Défis énergétiques et risques sanitaires dans les transports, CNAM

SEMAINE 1

Energie et réchauffement climatique

  • Rapport du Giec du 2 novembre 2014 : impératif de réduction drastique des émissions de CO² + COP 21 (21e conférence mondiale du climat)

  • Dynamique générale de transition énergétique : moteurs électriques, énergies vertes (biomasse et hydrogène), contrôle système et post traitement

GIEC

  • Hausse des températures moyennes due à l’augmentation de gaz à effet de serre avec réchauffement signicatif de la planète au siècle dernier. Même tendance d’ici à 2100 si aucune mesure drastique…

  • Concentrations de CO² et CH4 plus élevées sur les 650 000 dernières années

  • Etapes 3×20 : réduction des GES de -20%, de la conso de -20% et énergies renouvelables +20%

  • Le rapport 2014 est le socle scientifique des négociations : réduire GES de 50 à 70% par rapport à leur niveau de 2010

    • Le système économique devra fonctionner en absorbant du CO² plutôt qu’en en émettant !

Impact des machines thermiques sur le réchauffement climatique

  • Théorie du réchauffement climatique émise dès 1896 par Arrhénius, prix Nobel de chimie en 1903

  • En France en 2010, transports = 25% des émissions de GES

  • 60% des rejets thermiques se produisent à moins de 230°C (notamment moteurs encore froids…)

Rétrospective des machines thermiques

  • Forte dissipation d’énergie non mécanisée : pertes par radiation, pertes thermiques au travers du liquide de refroidissement, pertes thermiques dues aux gaz d’échappement

Fonctionnement des moteurs

  • Cycles utilisés sont dit à 2 ou 4 temps. Pour automobiles et poids lourds, souvent 4 temps

    • Temps = phases de mouvement du piston (admission, compression, combustion, échappement). Alternance montées et descentes

  • Moteur à essence :

    • Combustion par mélance homogène

    • Allumage par apport d’énergie externe (étincelle de la bougie)

  • Moteur diesel :

    • combustion se fait de manière simultanée à l’injection

    • allumage provoqué par conditions de pression et température dans le cylindre. Pas de bougie d’allumage mais de préchauffage

Propulsion dans l’aviation civile et commerciale

  • En 2011, le marché des moteurs = 21 milliards de dollars, avec croissance annuelle de 6%

    • Moteur représente 15 à 20% de la valeur d’un avion

  • Constructeurs ajoutent moteurs selon demande du client. Ainsi, l’Airbus A 380 est équipé soit d’un moteur Rolls Royce Trent 900, soit d’un moteur Engine Alliance GP7200

  • Turbomachine fonctionne sur un rapport poids/puissance. Principe :

    • on comprime l’air prélevé dans le milieu

    • on y brûle du carburant

    • on détend cet air

  • Architecture turbojet : première historiquement, très gourmande en carburant

  • Architecture turbofan : équipe presque tous moteurs actuellement. Il existe deux flux (dont l’un sert à brûler le carburant et l’autre) mais tous deux servent à la propulsion de l’avion

SEMAINE 2

Energie et pollution dans les transports

Combustion dans les moteurs

  • Pouvoir calorifique inférieur : quantité de chaleur dégagée par la combustion complète avec de l’air d’un kg de carburant. Exemple, PCI d’un moteur essence = 43 800 kL/kg

Normes d’émissions des véhicules automobiles

  • Homologation par :

    • cycle de conduite NEDC : analyse des gaz d’échappement dès allumage du moteur et selon différentes phases d’accélération

    • banc à rouleaux, en laboratoire. Essai réel permettant mesure de conso + émissions polluantes (monoxyde de carbone…) exprimées en mg/km. En 2015, norme est de 130 de CO² / km ; baisse à 95 en 2020

    • consommation différenciée en : urbain, extra-urbaine et mixte

  • Cycle de conduite VS trafic réel : exigence sur le cycle de conduite est insuffisante ! D’où nécessité d’ajouter à l’homologation la composante « vie réelle » (RDE : real driving emissions)

Moteur diesel industriel et réglementations

Polluants et dispersion atmosphérique

  • Rayonnement solaire : 50% absorbé par le sol, 30% renvoyé vers l’espace et 20% conservé dans l’atmosphère

  • Rayonnement infrarouge : 95% reste sur terre et seuls 5% traversent l’atmosphère !

  • Dispersion : tout d’abord par le vent et la pression atmosphérique. Mais sens de dispersion dépend de la géographie : plage, vallées (de jour, polluants emmenés vers sommets, et inversement la nuit), …

SEMAINE 3

Impact sanitaire

  • Exposition massive + Impacts visibles à l’oeil nu. Exemple : en décembre 1952, épisode de pollution à Londres s’est traduit par plusieurs milliers de décès (soufre et fumée noire, se comptaient en milligramme/m3 ; désormais on calcule en microgramme/m3)

  • Décès liés à la pollution moins liés aux polluants eux-mêmes qu’aux maladies cardiaques et respiratoires. On n’est plus dans le schéma pasteurien : une cause = une maladie

  • Années 80 : la plupart des études épidémiologiques sont négatives : Air pollution is no more a public health problem

Polluants d’intérêt sanitaire

  • Acido-particulaire, SO2, Nox, O3 (ozone)…

  • En France, les transports émettent 25% des émissions totales de polluants

Outils d’étude

  • Toxicologie expérimentales : on oppose volontaires sains, animaux, cellules, etc. contre volontaires (volontairement) contaminés. Bémol : situation fictive, inventée de toute pièce

  • Epidémologie : science d’observation. Constate que groupes sont exposés à la pollution et d’autres pas, d’autre beaucoup et d’autre peu. Constate aussi qu’il y a malades et non malades. Etude se fait en situation réelle, donc plus fiable. Mais une étude ne suffit à pas établir une vérité, même si elle influence énormément une décision

Exposition brève

Exposition longue

Individuelle

Panel

Cohorte

Ecologique

Panel / Time series

Comparaison géographique

  • Plusieurs critères font passer de la corrélation à la causalité : constance des résultats, cohérence des résultats, relation dose/risque, plausibilité biologique

Exemple : impact à court terme

  • L’effet sanitaire se produit quelques jours après l’exposition : risques de décès cardiaques augmentent de 0,9%, respiratoires de 1,3%, selon OMS ; risques d’hospitalisations pour causes cardio-vasculaires augmentent de 0,6%, respiratoires de 1,2% ; symptômes : asthme, toux…

  • Il n’y a pas de seuil en-dessous duquel le risque est nul : dès qu’un phénomène existe, il y a un risque. Certains sont plus protégés que d’autres selon leur morphologie, leur santé, l’hérédité

Impact à long terme

  • Si plusieurs années : risque de décès cardio-pulmonaires (+9%) et cancer du poumon (+14%)

  • Selon une étude du CAFE de 2005, exposition à la pollution réduit espérance de vie de 9 mois et cause 348 000 décès anticipés par an en Europe

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