Diesel – un moteur aux multiples facettes

De l’huile d’arachide au gaz méthane, les carburants capables d’alimenter le moteur diesel ont considérablement évolué en 119 ans d’histoire. Tant et si bien qu’aujourd’hui, le gazole – souvent considéré à tort comme synonyme de « diesel » – se voit céder du terrain à des solutions de substitution se distinguant par une empreinte écologique réduite telles que le biogaz et le DME. Le moment est donc venu de découvrir en détail ces nouveaux carburants.

Le carburant diesel peut être produit à partir de gazole fossile ainsi que de biodiesel, de gazole synthétique, de DME ou de gaz méthane.

On peut dire que le « diesel » est en quelque sorte méconnu et qu’il a plus que son lot de critiques quant à son impact sur l’environnement.

A l’origine, le terme « diesel » ne désigne absolument pas un carburant mais un type de moteur. Rudolf Diesel, inventeur du moteur éponyme, alimentait d’ailleurs ses premiers moteurs avec de l’huile d’arachide. Toutefois, dans l’esprit collectif, le mot « diesel » est devenu synonyme de gazole fossile, ce qui est plutôt réducteur dans la mesure où le moteur diesel peut fonctionner avec de nombreux carburants différents, dont certains sont renouvelables. Le point commun à l’ensemble de ces carburants est leur inflammation qui fait suite à leur compression et non pas à une étincelle produite par une bougie d’allumage.

La raison pour laquelle le moteur diesel est systématiquement associé au gazole réside dans le fait que ce carburant est devenu au fil du temps celui le plus couramment utilisé pour son alimentation. Cependant, les exigences de la société ne cessant d’évoluer et la technologie réalisant des avancées considérables, de plus en plus de carburants de substitution sont développés pour alimenter le moteur diesel.

« Il est important que nous travaillions avec un vaste éventail de carburants alternatifs et que nous élaborions des solutions permettant de réduire notre impact sur le climat. Il est d’ores et déjà possible de fabriquer des moteurs diesel à haut rendement fonctionnant avec des carburants renouvelables. En attestent notamment nos nouveaux camions Volvo FM alimentés au méthane-diesel et au bio-DME qui sont actuellement soumis à des essais de terrain. Le bio-DME offre la possibilité de réduire les émissions de dioxyde de carbone de 95 % », expliquait Lars Mårtensson, alors directeur des affaires environnementales chez Volvo Trucks en 2011.

Le Diesel : un seul moteur – plusieurs carburants

Anders Röj, expert en carburant chez Volvo Technology. expliquait que le carburant diesel peut en fait être produit à partir de quasiment n’importe quel matériau organique dès lors que ses propriétés d’inflammation sont adaptées au processus de fonctionnement du moteur diesel.

« Néanmoins, certains carburants nécessitent des modifications plus ou moins importantes du moteur et des composants annexes. Et, malheureusement, le moteur ne fonctionne pas toujours aussi bien avec tous les carburants existants. Par exemple, le biodiesel affiche une stabilité et des propriétés de démarrage à froid moins satisfaisantes que les carburants diesel à base d’hydrocarbures. En revanche, lorsqu’il est mélangé à de faibles quantités de gazole, le biodiesel offre un fonctionnement tout à fait correct s’il est par ailleurs de bonne qualité. »

L’éventail des carburants de substitution est si vaste qu’il apparaît judicieux de les passer tous en revue. Les carburants existants et futurs conçus pour l’alimentation du moteur diesel sont donc présentés ci-après.

Gazole fossile

Le gazole est un dérivé du pétrole composé d’hydrocarbures. Il est obtenu par distillation puis raffinage du pétrole brut. Lors de ce processus, le pétrole est filtré et purifié dans un souci de respect des normes et réglementations applicables dans le pays où le carburant sera commercialisé.

L’UE a par exemple adopté une directive et une norme CEN* (Comité Européen de Normalisation) définissant des exigences de qualité pour le gazole. Aux Etats-Unis, c’est la norme ASTM International qui est généralement appliquée. En outre, de nombreux pays disposent de leurs propres normes nationales.

D’après Anders Röj, le gazole fossile offre le meilleur rendement énergétique « du puits à la roue » ou, en d’autres termes, de l’extraction initiale du pétrole à la combustion du carburant dans le moteur.

« La nature réalise un formidable travail préliminaire en nous offrant son pétrole brut enfoui dans les profondeurs terrestres depuis plusieurs millions d’années. En outre, en près de 100 ans d’existence des raffineries, la technologie a énormément progressé », explique-t-il.

