0 : alpha-méthylnaphtalène (C10H7CH3) ;
  • 15 : isocétane (2,2,4,4,6,8,8-heptaméthylnonane) (iso-C16H34) utilisé comme nouvelle référence à la place de l'alpha-méthylnaphtalène ;
  • 40 : fioul domestique ;
  • 51 : gazole ;
  • 85 - 96 : diéthyl éther C4H10O ;
  • 100 : n-cétane (C16H34).

Indice d’octane

L'octane est un hydrocarbure saturé de la famille des alcanes de formule brute C8H18. Il a 18 isomères. C'est le principal composé de l'essence, et est la molécule de référence de la réaction de combustion des moteurs à « essence ».

L'indice d'octane[ ]mesure la résistance d'un carburant utilisé dans un moteur à allumage commandé à l'auto-allumage (allumage sans intervention de la bougie). Ce carburant est très généralement l'essence. On parle assez souvent improprement de capacité antidétonante du carburant pour un carburant d'indice d'octane élevé, un carburant ayant tendance à l'auto-allumage pouvant dans certains cas transiter à la détonation.

On dit qu'un carburant a un indice d'octane de 95 par exemple, lorsque celui-ci se comporte, au point de vue auto-allumage, comme un mélange de 95% d'iso-octane qui est résistant à l'auto-inflammation (son indice est de 100 par définition) et de 5% de n-heptane, qui lui s'auto-enflamme facilement (son indice est de 0 par définition).

Pour mesurer l'indice d'octane, on se sert d'un moteur monocylindrique spécial (moteur CFR ou Cooperative Fuel Research). On mesure l'indice d'octane du produit à étudier et, par comparaison avec les valeurs obtenues dans la mesure des produits de référence, on connaît l'indice d'octane du produit.

Le moteur CFR est alimenté, tour à tour, avec le carburant à étudier et des carburants de référence dont les pourcentages respectifs d'iso-octane et d'heptane sont connus.

Échelle

Dans le cas des hydrocarbures, l'indice d'octane augmente dans l’ordre suivant (entre parenthèses la nomenclature désuète provenant de l'industrie du pétrole) : alcanes linéaires (paraffines) à chaîne longue < alcanes linéaires (paraffines) à chaîne courte < alcènes (oléfines) et cycloalcanes (naphtènes) < alcanes ramifiés (isoparaffines) (ex. iso-octane, indice d'octane = 100) et hydrocarbures aromatiques (ex. toluène, indice d'octane = 120) .

Amélioration des indices d'octane des essences

Pour améliorer l'indice d'octane, on ajoute des produits anti-détonants (par exemple du tétraéthyle de plomb, maintenant interdit dans le monde entier pour les carburants automobileset encore utilisé dans les essences aviation) qui permettent l'utilisation du carburant dans un moteur à plus haut taux de compression, et donc potentiellement un moteur à plus haut rendement. Il est donc faux de penser qu'un carburant à haut indice d'octane est un carburant à haute teneur en énergie.

Il est tout aussi erroné de vouloir mettre un carburant à plus haut indice d'octane que celui pour lequel le moteur est conçu afin d'en augmenter le rendement : chaque moteur nécessite un carburant ayant un certain indice d'octane minimum pour fonctionner correctement. Tout supplément d'indice d'octane n'a aucun effet sur le moteur, sa consommation ou sa longévité, sauf si ce dernier possède un calculateur ayant pour fonction de gérer l'avance à l'allumage à la limite du cliquetis, en exploitant l'information fournie par un capteur de cliquetis (le plus souvent un accéléromètre solidaire du bloc-cylindre).

Si on utilise un carburant à indice d'octane trop faible dans un moteur, le combustible risque de s'enflammer spontanément à cause de la compression dans le cylindre. Lorsqu'un tel allumage spontané se produit, la combustion se fait dans des conditions anormales qui fatiguent l'embiellage et le vilebrequin. Dans ce cas, on dit que le moteur cliquette[2].

Au Québec, les raffineries Shell et Ultramar produisent de l'essence avec un taux d'octane entre 87 et 91 seulement (celui-ci étant cependant calculé d'une manière différente qui engendre une baisse de l'indice affiché, mais pour des proportions similaires aux indices européens[].

