A l'heure où les réserves en combustibles s'ammeunuisent, il est essentiel de trouver des alternatives pour alimenter en énergie nos véhicules car la pollution due aux transports représente environ vingt pour cent des émissions mondiales de CO₂ [1]. L'une possibilités est l'utilisation du gaz naturel dans les véhicules.

L'un des axes de ces recherches est l'utilisation du gaz naturel comme carburant alternatif pour les moteurs à combustion interne et en particulier pour les moteurs à allumage commandé.

Les avantages du gaz naturel

Le gaz naturel est une énergie primaire, comme le pétrole et non un vecteur énergétique (même si du coup les réserves sont limitées). 

Actuellement, le gaz naturel est proportionnellement moins cher que l'essence (ou le diesel). 

Contrairement à l'essence ou au diesel, qui sont composés de composés hydrocarbonés lourds, le gaz naturel est principalement composé de méthane (~75-90% selon l'origine) et de composés hydrocarbonés légers.  Comme le gaz naturel est composé de composés hydrocarbonés légers, la combustion du gaz naturel produit moins d'émissions de CO₂ que la combustion de l'essence ou du diesel. 

De plus, le gaz naturel a une température de flamme adiabatique inférieure à celle de l'essence, de sorte que la quantité d'émissions de NOx - qui augmente avec la température - pourrait être inférieure. La figure suivante montre les réductions maximales potentielles de plusieurs polluants (CO₂, NOx, suie, hydrocarbures non méthaniques (NMHC)) lorsque le gaz naturel est utilisé au lieu des combustibles traditionnels (essence ou diesel) [2].

La réduction des émissions de CO₂ est encore plus importante si le gaz naturel est produit par la décomposition des déchets (biogaz) car dans ce cas les déchets sont réutilisés.  Mais ce type de gaz doit aussi être épuré car il y a des impuretés comme le CO₂, le soufre, l'eau, l'oxygène, l'azote,...  [3].

La quantité de soufre est généralement très faible dans le gaz naturel raffiné ce qui permet de limiter les oxydes de soufre créés durant la phase de combustion [2].

Le gaz naturel a une faible vitesse de flamme de sorte que la combustion du gaz naturel est plus lente que celle de l'essence et que les moteurs à gaz naturel sont plus silencieux (-5 à -8 dB) grâce à la réduction des vibrations dues à la combustion [4].

L'utilisation du gaz naturel est plus sûre que celle de l'essence grâce à une température d'auto-inflammation plus élevée (environ 600°C contre 250-300°C pour l'essence)[5]. De plus, le gaz naturel est plus léger que l'air.  Ainsi, en cas de fuite, le carburant est rapidement dispersé dans l'atmosphère. Les réservoirs sont plus résistants aux chocs et il y a plusieurs dispositifs de sécurité contre les fuites sur les véhicules [6].

Un démarrage à froid des moteurs au gaz naturel ne nécessite pas de surconsommation car le carburant est un gaz, contrairement aux moteurs à essence, où la quantité d'essence injectée doit être augmentée pour obtenir un mélange homogène.

L'indice d'octane du gaz naturel est d'environ 130, de sorte que le rapport volumétrique de compression peut être plus élevé et permet donc en théorie d'augmenter le rendement du moteur [7].  Toutefois, ceci n'est valable que si le moteur utilise exclusivement du gaz naturel. Si le moteur utilise de l'essence ou du gaz naturel, il est nécessaire d'utiliser une chambre de combustion à volume variable pour augmenter le rendement sans quoi l'usage du gaz naturel n'est alors pas plus intéressant.

Inconvénients

Malheureusement, l'utilisation du gaz naturel dans les moteurs à allumage commandé présente plusieurs inconvénients. Premièrement, l'injection d'un gaz est plus difficile à réaliser en raison de la compressibilité du gaz, contrairement aux combustibles liquides qui sont par nature incompressible.

La lubrification des soupapes, des injecteurs et des segments de piston du moteur doit être adaptée car les gaz sont moins lubrifiants que les fluides.

De plus, la faible densité énergétique des gaz est désavantageuse pour le stockage dans les véhicules.  En effet, la densité énergétique du gaz naturel est environ 1000 fois inférieure à celle de l'essence (conditions ambiantes).  C'est pourquoi le gaz naturel est généralement comprimé à une pression de 200 bar.  Pour supporter ces pressions, les réservoirs doivent être plus résistants, donc plus lourds et plus volumineux. 

Enfin, l'approvisionnement du client en gaz naturel est très difficile à réaliser.  En fait, le réseau d'approvisionnement dépend du pays et est généralement assez réduit. Cependant, de plus en plus d'entreprises de transport par autobus développent avec succès leur propre réseau d'approvisionnement en gaz naturel. Les fabricants de moteurs ont compris le potentiel du gaz naturel. La plupart des grands constructeurs ont développé un ou plusieurs modèles de véhicules à essence malgré les problèmes cités précédemment.  En général, les modèles sont flex-fuel c'est à dire qu'ils utilisent un combustible conventionnel (l'essence ou le diesel) et le gaz naturel.

Conclusions

Le gaz naturel semble une solution pour réduire les émissions de CO2 et de polluants. Toutefois il convient de développer davantage les réseaux d'approvisionnement ainsi que la filière renouvelable afin d'utiliser les déchets comme source d'énergie puisque le gaz naturel est comme les autres énergies fossiles disponible en quantités limitées.

Références

[1] - International Energy Agency, World Energy Outlook, 2006

[2] EMPA, ÖKOBILANZ VON ENERGIEPRODUKTEN, 22. May 2007

[3] http://www.biogaz-energie-renouvelable.info/biogaz_composition.html

[4] http://www-ose.cma.ensmp.fr/evenements/2000/technologies_gnv.htm 

[5] - Instrumental Methods of Analysis - 6th edition. H.H.Willard, February 1988.

[6] – Clean Vehicle Education Fundation, Technology Committee Bulletin, 28 September 1999 (reviewed 31 January 2008).

[7] - Effect of Natural Gas Composition on the Performance of a CNG Engine, K. Kim, Oil & Gas Science and Technology – Rev. IFP,Vol. 64 (2009), No. 2, pp. 199-206