Biodiesel

Le terme « FAME » (Fatty Acid Methyl Esters ou esters méthylique d’acide gras) désigne l’ensemble des carburants baptisés « biodiesel ». Les FAME peuvent être produits à partir de diverses huiles végétales ou animales telles que l’huile de colza (RME), l’huile de soja (SME) et l’huile de palme (PME). Il est même possible de faire fonctionner un moteur diesel avec du carburant issu d’huile de cuisson usagée ou d’huile de suif, selon la région du monde où le biodiesel est produit.

L’avantage des FAME réside dans le fait que leurs émissions de CO2 du « puits à la roue » sont inférieures de 50-60 % à celles du gazole, et exemptes de soufre et d’hydrocarbures aromatiques. Mais ces carburants présentent également un inconvénient car ils contribuent à l’augmentation des rejets d’oxydes d’azote (NOx).

L’Union européenne interdit désormais les carburants diesel contenant plus de 7 % de FAME car, au-delà de cette proportion, les émissions de NOx sont trop élevées.

« Si les FAME n’étaient pas des bio-composants, nous nous montrerions probablement très réticents à l’égard de ces carburants en raison des problèmes de rejets de NOx et de qualité qu’ils soulèvent. Toutefois, il existe aujourd’hui une pression politique en faveur des carburants renouvelables, et le biodiesel est l’un des rares biocarburants actuellement disponibles à l’échelle commerciale », affirme Anders Röj.

Gazole synthétique

Le gazole peut être produit de manière synthétique via la gazéification de combustibles tels que la houille et le gaz naturel débouchant sur la fabrication d’un carburant contenant une faible quantité d’hydrocarbures aromatiques. La production de gazole synthétique demeure pour l’instant marginale.

Pourtant, des travaux de recherche sont actuellement consacrés à la gazéification éco-énergétique de la biomasse. Si ce projet aboutit, le gazole synthétique pourrait devenir un carburant particulièrement viable à l’avenir.

« Les émissions de NOx et de particules du gazole synthétique sont inférieures à celles du gazole fossile, toutefois, sa teneur énergétique par litre de carburant est légèrement plus faible », poursuivait Anders Röj toujours en 2011.

DME (diméthyléther)

L’un des carburants diesel synthétiques à l’étude est un éther connu sous le nom de « DME » et consistant en une liaison moléculaire de carbone, d’hydrogène et d’oxygène.

Le DME est actuellement produit à partir de gaz naturel, mais la société suédoise Chemrec possède à Piteå une usine pilote de production de bio-DME qui utilise comme matière première la liqueur noire, résidu hautement énergétique issu de la fabrication de la pâte à papier. Le carburant ainsi produit affiche des émissions de dioxyde de carbone inférieures de 95 % à celles du gazole, et des rejets de suie totalement nuls.

Le bio-DME peut aussi être dérivé d’autres types de biomasse.

« Le bio-DME est le carburant diesel offrant la teneur énergétique la plus élevée par unité de matière première. A titre d’exemple, il multiplie par cinq l’autonomie par unité de terre arable cultivée par rapport au biodiesel », affirme Anders Röj.

Par conséquent, le bio-DME est l’un des carburants sur lesquels Volvo Trucks se concentre pour l’avenir. La société effectue actuellement en Suède des essais de terrain de camions fonctionnant au DME.

Gaz méthane

Le gaz naturel et le biogaz peuvent être utilisés comme carburant automobile sous forme comprimée ou liquide. Ils ne présentent pas les mêmes propriétés d’inflammation que le gazole mais lorsque du gazole fossile ou du biodiesel est utilisé pour faciliter le processus de combustion, ils offrent alors un fonctionnement tout à fait satisfaisant.

En mai 2011, Volvo Trucks a lancé son nouveau Volvo FM méthane-diesel, un camion fonctionnant au gaz et destiné à des applications de distribution régionale. Le carburant qui alimente ce nouveau modèle contient jusqu’à 75 % de gaz méthane liquéfié, le reste étant du gazole servant de « bougie d’allumage », comme indiqué précédemment.

Avec le biogaz, la réduction des émissions de CO₂ peut atteindre 70 % par rapport à un moteur diesel classique. Le gaz d’origine fossile permet, quant à lui, d’abaisser les rejets polluants de 10 %.

Les avantages des carburants renouvelables pour les moteurs diesel :
– Production à partir de sources d’énergies renouvelables (biomasse).
– Emissions de gaz à effet de serre inférieures (voire très inférieures) à celles du gazole fossile.
– Rejets de particules généralement réduits ; la combustion de certains carburants n’engendre quasiment pas de suie (ex. : DME).
– Possibilité de diminution des autres émissions régulées par rapport au gazole fossile.

*Norme CEN EN 590