Les additifs actuellement utilisés pour augmenter l'indice d'octane sont des substances oxygénées :

Rendement d'un moteur usuel

Même dans des conditions d'utilisation optimales (travail à pleine charge), le rendement des moteurs à essence ne dépasse pas 36 % (42% pour le diesel). Le reste de l'énergie est dissipée en chaleur. Pour une utilisation à charge réduite (courts trajets en ville par exemple), le rendement devient inférieur à 15 %. C'est pourquoi les moteurs sont encore aujourd'hui l'objet de nombreuses recherches visant à optimiser leur fonctionnement.

Conclusion et perspectives

Il est clair que l'utilisation des combustibles fossiles pour produire les carburants usuels n'est pas une solution durable. L'épuisement des réserves à plus ou moins long terme est aujourd'hui et la migration vers d'autres sources de production ou d'autres carburants semble inéluctable. De plus, l'utilisation des carburants issus des combustibles fossiles n'est pas sans conséquences sur l'environnement et la santé. En effet, la combustion de ces carburants entraîne l'émission de nombreuses substances polluantes :

  • Le CO2, qui est avec l'eau le principal produit de la combustion complète des carburants. C'est un gaz à effet de serre : son rejet dans l'atmosphère favorise le réchauffement climatique.
  • Le monoxyde de carbone CO et les hydrocarbures imbrûlés (HC) dont le benzène, qui sont émis lorsque la combustion du carburant dans le moteur est incomplète. Ces substances sont dangereuses pour la santé humaine.
  • Les oxydes d'azote NOx qui sont formés par réaction entre le diazote et le dioxygène de l'air dans la chambre de combustion. Ils peuvent générer des pluies acides et participent à la formation de l'ozone atmosphérique qui entraîne des pics de pollution.

Les efforts à court terme sont concentrés sur l'amélioration des performances des moteurs et des systèmes de post-traitement. Par exemple, une optimisation des processus de combustion par injections multiples permet d'augmenter le rendement du moteur et de réduire les émissions de polluants de combustion incomplète (CO et HC). D'autre part, les émissions des polluants formés sont réduites par l'utilisation de pots catalytiques trois voies qui permettent simultanément l'oxydation de CO et des HC en CO2 et la réduction des NOx en N2, ainsi que par le traitement des NOx en sortie de pot d’échappement avec la technlogie SCR/ l’AdBlue.

À plus long terme, des changements de technologie sont envisagés avec la migration vers de nouveaux systèmes de motorisation et de nouvelles sources d'énergie :

  • Moteur dédié au gaz naturel. Le méthane, principal constituant du gaz naturel, est, comme le pétrole, un combustible fossile non renouvelable. En revanche, sa combustion émet moins de CO2 et moins de polluants que l'essence et le diesel à énergie fournie égale. C'est donc un carburant intrinsèquement plus « propre ».
  • Moteur hybride thermique/électrique. Le moteur thermique classique est couplé à un moteur électrique qui n'émet aucun polluant. L'énergie électrique peut éventuellement provenir d'une source non-fossile. De plus, l'énergie de freinage peut être récupérée par le moteur électrique fonctionnant en accumulateur, ce qui permet d'optimiser le rendement.
  • Moteur à pile à combustible. L'énergie provient de la réaction de formation de l'eau par oxydoréduction entre le dihydrogène et le dioxygène. L'énergie chimique est dans ce cas transformée en énergie électrique avant d'être convertie en énergie mécanique. Son fonctionnement s'accompagne d'émission de polluants très faible par rapport à celles des moteurs thermiques actuels.

On peut également envisager le remplacement des carburants actuels par des biocarburants qui peuvent être des hydrocarbures ou bien d'autres substances (éthanol, esters...). Ils sont synthétisés à partir de la biomasse par le procédé Fischer-Tropsch s'il s'agit d'hydrocarbures ou bien par d'autres procédés, éventuellement biochimiques (catalyse enzymatique). L'avantage à long terme de la biomasse est de constituer une source d'énergie renouvelable, elle permet donc un développement soutenable.  




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